新污染物檢測特色分析技術——紅外拉曼顯微鏡助力微塑料化學成像可視化分析

本研究使用島津紅外拉曼顯微鏡對不同粒徑PS-DVB微塑料樣本（98μm，16μm）進行顯微紅外及顯微拉曼分析（圖1A、圖2A）。以1003cm^-1（苯環(huán)呼吸振動峰）為微塑料的拉曼光譜特征峰提取化學成像（圖1D），同時以3082cm^-1（苯環(huán)芳香C-H伸縮振動峰）為微塑料的紅外光譜特征峰提取化學成像（圖1C）。由圖1A和圖1B中可見，對于98μm這樣尺寸較大的微塑料樣本，通過紅外光譜成像和拉曼光譜成像均可獲得與光學照片匹配度較高的化學成像（圖1C和圖1D），二者的空間分辨率可以滿足對單個微塑料顆粒進行有效成像和甄別。但是由于紅外光譜的光斑可以調(diào)節(jié)至更大，而拉曼光譜光斑受限于激光光源無法調(diào)節(jié)，所以紅外光譜成像更適合于大尺寸微塑料樣本的單顆粒形態(tài)成像分析。

圖1 98μm PS-DVB微塑料紅外與拉曼成像對比圖

對于小粒徑PS-DVB微塑料樣本（16μm），以1003cm^-1（苯環(huán)呼吸振動）為微塑料的拉曼光譜特征峰提取化學成像（圖2D），同時以3082cm^-1（苯環(huán)芳香C-H伸縮振動）為微塑料的紅外光譜特征峰提取化學成像（圖2C）。由圖2A和圖2B中可見，對于16μm這樣尺寸較小的微塑料樣本，拉曼光譜成像可獲得與光學照片匹配度較高的化學成像（圖2C和圖2D），其成像分辨率可以滿足對單個微塑料顆粒進行有效成像和甄別；而紅外光譜成像對微塑料顆粒的成像幾乎呈現(xiàn)為區(qū)域連片的趨勢，無法實現(xiàn)對單個微塑料顆粒進行有效成像和甄別。

進而借助于AIRsight紅外拉曼顯微鏡可實現(xiàn)對兩種光譜原位采集的功能特點，可以實現(xiàn)對微小區(qū)域的微塑料進行紅外光譜成像和拉曼光譜成像的原位采集和對比。如圖2黑線圈中區(qū)域內(nèi)有7個16μm PS-DVB微塑料顆粒，在拉曼光譜成像中，可以清晰呈現(xiàn)出7個微塑料的單顆粒形態(tài)的化學成像，而在紅外光譜成像中則無法有效呈現(xiàn)，僅可獲得整體分布走向趨勢的化學成像。由此可見，相比較于紅外光譜成像，拉曼光譜成像更適用于小尺寸的微塑料樣本的單顆粒形態(tài)成像分析。

圖2 16μm PS-DVB微塑料紅外與拉曼成像對比圖

而在天然湖泊水中，由于基質自身含有的大量浮游生物及其他雜質成分（圖3A中圈出部分為天然藻類）會產(chǎn)生高熒光背景干擾正常化學成像，可采用1003cm^-1（苯環(huán)呼吸振動特征峰峰端）和950 cm^-1（苯環(huán)呼吸振動特征峰峰底）的強度比率進行化學成像提取來克服基質產(chǎn)生的熒光背景干擾，如圖3B可見，利用AIRsight的拉曼成像模式和軟件自帶的多類型圖像提取功能，可以實現(xiàn)對實際湖泊水樣本中的微塑料單顆粒進行高空間分辨率化學成像。