安捷伦红外光谱水中微塑料检测整体解决方案

前言

环境中粒径小于 5 mm 的塑料污染物被称为“微塑料”，其具有复杂的物理化学性质。目前在海 洋、河流、大气和土壤等环境中，都已发现微塑料的存在。随着国家对环境保护的日益重视，微 塑料污染研究成为近年来的热点之一。生态环境部在 2022 年 3 月举办的例行新闻发布会上表示， 目前正在研究制定包括微塑料在内的新型污染物的治理行动方案。

水与我们的生活息息相关。为了更好地检测和监控各类水体（包括海洋、河流、湖泊、水库、地 下水和自来水）中的微塑料污染物，安捷伦与国内科研机构合作，开发出针对水中 10 μm–5 mm 粒径范围内微塑料检测的整体解决方案。

用于微塑料检测的红外仪器的选择

光谱法是最常用的微塑料检测方法。其中，红外光谱以分子指纹谱图的特性以及检测结果不受颗粒颜色影响等优势，成为 微塑料定性分析的理想选择。

针对样品中占比较低的粒径大于 500 μm 的颗粒，可以选择常规傅里叶变换红外仪器搭配衰减全反射 (ATR) 附件进行检测； 而对于粒径小于 500 μm 的颗粒，人眼难以识别，需要借助红外显微设备进行检测。

为满足用户对粒径为 10 μm–5 mm 的微塑料样品进行检测的需求，安捷伦推荐的仪器配置如下（图 1）。

1 μm                                 10 μm                                100 μm                          1000 μm (1 mm)             10000 μm (10 mm)

8700 LDIR 激光红外成像                                           Cary 630 FTIR 光谱仪

图 1. 微塑料粒径范围及对应的红外仪器选择

粒径 < 500 μm 的微塑料检测：Agilent 8700 LDIR 激光红外成像系统

Agilent 8700 LDIR 激光红外成像光谱仪（图 2）采用专利量子级联激光器 (QCL) 作为光源，光源能量为传统傅里叶显微红外成像系统的 10000 倍以上； 且光路设计打破传统傅里叶变换红外成像技术的设计理念，光照射到样品后无 需经过任何信号转换，直接被检测器接收。即使在微米级样品的检测中，也能 够获得信噪比足够高的红外谱图，实现准确定性。

粒径 > 500 μm 的微塑料检测：Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪

Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪采用一体式干涉仪设计，结构紧凑、体积小巧且 可靠耐用。与钻石晶体 ATR 搭配（如图 3 所示），可实现对多种形态样品（如 固体、液体及粉末样品等）的检测。钻石晶体 ATR 具有非常出色的耐磨性和 耐腐蚀性，不受任何样品材料的影响，非常适合用于固态聚合物颗粒样品的定 性分析。

图 2. Agilent 8700 LDIR 激光红外成像系统

图 3. 搭配钻石晶体 ATR 附件的 Agilent Cary 630

FTIR

水样前处理

样品前处理流程

1.    现场取 5 L 水样，经 5 mm 和 10 μm 金属滤膜过滤，并将 10 μm 滤膜带回实验室

2.    将滤膜置于盛有 30% H2O2  溶液（或芬顿试剂）的锥形瓶中，经微波振荡 10 min 后取出滤膜，然后将锥形瓶放入 60 °C 的振荡培养箱中反应至澄清，约需 1–2 天

