塑料数显检测计

近年来，塑料污染在水环境(海洋和淡水)中的问题日益严重，得到广泛报道和关注。据《Science》杂志研究报告，2010 年全球192 个沿海和地区共制造2.75 亿吨塑料垃圾，其中约有800 万吨排入海洋，并且塑料垃圾数量不断增多，到2015 年已有超过900 万吨塑料垃圾排入海洋。如果不加以控制，科学家预计到2050年海洋中的塑料垃圾排放量将会是2010年的两倍。这些污染物正在持续威胁海洋生物和人类自身的安全与健康。近期，科学家再次发现塑料会在机械作用、生物降解、光降解、光氧化降解等过程的共同作用下逐渐被分解成碎片，形成微塑料，被海洋生物吞食，在生物体内不断积累，随着生物链，造成更广泛的危害。这一发现引起科学家的广泛关注，同时，也引起了各国政府的高度重视。近期，生态环境部发布的《生态环境监测规划纲要（2020-2035年）》也着重强调应加强海洋微塑料监测，加快形成相关领域监测支撑能力，为国际履约谈判和全球新兴环境问题治理提供支撑。在微塑料监测中，由于微塑料的物理特性（大小、形状、密度、颜色）以及化学组分等差异，不同类型微塑料在不同环境中流动过程（输入、输出和存留）的时间均不相同，使微塑料监测变成一大难题。目前，对微塑料的分析方法主要有目视分析法、光谱法 （如傅立叶变换红外光谱法和拉曼光谱法）、热分析法以及其他分析方法等 （如质谱法以及扫描电子显微镜-能谱仪联用法）。其中，红外光谱及Raman光谱分析，由于具有无破坏性、低样品量测试、高通量筛选以及所获取的结构信息互补等特点，成为检测和鉴别微塑料的主要分析技术；而在实际操作中上述技术仅可对几微米颗粒物进行检测（FT-IR为10～20μm、Raman 低仅为1 μm），使微塑料的研究仍处于起步阶段。作为先进仪器平台，Quantum Design中国时刻关注重大科研发展方向，并致力于引进先进表征技术及设备，为我国科研搭建先进科技平台。聚焦于微塑料监测难题，Quantum Design中国表面光谱部门认为需要考虑三个关键因素：尺寸、微观形貌以及聚合物类型。理论上可用于测量两者的方法均适用于微塑料分析，但是由于疑似微塑料样品的干扰，使得仅用一种分析方法难以准确的识别微塑料，为了提高准确度以及检测效率，需要采用多组合分析测试方法对其进行监测。目前，我司主要有Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪（nano-FTIR）、IRsweep微秒时间分辨超灵敏红外光谱仪和PSC非接触式亚微米分辨触红外拉曼同步测量系统mIRage三款先进光谱表征设备。其中，非接触式亚微米分辨触红外拉曼同步测量系统mIRage采用的光学光热红外技术(O-PTIR)，将光学显微与微区红外结合，一举突破了传统傅里叶红外光谱(FT-IR)及衰减全反射红外光谱(ATR-IR)的分辨局限，实现了500 nm的空间分辨率。不仅如此，该设备将显微成像、红外及Raman测试集成于一体，多测试方法同步测量有效提高检测效率及准确度。同时，它具有更简单，更快速的测量模式，无需复杂的样品制备过程等优势，让更快、更准确地进行微塑料追踪、监测和研究成为可能，正成为下一代标准的方法。为更好的服务国内科研用户，Quantum Design中国北京样机实验室引进了非接触式亚微米分辨触红外拉曼同步测量系统mIRage，为国内科研用户开放，以期为微塑料监测技术的发展做出一定的贡献。 Quantum Design中国非接触亚微米红外光谱系统mIRage样机操作过程示意 精选案例：目前，mIRage在塑料领域的研究中大放异彩，助力美国特拉华大学Isao Noda教授课题组对PLA和PHA的复合薄片塑料结合方式及内在机理的研究，向我们展示了mIRage在微塑料领域研究中的潜力。