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。