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新污染物檢測特色分析技術(shù)——紅外拉曼顯微鏡助力微塑料化學(xué)成像可視化分析
微塑料
微塑料是指直徑小于5mm的塑料碎片和顆粒。近年來，以微塑料為代表的新型污染物受到的關(guān)注度持續(xù)提升，已經(jīng)有大量研究報道，微塑料對海洋生態(tài)以及生物和人類健康存在持久的、確定和不確定的危害。隨著微塑料污染關(guān)注度的提升和其生態(tài)效應(yīng)研究的深入，也對其研究手段也提出了更高的需求。
化學(xué)成像是將具有空間分辨能力的譜學(xué)信息與位置信息分析進行有機結(jié)合的表征技術(shù)，通過獲取來自被測樣品形貌、表面等信息進而表征其相關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)。光譜成像作為化學(xué)成像中的重要一類，是通過使用不同波長的入射光照射樣品表面空間位點，收集所產(chǎn)生的反饋信號，構(gòu)建反映樣品表面化學(xué)和物理特性的圖像。通過利用島津極具特色的AIRsight紅外拉曼顯微鏡，實現(xiàn)了對不同尺寸的微塑料樣本的原位、多模態(tài)（紅外與拉曼）化學(xué)成像分析，為微塑料檢測和研究提供全新的方法和思路。
特色研究方案
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(xué)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(xué)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(xué)照片匹配度較高的化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)照片匹配度較高的化學(xué)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(xué)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(xué)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(zhì)自身含有的大量浮游生物及其他雜質(zhì)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?；瘜W(xué)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(xué)成像提取來克服基質(zhì)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(xué)成像。
圖3 天然湖泊水中微塑料拉曼成像
總結(jié)
AIRsight紅外拉曼顯微鏡通過將帶有成像功能的顯微紅外光譜和顯微拉曼光譜進行有機結(jié)合，為微塑料樣本研究提供了大尺寸跨度、原位、多模態(tài)的光譜表征與化學(xué)成像分析手段，有望成為食品安全、生態(tài)環(huán)境等大健康領(lǐng)域更為有力的研究方法和工具。
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