该工作中，作者先对PHA和PLA的结合面进行了固定波数下的红外成像（图1）。通过对比发现，在约330 nm的范围内（空气/PHA界面）1725 cm-1处的红外信号出现了急剧的下降，而在PHA/PLA界面处几微米范围内1760 cm-1处的变化较为平缓，且无清晰的边界，表明PHA和PLA可能有某种程度的分子混合。由于使用光学光热红外技术，不存在困扰传统红外成像设备的米氏散射效应，因此能够确定这一模糊的边界是来自于两种材料间的相互渗透而非光学伪影。图1. PLA和PHA在固定波数下的红外成像。（A）红外成像图（红色1725 cm-1为PHA；绿色1760 cm-1 为PLA）；（B）A图中黑色线性区域PHA/PLA红外吸收强度分布对比 为了进一步研究PHA/PLA界面处的化学成分变化，作者对这大概2 μm左右交界面的红外图谱进行了间隔200 nm的线性红外扫描分析（图2）。从羰基（C=O）伸缩振动区和指纹区（图2 A和B）的线性扫描红外谱图可以清晰的区分PHA（1720和1740 cm-1）和PLA分子（1750-1760 cm-1）。区别于理想的简单二元系统（不互溶或无分子相互作用），PHA/PLA薄片羰基伸缩振动红外叠加图谱（图2C）并不存在一个明显的等吸收点，反映了在界面区域存在着复杂的组分变化及两种以上不同物种的分布。图2. PHA/PLA界面区域每200 nm间隔的羰基伸缩振动区域（A）和指纹图谱区域 (B) 以及羰基区域伸缩振动的叠合图谱(C) 为获取更详细的界面处PHA/PLA组分的空间分布规律，采用同步和异步二维相关光谱(2D-COS，two-dimensional correlation spectroscopy)来分析羰基拉伸区域采集到的红外谱图（图3A和3B），并以等高线的图形式展现，详细的分析方法可以参考相关信息（Combined Use of KnowItAll and 2D-COS, https://www.youtube.com/watch?v=0UCcD3irVtE）。结果显示，在主要为PHA的混合界面区域同时观测到来源于PLA的1760 cm-1红峰外，表明部分PLA渗透到PHA层，且与PHA层的其余部分相比，界面附近的PHA结晶度明显降低。在对指纹图谱区域进行2D PHA/PLA相关光谱同步和异步对比时，也得到了同样的结果（可参照发表文章，在此不再显示）, 即PLA向PHA渗透，且PHA的晶型有所改变。另外，作者还通过非接触式亚微米分辨触红外拉曼同步测量系统对该区域进行了同步红外和拉曼分析（图3C），两者选择性和灵敏度不同却可以很好的互补，进一步验证了这一发现的可靠性。结果证实，即使是表面上不混相的PHA和PLA聚合物对，也存在一定程度的分子混合，这种混合可能发生在界面只有几百纳米的空间水平上，很好的解释了这两种生物塑料之间的高度相容性。 图3. PHA/PLA羰基伸缩振动区域二维同步(A)和异步(B)相关光谱（2D-COS）分析以及交界区域红外和拉曼光谱分析（左为红外，右为拉曼）。 参考文献：[1] Two-dimensional correlation analysis of highly spatially resolved simultaneous IR and Raman spectral imaging of bioplastics composite using optical photothermal Infrared and Raman spectroscopy，Journal of Molecular Structure，DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128045.

