Микропластики (Microplastics, MPS) являются глобальными загрязнителями окружающей среды, с диаметром частиц, покрывающих нано - уровень до 5 мм, с разнообразными формами и легко адсорбируемыми другими загрязнителями, образующими композитную систему загрязнения. Традиционные методы обнаружения широко распространены « морфологически - компонентный анализ расщепления», « деструктивная обработка проб» и другие ограничения, трудно удовлетворить потребности в многомерных исследованиях микропластика. Micro - Raman Spectroscopy (Micro - Raman Spectroscopy), благодаря пространственному разрешению на уровне субмикрон, способности распознавать молекулярные вибрационные отпечатки пальцев и противоинтерференционным свойствам воды, стала основной технологией для анализа всей цепи микропластика.

Технические принципы: субмикронная декодировка молекулярных вибрационных отпечатков пальцев

Ядром микроскопического спектра Рамана является захват информации о молекулярной вибрации микропластика с помощью « фотонно - молекулярного неупругого рассеяния», в сочетании с оптической конструкцией с высоким разрешением для достижения двойной функции « распознавания компонентов + пространственное позиционирование», ее техническую систему можно разделить на механизм рассеяния света и процесс спектрального декодирования.

1.1 Механизм рассеяния света и конструкция основного оборудования

Когда лазер на определенной длине волны (обычно 532 нм или 785 нм) облучает микропластик, энергия фотона взаимодействует с энергетическим уровнем молекулярной вибрации, вызывая смещение энергии (то есть « смещение Рамана»), молекулярные структурные различия микропластика из разных материалов формируют уникальный « спектр отпечатков пальцев Рамана» (как показано на рисунке 1a). Для достижения высокочувствительного тестирования система оптимизирует производительность с помощью трех основных аппаратных конструкций:

·Двухволновой лазерный модуль: 532 нм лазер подходит для образцов с низким флуоресцентным фоном (например, частицы ПЭ в почве); Лазер ближнего инфракрасного диапазона 785 нм может значительно подавлять спонтанную флуоресценцию биологических тканей, а тепловое повреждение образца уменьшается до * * < 0,5 °C * *, что подходит для обнаружения микропластика в организме.

·Система конфокального пути: комбинация 20 - мкм игольчатого отверстия и 50×объектива (NA = 0,9) позволяет эффективно фильтровать рассеянный свет, достигая поперечного разрешения 1 мкм и осевого разрешения 3 мкм, точно определять пространственное положение микропластика.

·Технология обнаружения EM - CCD: детектор холодильного типа (рабочая температура - 70°C) повышает отношение сигнала и шума к системе до * * > 80 дБ * *, точность обнаружения волн до 0,1 см ⁻1, может захватывать слабые сигналы Рамана с низкой концентрацией микропластика.

1.2 Спектральное декодирование и многомерное извлечение информации

Благодаря интеллектуальному процессу сбора и обработки данных многомерный анализ информации может быть реализован от « одной частицы» до « макроскопической пробы»:

·Одноточечный целевой анализ: интеграл 10 s при 50 мкм² при сглаживании пятна, устраняя шум в сочетании с алгоритмом сглаживания Savitzky - Golay, с точностью до 94% (n = 200) при распознавании характерных пиков для распространенных микропластмасс, таких как PE (2845 cm ⁻ 1) и PVC (638 cm ⁻ 1).

·Изображение пространственного отображения: образец 47 - мм фильтра сканируется на 2 мкм шага, образуя тепловую карту химического распределения микропластика (как показано на рисунке 2b) и синхронно вычисляя параметры распределения диаметра частиц (например, D10 = 5 мкм, D50 = 32 мкм в реальном случае).

·Мультимодальное соединение: интегрированный модуль микроинфракрасного (мю - FTIR) для достижения синхронного обнаружения « рассеяния Рамана + поглощения инфракрасного излучения» в той же области, чтобы компенсировать распознаваемое слепое пятно единой спектральной технологии (например, чувствительность Рамана к неполярным ключам, инфракрасная чувствительность к полярным ключам).