3.    采用浮选溶液进行重力浮选，使微塑料漂浮在上清液中，虹吸上清液

4.    分别使用 500 μm 和 10 μm 滤膜对溶液进行过滤，对于 10 μm 滤膜，需要使用适量超纯水和无水乙醇冲洗后进行低温 干燥

5.    将 10 μm 滤膜上的颗粒通过微波振荡转移至无水乙醇溶液中，并将乙醇溶液浓缩至 100 μL 后转移至标准反射窗片上用

8700 LIDR 激光红外成像进行检测；500 μm 滤膜上的颗粒可通过手动挑取方式用 Cary 630 FTIR 搭配钻石晶体 ATR 附 件进行检测

样品前处理常见问题解答

1）  如果消解反应太剧烈怎么办？

可以使用冰浴将反应温度控制在 60 °C 左右，也可以采用少量多次加入 H2O2  溶液的方式降低反应的剧烈程度

2）  如何选择浮选溶液？

常用浮选溶液包括氯化钠、碘化钠和氯化锌饱和溶液。其中氯化钠溶液无毒，但密度较低；其他两种溶液有毒，但是 密度较高。可根据样品的实际情况，选择合适的浮选溶液

3）  如何选择浮选次数？

浮选的目的是去除样品中残留的泥沙。浮选次数一般取决于样品的实际情况， 如含泥沙较多的样品， 建议至少浮选

2 次以上

4）  在微波振荡前，滤膜是否需要干燥处理？

需要。洗脱滤膜上的颗粒时所用的溶剂为无水乙醇，且后续转移过程中也利用无水乙醇溶液的挥发延展性将所有颗粒 均匀分散在反射窗片上。为保证转移至窗片后溶液快速挥发且在窗片上不留水痕，建议将滤膜完全干燥。可以对滤膜 进行常温干燥，也可在 60 °C 的低温烘箱内进行处理

5）  乙醇溶液浓缩的方法有哪些？

目前可使用的方法包括氮气吹扫、低温加热和旋转蒸发。用户可根据实验室具体情况进行选择。如果选择氮气吹扫 法，需调低氮气流速，以防将微塑料颗粒吹走；与此同时，需要在出气口端加装干燥器，以防冷凝水干扰

利用 8700 LDIR 激光红外成像检测水中的微塑料 (10 μm–500 μm)

检测流程

1.    将洗脱到乙醇溶液中的微塑料颗粒全部转移至标准反射窗片上（图 4）

溶液基本澄清

浓缩至 100 μL 左右

将乙醇溶液转移至窗片，乙醇挥发后，微塑料颗粒均匀分散在窗片表面

图 4. 将浓缩乙醇溶液滴至标准反射窗片上

2.    将样品放入 8700  LDIR 激光红外成像系统的样品仓内，软件将自动对整个窗片进行拍照定位；然后识别目标检测区 域内的颗粒，并按照标注的 ID 依次采集每个颗粒的谱图；同时，自动完成颗粒图像、粒径测定和定性检索等工作 （图 5）

颗粒 定位

Clarity

图 5. 8700 LDIR 激光红外成像检测微塑料样品的流程示意图

测量

颗粒面积 并计算

水样检测结果示例

1.    标准反射窗片的可视化图像及成像结果

在图 6 中，左图为窗片的可视化图像，右图为检测完毕后所有微塑料颗粒的成像结果，其中不同颜色代表定性结果不 同的微塑料颗粒。

图 6. 标准反射窗片的可视化图像（左）及成像结果示例（右）

2.    定性统计结果

图 7 显示了 Clarity 软件定性统计结果示例。在该软件自动显示的 Identification 选项下，用户可以看到每种定性结果下 的颗粒数及占比（图中所示仅为统计结果的一部分）。

该定性结果下的颗粒数及其占比

不同颜色标识的定性结果分类

图 7. Clarity 软件定性统计结果示例

3.    粒径分布统计结果

图 8 显示了 Clarity 软件的粒径分布统计结果示例。在 Statistics 选项下，用户可以查看所有颗粒的粒径分布。其中左图 为按照粒径范围得到的统计结果，右图为按照粒径分布得到的统计结果。图中的不同颜色代表不同的定性结果，且此 处显示的颜色与定性统计结果中使用的颜色标注是一致的。从图中的粒径分布结果可以看出，粒径越小的颗粒占比越 多，其中 200 μm 以下的颗粒占识别出的总颗粒的 90% 以上。

按粒径分布进行统计

按粒径范围进行统计

图 8. Clarity 软件粒径分布统计结果示例

4.    每个颗粒的图像、谱图及颗粒尺寸信息

以识别出的 PET 颗粒谱图为代表（如图 9 所示），在 Particles 选项下，可以看到检测颗粒谱图与谱库中标准谱图的匹 配度值，同时可以查看每个颗粒的常规图像以及尺寸信息。

