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Spotligt 400 紅外成像系統分析瓶裝水中的微塑料

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【概述】

瓶裝純凈水替代飲用自來水在市場內銷售。但是,越來越多的人反對使用一次性塑料瓶,事實上因為這些塑料瓶最后可能會完好無損的進入環境(其需要很多年的時間來降解),或者是分解成更小的碎片和顆粒后,作為次生微塑料進入環境。最近的一項研究報告稱,在幾個品牌的瓶裝飲用水中檢測到微塑料顆粒。1微塑料對人類健康的影響仍有待確定,但是在食品和飲料中,可能含有持久性有機污染物(POPs)的微塑料的存在是人們的關注重點。分析瓶裝水可確定微塑料的存在、特性、尺寸和數量。

紅外(IR)光譜分析是識別聚合物的主要分析技術,并且使用紅外顯微鏡可檢測和識別微塑料小至只有幾微米大小的顆粒。本文介紹使用PerkinElmerSpotligt 400紅外成像系統分析幾種不同品牌瓶裝水的方法。

【實驗/操作方法】

為測試不同品牌瓶裝水(塑料),在英國當地購買五種匿名瓶裝水,以測試其中是否存在微塑料。此外,還測試了自來水樣品。使用配有13 mm玻璃過濾器支架的600mL Advantec燒瓶對樣品進行抽濾,每個樣品500 mL的體積。使用孔徑范圍為1-5微米的13 mm直徑的濾膜(Sterlitech Corp.)。此類孔徑可以快速過濾,并且可以收集小至幾微米尺寸的微塑料,而紅外顯微鏡能測試的最小尺寸因衍射極限而受到限制。對于瓶裝水的測試,可使用13 mm直徑的濾膜,因為樣品基質通常干凈,并且只有少量顆粒需要過濾。將13 mm濾膜直接放入Spotlight 400(圖1)的紅外顯微鏡樣品載物架上,用于每個完整濾膜上樣品的反射測量和可見圖像測量。

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圖1.PerkinElmer Spotlight 400紅外成像系統。


【實驗結果/結論】

圖2a和2b顯示的是使用反射法對直徑為13 mm的鍍金聚碳酸酯濾膜上瓶裝水樣品和自來水樣品測出的完整可見圖像。

從瓶裝水樣品中可觀察到分布在濾膜上的一系列黑色顆粒。在自來水樣品中可以看見大量的顆粒和纖維。

從收集的可見圖像測量結果來決定是否對整個樣品濾膜成像或者掃描單個顆粒。獲取13 mm濾膜的整個紅外圖像可能需要幾十分鐘,這取決于空間分辨率、光譜分辨率和所需的靈敏度。但是,如果濾膜上只有幾個顆粒,則不必采集整個紅外圖像,因為使用單點模式可在幾秒鐘內掃描每個顆粒。就自來水樣品而言,其中有數百個顆粒,采集紅外圖像是最明智的方法。表1所示為對此類樣品進行單點和紅外成像測量的掃描條件。

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圖2.(a)過濾到鍍金聚碳酸酯濾膜上的瓶裝水樣品的可見圖像。

(b)過濾到鍍金聚碳酸酯濾膜上的自來水樣品的可見圖像。

表1.單點和圖像模式的測量參數。

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在水樣中發現的典型污染物是纖維或單個顆粒。下圖3所示為一些示例:

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圖3.從瓶裝水中提取的纖維和顆粒示例。

測量分離的顆粒和纖維的紅外反射光譜,以便確定其種類。許多簡單地通過可見光顯微鏡評估樣品的研究均假設所有的顆粒和纖維均為微塑料。但通常情況并非如此,并且鑒別技術對材料的正確分類至關重要。下圖4所示為一些典型光譜:

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圖4.在瓶裝水、碳酸鈣(頂部)、纖維素(中部)、PET(底部)中發現的典型物質的光譜。

通常,纖維是纖維素,其他顆粒是碳酸鈣,偶爾還有“常規”聚合物,如PET、PP或PE。迄今為止,絕大多數是基于纖維素的材料。有推測認為瓶裝水樣品中存在的微塑料源自瓶子制造過程或源自打開瓶子時產生的小碎片。塑料瓶的制造通常采用聚乙烯(HDPE或LDPE)、聚丙烯(PP)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在五種品牌瓶裝水中發現的所有顆粒和纖維中,僅約5%的材料是PE、PP或PET。從中發現特殊瓶型的一個特殊品牌反復包含此類材料。表2總結出在每個不同品牌的500 mL樣品中發現的顆粒數量。

自來水樣品含有數百個顆粒。

在16 cm-1光譜分辨率下使用25微米的空間分辨率和2次平均掃描采集樣品的成像圖。如果對每個空間像素點只作1次掃描,這個時間可減少大約兩倍。從自來水樣品中獲得的平均吸光度圖像如圖5所示。

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圖5.自來水樣品的平均吸光度圖像。

表2.瓶裝水樣品總結。

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在圖像中的任何一點上均有與該空間點對應的完整紅外光譜圖。圖6所示為一個示例光譜,并已識別出該光譜為纖維素。在自來水樣品中,絕大多數纖維是纖維素。

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圖6.自來水樣品中纖維的典型光譜。

紅外圖像基于近250,000個光譜的收集。手動分類數據以試圖找出不同化學物種將需要數小時的時間。但是,軟件的數據處理程序考慮到快速提取信息。軟件里的“Show Structure”命令使用主成分分析(PCA)提取所收集數據內不同特定化學類型的信息。圖7所示為自來水樣品的組分1的圖像。在圖5所示的總吸光度圖中,顯示出從數百個顆粒和纖維中分離出的清晰顆粒。

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圖7.組分圖1挑選出數百個顆粒中存在的不同材料。

結論

顯微紅外,無論是使用點模式還是紅外成像模式,經證實都是檢測和鑒別瓶裝水中存在微塑料的卓越分析技術,采用適當的樣品收集和凈化方法,該技術可應用于其他含有微塑料的樣品。所有品牌的瓶裝水均含有20-200微米大小的微塑料,其中一些纖維長度超過2mm。瓶裝水中含有的纖維和顆粒比自來水樣品中存在的少得多。所存在的微塑料類型差別較大,并且絕大多數并非用于制造塑料飲料瓶的塑料材料。在各個制造商的場所內需要確定微塑料的來源以消除問題,或者可引入額外的過濾步驟來去除微塑料。此外,需確定所存在的微塑料是否對消費者構成健康風險。

【儀器/耗材清單】

PerkinElmer Spotlight 400紅外成像系統。

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