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使用FTIR成像分析定性与定量分析废水、沉积物和动物体内的微塑料

发布时间:2021-11-15   点击次数:858次

前言:近年来,塑料污染越来越多地进入研究人员、政界人士和公众的视线。微塑料 (< 5 mm) 尤其是大家关注的焦点,人们怀疑它们会在环境和水生生物中积聚 [1]。 微塑料来源众多,其在环境中保留数百年后才能被最终分解。然而,人们对环境和 水生生物中微塑料的积聚水平和影响了解甚少。部分原因是缺乏标准的分析方法, 以及目前的分析技术过于耗时导致实践困难。 之前发表的研究成果依靠目视识别对样品中的塑料进行定量 [2]。本研究开发了从环 境样品中提取微塑料的可靠方法。采用傅立叶变换红外 (FTIR) 光谱成像技术对各种 微塑料类型进行定性和定量分析 [3,4]。


实验部分 样品 在一段时间内从丹麦维堡的一个湿蓄水池中采集样品,包括沉 积物、水、三脊棘鱼和水蛭。研究中未对水生动物展开深入分 析,仅用其验证了动物群体中微塑料的检测结果。 池塘接收雨水径流并保留了道路上的污染物,可能导致微塑料 的浓度增加。 总共从池塘中收集 50 L 水。每批次采水样 10 L,收集在螺口 盖涂覆 Teflon 涂层的 2 × 5 L 培养基储瓶中。采样位置如图 1 所示。 用一个直径 5 cm 的玻璃采样器(采样位置见图 1)在距离池 塘边缘 1–2 米处收集沉积物样品。将每份沉积物样品的顶层 液体转移至玻璃罐中。 如图 1 所示,使用池塘中铺设的渔网捕获鱼样品。用袋网捕获 其他动物群样品,然后放入装有纯乙醇的玻璃瓶中。然后将这 些样品放在冰上,以 –20 °C 的温度保存在实验室中

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样品前处理 所有玻璃器皿在使用前都要冲洗三次,并盖好所有设备、样品 等,以防受到空气中微塑料的污染。 分析环境样品中的微塑料时,主要挑战是如何去除有机物/生 物体。由于许多塑料都有疏水性,有机物会在塑料表面聚集, 因此在对微塑料进行光谱表征之前,必须先去除有机物。用 H2O2 氧化作为主要预处理方法,因为这种方法可以在保持塑 料不变的同时去除有机物。


通过筛分并用乙醇冲洗以富集水样中的塑料,然后将乙醇 蒸发。 对沉积物样品进行筛分与冷冻干燥,然后通过 H2O2 氧化去除 有机物。再用重量分离法分离无机和有机组分。 动物群样品的前处理方法是在每 1 g 干重的冷冻干燥样品中加 入 60 mL 的 5 M KOH。然后将该溶液在 45 °C 下搅拌 48 小 时。加入超纯水,之后筛分样品。 将三种样品类型的最终富集塑料颗粒样品分别悬浮于乙醇 中。将粒径 > 80 µm 的样品沉积到红外反射载玻片 (MirrIR, Kevley Technologies) 上,进行反射模式 FTIR 成像分析。将粒 径 < 80 µm 的样品沉积在氟化钙 (CaF2) 红外透明窗片上,烘 干用于随后的透射模式分析。经过处理后,微塑料颗粒将粘 附在载玻片上,用于 FTIR 成像分析。

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仪器 使用傅立叶变换红外 (FTIR) 成像系统对样品中的微塑料进行 定性和定量分析。系统中包括一台 Agilent Cary 620 FTIR 显微 镜,与 Agilent Cary 670 FTIR 光谱仪联用。显微镜上配备了一 个 128 × 128 像素的焦平面阵列 (FPA) 检测器,能够以 15 倍 的放大率在每区块 700 × 700 微米的区域中同时采集 16384 幅光谱图。仪器可以自由切换反射和透射两种模式。仪器设 置如表 1 所示。

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数据处理 FTIR 成像数据分析通过使用丹麦奥尔堡大学开发的 MPhunter 软件与德国阿尔弗雷德韦格纳研究所合作完成。MPhunter 将 一系列参比谱图关联到 FTIR 成像系统获得的谱图中。然后其使 用原始谱图(未衍生)和第一第二衍生谱图将图像中所有谱图 (本例中共 420 万谱图)关联到每一个加载的参比谱图,使用 整个谱图范围或选定范围内的波数并在 0 和 1 之间产生一个 分数,表明拟合优度。这三种相关性可单独加权。 为检测样品中的微塑料,采用一种自动算法将数据库中的所有 参比谱图与图像中的所有谱图进行比较。在这种情况下,采用 了塑料聚合物和天然材料的 113 张参比谱图,其显示出与样 品塑料谱图具有相似性。将谱图数据库中的各种材料分配到不 同的材料组,如 PP、PE、PET 等等。用于微塑料颗粒检测的 算法采用 2 个概率评分阈值。首先,该算法找寻所有最高概率 评分的像素(本例中每个像素概率分数为 113)并将其归为塑 料材料,同时寻找评分高于较高阈值的所有像素。此外,该算 法分析所有相邻像素,如果它们拥有与所属材料组同类型的材 料且概率评分高于第二阈值,则添加这些像素为塑料颗粒。

现有相关性中,原始谱图的权重为 0(意味着不在考虑范围 内),而第一和第二衍生图权重都为 1,意味着最终分数是第 一和第二衍生图分数的平均值。不考虑原始谱图的原因是倾斜 的基线(样品形状尺寸造成光散射)往往带来误导性的结果, 而在使用衍生图时不会遇到此问题。图形输出可以是颜色相关 的图像,每个像素通过最近的谱图匹配进行颜色编码,以及/ 或者生成第二图像显示用户特定选择的参比材料的热点图。 然后分析已鉴定的塑料颗粒,找出颗粒像素之间的最长距离, 从而获得颗粒的主要尺寸。假定颗粒形状为椭圆且知道扫描中 颗粒的面积,从而获得次要尺寸。第三尺寸厚度,假定为次要 尺寸的 0.67 倍。假定颗粒是椭圆,计算其体积。根据体积和 已鉴定塑料材料的密度来计算质量。这些颗粒的参数以列表形 式显示,便于导出。请参阅图 3 示例。


结果与讨论 通过分析样品的 FTIR 图像,对样品中的塑料进行定性与定量 分析。该分析需要去除目标物以外的大部分物质。为达到此目 的,对每种不同类型样品(如水、沉积物、鱼)的前处理方法 进行了优化。 透射测定(粒径 10–80 µm)的所有 113 个参比谱图的完整相 关性图像,如图 3 所示。 乍看之下,很明显大部分颗粒是天然原料,比如纤维和蛋白 质。尤其可以看到纤维颗粒,它们均来源于纤维素材料。 图 4 展示了原始谱图(未衍生)和第一衍生图中,定性为聚 丙烯的像素和聚丙烯参比图之间的对比。它清楚地表明,采用 衍生图可以有效减少散射造成的光谱偏移和基线倾斜(与样品 的颗粒性质相关),从而提供与参比谱图更好的相关性。



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