APLIKACIJSKA NOVICA: Analiza mikroplastike z uporabo vibracijske mikroskopije

Uvod

Zaradi široke prisotnosti (mikro)plastike in njenega potencialnega vpliva na ekosisteme in zdravje ljudi, so raziskave na področju mikroplastike postale široko prepoznavne. Natančna identifikacija in kvantifikacija mikroplastike sta ključni za razumevanje njene razširjenosti in učinkov. Ta aplikacijska novica predstavlja različne tehnike vibracijske mikroskopije, vse namenjene in uporabljene na področju raziskav mikroplastike. Te tehnike so FTIR mikroskopija, ramanska mikroskopija in  QCL mikroskopija. V nadaljevanju bomo predstavili osnove posamezne tehnike ter spoznali njene prednosti in slabosti.

Na začetku je vredno omeniti, da se na področju analize mikroplastike poleg tehnik vibracijske spektroskopije uporabljajo tudi druge analitske tehnike.

Najosnovnejša je verjetno optična mikrokopija, ki omogoča vidno identifikacijo in štetje delcev. Naprednejša, vrstična elektronska mikroskopija (SEM), je namenjena podrobnemu študiju morfologije mikroplastike in slikanju površin delcev.

Piroliza sklopljena s plinsko kromatografijo in masno spektroskopijo (Piroliza-GC-MS) identificira monomerne enote preko razklopa polimernih verig, medtem ko termogravimetrična analiza (TGA) meri spremembo v masi vzorca v odvisnosti od temperature.

Velikost delcev se analizira z lasersko difrakcijo in tehniko dinamičnega sipanja svetlobe (DLS). Masna spektrometrija z analizno sondo za atmosferske trdne snovi (ASAP-MS) je uporabna metoda za hitro identifikacijo mikroplastike v okoljskih vzorcih.

Specifika tehnik vibracijske spektroskopije je v tem, da so vse metode nedestruktivne, poleg števila in velikosti delcev pa te tehnike določijo tudi kemijsko identiteto posameznega delca. Vse tri tehnike so razmeroma enostavne, bolj ali manj hitre ter ne nosijo stroškov potrošnih materialov in kemikalij (razen filtrov, ki se uporabljajo za pripravo vzorcev). Vse tri tehnike so tudi zelo široko uporabne, tako da ne gre za namenske analizatorje, temveč se lahko uporabljajo na različnih področjih, od kontrole kvalitete vhodnih surovin/končnih produktov, obratnega inženiringa, klasičnih raziskav, kot tudi za odpravljanje napak v proizvodnji in podobno.

FTIR mikroskopija

FTIR spektroskopija je široko uporabna analitična tehnika, uporabna tako za identifikacijo, kot tudi kvantifikacijo različnih snovi. Deluje tako, da meri, kako različne molekule absorbirajo infrardečo svetlobo, kar v primeru spremembe dipolnega momenta ustvari edinstven spekter za posamezno molekulo, podobno kot prstni odtis.

Ena glavnih prednosti FTIR spektroskopije je njena vsestranskost. Analiziramo lahko skoraj vse vrste vzorcev, vključno s trdnimi snovmi, tekočinami in plini. Ker vzorci pred samo FTIR analizo ne potrebujejo posebne priprave, je FTIR analiza priročna in učinkovita metodo za različne aplikacije.

FTIR spektroskopija je splošno priznana kot ena najosnovnejših tehnik pri analizi (mikro)plastike. Za delce, ki jih lahko vidimo s prostim očesom in jih lahko na ATR kristal FTIR spektrometra nanesemo ročno, se lahko uporabi klasični FTIR spektrometer, kot je npr. Bruker ALPHAII z diamantim ATR kristalom. V kolikor želimo analizirati delce v mikronski skali, se je potrebno poslužiti FTIR mikroskopije.

FTIR mikroskopija združuje optično in FTIR mikroskopijo in omogoča identifikacijo vzorcev do velikosti 1,25 mikrona, kar predstavlja omejitev same tehnike. V osnovi FTIR mikroskopija omogoča tri načine meritev:

ATR (angl. Attenuated total reflection, metoda oslabljenega popolnega odboja) je tehnika kjer ATR kristal (v večini primerov se uporablja germanijev kristal) med snemanjem spektra preide v stik s samim delcem oz. vzorcem. Prednost te tehnike je v veliki kvaliteti spektrov, slabost pa v tem, da je sorazmerno počasna v kolikor v eni meritvi želiš analizirati večje število delcev. Poleg tega je potrebno med meritvami posameznih delcev poskrbeti, da kristal ni kontaminiran s predhodnim delcem.

