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

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(jìn)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(dòng)峰）為微塑料的拉曼光譜特征峰提取化學(xué)成像（圖1D），同時(shí)以3082cm^-1（苯環(huán)芳香C-H伸縮振動(dòng)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(jiàn)，對于98μm這樣尺寸較大的微塑料樣本，通過(guò)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(mǎn)足對單個(gè)微塑料顆粒進(jìn)行有效成像和甄別。但是由于紅外光譜的光斑可以調節至更大，而拉曼光譜光斑受限于激光光源無(wú)法調節，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(dòng)）為微塑料的拉曼光譜特征峰提取化學(xué)成像（圖2D），同時(shí)以3082cm^-1（苯環(huán)芳香C-H伸縮振動(dòng)）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(jiàn)，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(mǎn)足對單個(gè)微塑料顆粒進(jìn)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為區域連片的趨勢，無(wú)法實(shí)現對單個(gè)微塑料顆粒進(jìn)行有效成像和甄別。

進(jìn)而借助于A(yíng)IRsight紅外拉曼顯微鏡可實(shí)現對兩種光譜原位采集的功能特點(diǎn)，可以實(shí)現對微小區域的微塑料進(jìn)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(xiàn)圈中區域內有7個(gè)16μm PS-DVB微塑料顆粒，在拉曼光譜成像中，可以清晰呈現出7個(gè)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(wú)法有效呈現，僅可獲得整體分布走向趨勢的化學(xué)成像。由此可見(jiàn)，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(lèi)）會(huì )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(dòng)特征峰峰端）和950 cm^-1（苯環(huán)呼吸振動(dòng)特征峰峰底）的強度比率進(jìn)行化學(xué)成像提取來(lái)克服基質(zhì)產(chǎn)生的熒光背景干擾，如圖3B可見(jiàn)，利用AIRsight的拉曼成像模式和軟件自帶的多類(lèi)型圖像提取功能，可以實(shí)現對實(shí)際湖泊水樣本中的微塑料單顆粒進(jìn)行高空間分辨率化學(xué)成像。