土耳其研究人员的开创性微塑料检测技术受到国际赞誉，可迅速识别环境和健康危害，快速准确地解决关键问题，获得全球认可。土耳其研究人员的技术能够迅速识别与微塑料颗粒相关的环境和健康风险，因此获得了国际赞誉。土耳其首都安卡拉比尔肯特大学（Bilkent University）机械工程系教师塞利姆哈内（Selim Hanay）及其同事的工作数据发表在国际科学杂志《先进材料》（Advanced Materials）上。哈内的新技术还得到了欧洲研究理事会（ERC）初创项目和ERC概念验证项目的支持，这些项目都是欧盟著名的资助项目。哈内在接受阿纳多卢通讯社采访时说，科学家们认为，通过食物、液体或空气，每周都会有相当于一张信用卡的微塑料进入人体。他说：“小于5毫米的微塑料和纳米塑料无法排出体外，因为它们不能被生物降解。低于100纳米的塑料微粒可以穿过血脑屏障进入人体细胞，并在大脑中积聚。这种情况威胁着人类健康。目前的技术还不够先进，不足以发现纳米塑料。”他强调，这些超微粒子会在人体的关键组织中积聚，对健康产生不利影响。现有技术很难检测到20微米以下的微塑料，也就是人体细胞的大小。使用这些设备，分析一个微塑料颗粒至少需要10分钟。但要衡量这种威胁，需要连续分析数千个颗粒。他说：“如今，这些分析既缓慢又昂贵，需要训练有素的博士人员。例如，如果我们想在欧洲与一家公司签约进行微塑料分析，他们无法在六周内给我们结果。”他表示，需要快速、廉价的技术来监测微塑料，尤其是饮用水中的微塑料，而他们最近开发的系统正好满足了这一需求。他们开发了第一个使用电子方法进行分析的设备，并表示他们首次能够对20微米及以下的微塑料进行分类。他说：“我们为该设备开发的传感器可以对微型塑料、玻璃材料和含有二氧化钛添加剂的颗粒进行分类。这些传感器使用非常小的液体通道，称为微流体通道。当颗粒流经该通道时，它们会相继进行两次电子测量。当我们把这两种电子测量结合起来时，就能得到这些粒子的电子特性与速度较慢、成本较高的光谱学方法相比，这种系统可以进行更快、更实用的分类。”快速检测可能的威胁哈内表示，他们为该系统制定了两个阶段的计划，他说：“首先，我们希望建立一种可以分析水（微塑料）的服务。当一个机构希望对其水进行分析时，我们就会使用各种技术进行分析。我们希望在一天左右的时间内将结果反馈给用户。这样，饮用水中可能存在的微塑料污染源就能很快被检测出来”他表示这些微粒会在河流和海洋中积累，他强调说，他们的工作对监测和减少微塑料污染具有重要意义。他补充道：“该设备为现场分析水样提供了一种快速、经济、便携的解决方案。它可以在全球范围内部署，用于评估河流、湖泊和海洋等各种水环境中的微塑料污染水平。我们希望与图尔基耶和欧洲的利益相关者，如地方和城市政府、水务公司和部委一起展示如何推进这项技术。”哈内表示，在土耳其科学技术研究理事会（TÜBITAK）支持的另一个相同主题的项目中，正在开发一种测量水和空气中纳米塑料风险的设备。他表示该项目得到了ERC启动基金和ERC概念验证基金的支持，他说：“我们的项目还有一年左右的时间。我们正在一步一步地解决剩余的问题，在这里研究不同的塑料形状。在取得这些技术进步后，我们将把这项应用作为一项服务提供给各个机构。”哈内表示，他们开发的设备的概念验证结果发表在《先进材料》上，这是一份涵盖材料科学的同行评审科学周刊，因此向科学界公开。他表示，他们有权获得欧洲研究理事会的支持，将他们的开创性工作付诸实践。哈内表示，世界各地已开始采取措施应对微塑料污染，根据美国加利福尼亚州的一项新法律，将对饮用水中的微塑料污染进行持续检查，加拿大和欧盟也正在讨论类似的措施。