Transmisija je tehnika, ki omogoča analizo vzorcev v brezkontaktnem načinu ob predpostavki, da vzorec prepušča IR svetlobo. To v praktičnem smislu pomeni, da mora biti sloj vzorca dovolj tanek in da se uporabljajo IR transparentni nosilci. V kolikor zadostimo tem pogojem, je transmisijska tehnika zelo občutljiva ter tudi bistveno hitrejša kot ATR tehnika.

Refleksijska tehnika se uporablja za analizo tankih slojev na močno reflektirajoči površini. S to tehniko lahko določamo tudi debelino IR transparentnih premazov, identificiramo nečistoče na kovinskih materialih in podobno.

FTIR mikroskopi se med seboj delijo še v eni bistveni lastnosti in sicer v tipih detektorjev.

V tradicionalnem smislu, se uporabljajo enotočkovni detektorji (angl. Single element detectors) hlajeni s tekočim dušikom imenovani MCT detektorji (angl. Mercury Cadmium Telluride, slov. živosrebrov kadmijev telurid). MCT detektorji ponujajo bistveno boljšo občutljivost napram klasičnim FTIR detektorjem imenovanih DTGS detektorji (angl. Deuterated Triglycine Sulfate, slov. deuteriran triglicin sulfat). Zaradi omenjene manjše občutljivosti DTGS detektorji niso primerni za uporabo v FTIR mikroskopiji.

Poleg MCT detektorjev hlajenih s tekočim dušikom, se v zadnjih letih močno povečuje tudi uporaba električno hlajenih MCT detektorjev. Od MCT detektorjev, ki so hlajeni s tekočim dušikom se razlikujejo v tem, da ponujajo nekoliko manjšo občutljivost, vendar za svoje delovanje ne potrebujejo tekočega dušika, kar predstavlja veliko prednost v okolju, kjer dostop do tekočega dušika ni enostaven.

Poleg eno točkovnih detektorjev so na voljo tudi več točkovni FPA (angl. focal plane array) detektorji, ki so sestavljeni iz npr. 32x32 elementov (ali več). To pomeni, da z enim snemanjem v primeru 32x32 FPA detektorja posnamemo 1024 spektrov simultano in to z najvišjo prostorsko ločljivostjo. FPA detektorji omogočajo prej omenjeno prostorsko ločljivost IR mikroskopije, tj. 1,25 mikrona. V primeru uporabe FPA detektorjev govorimo o FTIR kemijskem slikanju (angl. FTIR imaging), saj analiziramo celotno površino s prostorsko resolucijo 1,25 mikrona (oz. 5 mikronov v transmisijskem načinu), kar omogoča natančnejše analize, ki niso omejene z detekcijo delcev na podlagi vidne slike.

FTIR mikroskopija je zaradi navedenih lastnosti na področju analize MP najpogosteje uporabljena analitska tehnika. Sama FTIR analiza je namreč enostavna, bistven napor predstavlja priprava vzorca (ki je načeloma enaka za vse tri tehnike vibracijske spektroskopije). Za natančno analizo je potrebno ločiti MP od matriksa. V najosnovnejšem primeru določevanja MP v pitni vodi je potrebna zgolj filtracija vode skozi IR transparenten filter. Kompleksnejši so primeri priprave vzorcev MP iz zemlje, sedimentov, tkiv, organizmov in podobno.

Zaradi zgoraj omenjenih prednosti meritev v transmisijskem načinu je cilj priprava vzorca na IR transparentnem materialu. Najprimernejši filtri so ti. ANODISC filtri iz aluminijevega oksida. Uporabljajo se tudi silicijevi filtri, ki pa prepuščajo manj svetlobe od ANODISC filtrov, kar v praksi pomeni, da je sama analiza daljša. ANODISC filtri so tudi cenovno ugodnejši od silicijevih.

Tako pripravljen vzorec se sedaj lahko analizira bodisi z MCT ali FPA detektorjem. Prednost analize s FPA detektorjem je v tem, da kot rezultat dobimo kemijsko sliko celotne površine vzorca, kar pomeni, da se ni potrebno zanašati na vizualno določevanje delcev MP ter da so meritve občutno hitrejše. Vizualno določevanje delcev je namreč zamudno (tudi v primeru uporabe namenske programske opreme), v velikih primerih pa tudi ni možno ločiti delca MP od  ostalih delcev (npr. delca sedimenta). Zaradi tega je predpriprava vzorca v primeru uporabe MCT detektorjev pomembnejša, čas meritev daljši, napaka analize pa večja.

Ramanska spektroskopija

Ramanska spektroskopija je sestrska in komplementarna tehnika FTIR spektroskopiji s katero deli njene atribute, kot so analiza brez bistvene predpriprave vzorca, brez potrebe po potrošnih kemikalijah in potrošnem priboru, namenjena pa je delu z vzorci vseh agregatnih stanj.