红外摄像头采集照片

高清摄像头采集照片

定性结果

定性结果的匹配度值

颗粒尺寸信息

颗粒谱图与谱库中标准谱图对比

图 9. 采集的微塑料颗粒的具体信息示例

激光红外成像与传统显微红外相比的技术优势

激光红外成像技术是近两年发展起来的新技术。与采用傅里叶变换原理的传统显微红外系统不同，激光红外成像系统无需 传统傅里叶变换红外光谱系统的干涉仪和分束器等部件，光源在光路中的能量损失小，具有更高的稳定性和耐用性。另 外，激光红外成像系统采用量子级联激光 (QCL) 作为光源，即使在微米级样品的检测中，也能得到信噪比足够高的红外谱 图，从而获得准确的定性结果。

在微塑料样品检测过程中，激光红外成像与传统显微红外技术相比的区别及优势主要表现在：

1.    微塑料颗粒收集方式不同

使用乙醇溶液对滤膜进行超声洗脱，可以完整收集滤膜上所有的微塑料颗粒。将浓缩后的乙醇溶液转移至安捷伦标准 反射窗片后，颗粒可随着乙醇溶液在窗片上延展挥发，均匀分散在整个窗片上，而无需担心由于颗粒叠加对检测结果 造成误差。

2.    颗粒识别定位方式不同

传统红外显微技术利用红外摄像头对颗粒进行识别，仅对能够识别的颗粒进行谱图采集。但由于很多微塑料颗粒本身 无色，与本底窗片无明显差别，因此很容易漏检。利用 8700 LDIR 进行颗粒识别时，则是通过 Clarity 软件对整个窗片 进行全扫描，借助激光散射原理将粒径 > 6 μm 以上的颗粒全部识别出来，并对自动识别的图像进行图像采集，然后由 软件按照识别出的颗粒依次采集红外全谱，无需担心颗粒漏检的问题。

3.    数据采集方式不同

与传统红外显微技术扫描窗片上的所有区域不同，激光红外成像仅对识别出的颗粒进行谱图采集，因此可以避免将时 间浪费在无效数据采集上。另外， 也能够避免利用传统红外成像进行大面积检测时生成大量数据而占用巨大存储空 间，导致工作站死机和数据丢失等问题。

4.    检测速度和工作效率不同

采用传统显微红外进行手动挑取检测时，每人每天平均只能检测 40–50 个颗粒，检测效率较低。使用 8700 LDIR 激光 红外成像可实现全自动微塑料样品检测，每个颗粒的平均检测时间仅需 8 s ；还可以借助软件同步获得每个颗粒的红外 谱图、定性结果、数量和占比统计数据、粒径信息、粒径统计分布以及高清图像等完整数据，无需任何额外的人力支 出，大大提高了工作效率。

5.    数据准确度不同

典型的粒径分布统计结果显示，小于 200 μm 的颗粒通常占总颗粒数的 90% 以上。如果使用传统显微红外技术进行手 动挑取颗粒检测，用户能够手动挑取识别的粒径下限一般为 150–200 μm，意味着样品中 90% 以上的颗粒可能被漏 检，导致检测结果被严重低估。

目前，8700 LDIR 激光红外成像微塑料检测方法是更高效的微塑料全自动化检测方案。该方法基本消除了人为误差，为未来 微塑料检测方法的标准化奠定了基础。

利用 Cary 630 FTIR 傅里叶变换红外光谱检测水中的 微塑料 (> 500 μm)

大于 500 μm 的微塑料颗粒在样品中的数量较少且易于识别，可手动挑取滤膜上的颗粒，置于常规红外光谱仪 Cary 630 FTIR 的 ATR 钻石晶体上直接检测；然后利用 Microlab PC 软件自带谱库或用户自建的谱库来确定微塑料的种类（图 10）。

图 10. Cary 630 FTIR 水中微塑料检测流程及结果读取示例

结论

安捷伦公司针对不同粒径的微塑料样品提供了完整的解决方案。对于粒径为 10–500 μm 的颗粒，可使用 8700 LDIR 激光红 外成像，自动完成所有颗粒的定性和定量，并提供详细统计报告；对于粒径大于 500 μm 的颗粒，可使用 Cary 630 FTIR 搭 配钻石晶体 ATR 附件进行检测。

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