新兴污染物微塑料广泛分布于水体、陆地和大气环境中。4月27日上午9：00，仪器信息网、上海市海洋湖沼学会、华东师范大学塑料循环与创新研究院联合主办的“ 微塑料检测与分析网络研讨会”于线上顺利开幕！共计700余名听众参会，现场互动氛围热烈。上午的海洋微塑料监测方法的标准化及风险评估专场，南京大学张彦旭教授分享报告题为《全球海洋微塑料的源与汇：三维传输模型视角》；生态环境部国家海洋环境监测中心张微微副研究员分享报告题为《海洋微塑料标准化监测技术方法研究进展》；安捷伦科技（中国）有限公司张晓丹工程师分享报告题为《安捷伦 8700 LDIR 激光红外成像水中微塑料测试分析整体解决方案》；珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司查珊珊工程师分享报告题为《Perkinelmer微塑料检测分析方案》；中国科学院烟台海岸带研究所王清研究员分享报告题为《黄渤海微塑料污染及其生态效应》；中科院南海海洋研究所徐向荣研究员分享报告题为《海洋微塑料的生态效应研究进展及展望》。在下午的陆地土壤环境微-纳塑料的分析方法及有害添加物的检测专场，华东师范大学何德富教授分享报告题为《农田土壤微塑料污染及其环境风险研究进展》；浙江工业大学潘响亮教授分享报告题为《微纳塑料检测分析中的那些“坑”》；QUANTUM量子科学仪器贸易（北京）有限公司赵经鹏经理分享报告题为《亚微米分辨红外-拉曼同步测量系统在微塑料中的应用研究》；中国科学院南京土壤研究所涂晨副研究员分享报告题为《微塑料表面生物膜的结构与功能研究方法》；复旦大学张立武教授分享报告题为《基于表面增强拉曼光谱的纳米塑料检测》。微塑料在淡水、海洋和土壤介质中的迁移转化研究等备受科研界关注，各项优秀成果层出不穷，与之相对的是，对大气中微塑料的研究相对较少。大气中的微塑料研究起步较晚，但其潜在生态环境影响的范围更广，鉴于空气对人类生存的重要性，今后该领域的研究必然会逐渐增多。有研究表明，大气微塑料已分布于全球大气中，其分布特征与室内外环境、下垫面类型和污染扩散等环境因素相关。大气环境中微塑料主要来源于塑料制品的生产、使用和回收过程，少量来源于陆地和海洋中积累的微塑料。值得关注的是，新冠疫情中口罩的使用可能加重了大气中的微塑料污染。微塑料在大气环境中可发生悬浮、沉降和扩散等迁移，这种迁移同时受到微塑料形态、风力、风向和降水等因素的影响。2023年4月28日上午9:30，由仪器信息网、上海市海洋湖沼学会、华东师范大学塑料循环与创新研究院联合主办的微塑料检测与分析网络研讨会大气微塑料的监测及健康风险专场将于线上召开！报名速戳》》》https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/microplastic230427/专家阵容如下：李道季 华东师范大学 教授《海洋大气微塑料入海通量：问题与挑战》李道季，博士，华东师范大学二级教授，博士生导师，华东师范大学塑料循环与创新研究院院长（海洋塑料研究中心主任），享受国务院特殊津贴专家。他目前还担任上海市海洋湖沼学会理事长、教育部科学技术委员会委员、联合国教科文组织海洋科学委员会（UNESCO-IOC）海洋塑料垃圾和微塑料区域培训和研究中心主任、联合国环境署（UNEP）海洋垃圾和微塑料科学咨询委员会委员、联合国海洋环境科学问题联合专家组（GESAMP）WG38和WG40成员等职务。龙鑫 中科院重庆绿色智能技术研究院 副研究员《东亚陆地-海洋微塑料大气传输的数值模拟研究》龙鑫，中国科学院大学环境科学理学博士，现任中国科学院重庆绿色智能研究院作副研究员。主要从事大气环境数值模拟研究，发表研究论文30余篇，先后主持国家自然科学基金青年基金、深圳市科创委面上项目、全球变化与中国绿色发展协同中心青年人才交叉项目等竞争性项目。2019年被认定为深圳市高层次专业人才（后备级）。胡辉 应用工程师 岛津企业管理（中国）有限公司《PY-TD-GCMS技术应用于微塑料中典型污染物分析》胡辉，应用工程师，从事色谱质谱工作10余年，擅长于环境、食品安全和电子电气等领域。刘凯 华东师范大学 博士后《城市冠层及海气边界层大气微塑料赋存观测》刘凯，华东师范大学河口海岸国家重点实验室在站博士后/助理研究员，主要从事微塑料陆海传输过程机制及其生态环境效应方面研究。近年来，在国家自然科学基金青年基金、上海市科技创新行动计划启明星培育“扬帆专项”、博士后面上项目和上海市博士后日常经费资助下，开展了陆海界面及海气边界层大气微塑料观测及大洋微塑料沉降模式方面的研究。报名速戳》》》https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/microplastic230427/