Сценарий применения: анализ загрязнения всей диэлектрической цепи микропластика

Технология Micro Raman с преимуществом « неразрушающего обнаружения» « антиинтерференционного » « высокого разрешения», покрытая загрязнением микропластиком « Экологическая прослеживаемость - биологический риск - безопасность пищевых продуктов» анализ всей цепи, типичный сценарий применения выглядит следующим образом:

2.1 Анализ источников окружающей среды

Для морской воды, почвы, атмосферы и других различных экологических матриц, путем оптимизации методов предварительной обработки, может быть достигнуто эффективное обнаружение микропластика и прослеживание состава, конкретные параметры и случаи см. в таблице 1:

2.2 Оценка рисков для биологических организаций

Сосредоточьтесь на биоаккумуляционных и токсических эффектах микропластика, эта технология может обеспечить « позиционирование в организме + токсикологический анализ»:

·Исследование воздействия на человека: в 2024 году команда Пекинского университета использовала 785 - нм лазер для предотвращения биофлуоресцентных помех и обнаружила 12 микропластиков PE (< 10 мкм) в тканях плаценты человека, подтвердив, что микропластик может передаваться от матери к плоду.

·Одноклеточный токсикологический анализ: система AIRsight отслеживает частицы PS (полистирола) в макрофаге (характерный пик 1002 см ⁻1) и анализирует степень повреждения мембранной структуры микропластиком с помощью изменений смещения белкового амида I (1650 см ⁻1).

2.3 Контроль за безопасностью пищевых продуктов

Для контакта с пищевыми материалами и загрязнением микропластиком самой пищевой продукции, предлагайте программы точного обнаружения:

·Обнаружение миграции: моделирование сценариев использования бутылочек PP (полипропилен), обнаружение частиц микропластика 2 - 8 мкм в аналоговой жидкости, расчетная миграция соответствует нормативному пределу EU No 10 / 2011 (0,01 мг / кг).

·Анализ комбинированного загрязнения: одновременное выявление PE (2845 cm ⁻ 1) и адсорбционного филиппина (1004 cm ⁻ 1) в образцах морепродуктов с помощью технологии совместного позиционирования раскрывает механизм, с помощью которого они образуют композитное загрязнение через « скопление π - π».

III. Преимущества технологий и существующие проблемы

3.1 Основные преимущества: сравнение производительности с основными методами обнаружения

По сравнению с традиционными технологиями, такими как микроинфракрасная и пиролитическая GC - MS, микрораман имеет значительные преимущества с точки зрения пространственного разрешения, защиты образцов и т. Д., Конкретное сравнение см. в таблице 2:

IV. ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПРОГРЕСС И БУДУЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

4.1 Обнаружение технологических новшеств

·Улучшенная рамана (TERS):: Соедините атомно - силовой микроскоп (AFM) с Раманом, и разрешение прорвется до10 нмУспешный анализ распределения поверхностных функциональных групп (например, гидроксильных, карбоксильных) частиц 50 нм нано - PS предоставляет новые инструменты для исследований нанопластика.

·Вспомогательный спектральный анализ:: На основе модели глубокого обучения ResNet - 50, после обучения 10 000 + микропластиковых спектральных данных Рамана, чтобы достичь точности классификации 12 распространенных микропластиков, таких как PE, PP и PVC97,3%Он также сократил время анализа с 30 до 2 минут (как показано на рисунке 5c).

4.2 Расширение прикладной системы

·Мониторинг в реальном времени:: Разработка подводного зонда Рамана, который может быть2000 м Глубокое мореОбнаружение микропластика в реальном времени в окружающей среде, без сбора проб, подходит для долгосрочного мониторинга крупных водоемов, таких как океаны и озера.

·КОСПАР:: В сочетании с спектроскопией Рамана и масс - спектрометрией, анализ интерфейса взаимодействия микропластика и микроорганизмов, чтобы выявить молекулярный механизм, с помощью которого микроорганизмы образуют биопленку на поверхности микропластика, обеспечивает теоретическую основу для восстановления загрязнения.

V. ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Благодаря сочетанию « молекулярной идентификации отпечатков пальцев» и « субмикронного пространственного анализа», микроскопическая спектроскопия Рамана стала революционным инструментом в исследованиях загрязнения микропластиком. В будущем основное внимание будет уделяться трем основным направлениям:

1. Разработка мультимодальной интегрированной системы "Раман - инфракрас - зеркало" для реализации единого анализа "Компонент - морфология - структура"; 2. Содействовать созданию согласованной на глобальном уровне системы стандартов тестирования для решения проблемы сопоставимости результатов различных лабораторий. Углубление применения искусственного интеллекта в анализе проб сложных матриц (например, биологических тканей, соленой морской воды) для дальнейшего повышения эффективности и точности обнаружения.

Дальнейший прогресс в этой технологии обеспечит ключевую техническую поддержку для реализации Глобальной конвенции по пластмассам и будет способствовать научному управлению загрязнением микропластиком во всем мире.