Ramanska spektroskopija temelji na neelastičnem sipanju monokromatske svetlobe (ponavadi laserske svetlobe). Ob interakciji monokromatske svetlobe z vzorcem, se večina svetlobe sipa z enako valovno dolžino kot vpadna svetloba (Rayleigh-ovo sipanje). Majhen del sipane svetlobe (1:10⁶) je zaradi interakcije z vibracijskim stanjem molekule oz. molekulske vezi sipane pri drugačni valovni dolžini kot vpadna svetloba. Takšno sipanje poimenujemo ramansko sipanje in je karakteristično za posamezno molekulo, spojino ali vzorec.

Ramanska spektroskopija je še eno močno orodje za analizo mikroplastike, ki uporablja sipanje svetlobe za zagotavljanje molekularnih informacij.

Teoretična prednost ramanske spektroskopije napram FTIR spektroskopiji je, da omogoča analizo submikronskih delcev. V kolikor je meja detekcije FTIR mikroskopije 1,25 mikrona (oz. 5 mikronov v transmisijskem načinu), je meja detekcije ramanske mikroskopije tudi 500 nm ali celo manj (pri 100x povečavi). Analiza tako majhnih delcev je možna v ročnem načinu dela, v avtomatiziranim pa v večini primerov ne. Razlog je v tem, da se delci, ki jih analiziramo v samodejnem načinu določijo na podlagi vidne slike. V kolikor želimo analizirati večjo površino, je ta proces pri 100 x povečavi zelo zamuden in dolgotrajen. Poleg tega se majhni delci velikokrat tudi težko ločijo od ozadja.

Fluorescenca je faktor, ki predstavlja pogost izziv v ramanski spektroskopiji. Efekt fluorescence je namreč bistveno večji, kot efekt ramanskega sipanja. Prekrivanje ramanskih signalov s fluorescenco, je prisotno tudi v primeru meritev mikroplastike, tako pri meritvah samih MP delcev, kot tudi v primeru kontaminacije delcev z matriksom iz katerega so bili izolirani. Nemalokrat se torej zgodi, da delca identificiranega na vidni sliki ne moremo opredeliti kot delec MP ali delec matriksa, še manj pa določiti tip materiala MP. Tip materiala MP je pogosto težko določiti tudi zaradi dejstva, da ramanski trakovi polimerov pogosto vsebujejo le trakove, ki pripadajo polnilom in ne samemu polimeru.

V primerjavi s FTIR spektroskopijo, ramanska spektroskopija od uporabnika zahteva natančnejšo pripravo vzorcev, kot tudi več ročnih nastavitev, saj je potrebno skrbno izbrati ustrezen laser, moč laserja in povečavo. V nasprotnem primeru lahko določene delce tudi uničimo (tj. ''skurimo'').

Ramanska spektroskopija je torej komplementarna metoda FTIR spektroskopiji. V primeru analize MP po našem mnenju komplementarnost ne izhaja iz načina uporabe tehnike v smislu rutinskih analizah, temveč v smislu dodatnih analiz na manjših površinah oz. v analizi specifičnega, sub-mikronskega delca.

QCL spektroskopija

Tretja vibracijska tehnika je QCL spektroskopija (spektroskopija kvantnih kaskadnih laserjev), dokaj nova in hitro razvijajoča se tehnika. QCL spektroskopija se od FTIR spektroskopije razlikuje v nekaj ključnih razlikah.

Tradicionalni termalni viri oddajajo fotone v širokem spektralnem območju, kar pomeni, da je število fotonov na valovno dolžino precej majhno. Posledično morajo biti detektorji za FTIR spektroskopijo zelo občutljivi, kar pogosto zahteva hlajenje s tekočim dušikom, še posebej v primeru mikroskopskih aplikacij. Poleg tega morajo biti takšni detektorji zelo hitri, da lahko beležijo interferograme v kratki časovni skali.

Nasprotno pa kvantni kaskadni laser (QCL laser) oddaja fotone pri približno isti valovni dolžini, kar pomeni, da je njegova spektralna gostota moči bistveno višja kot pri termalnem viru. Ta kvazi-monokromatska narava omogoča uporabo relativno počasnih, nehlajenih detektorjev, ki sicer ne bi bili primerni za FTIR spektroskopijo.

Kaj je torej bistvena prednost QCL spektroskopije? Zaradi visoke energije svetlobe pri meritvi vzorcev ni potrebe po kontaktnih tehnikah, kot je npr. ATR tehnika v primeru FTIR spektroskopije. Gre tudi za zelo hitro tehniko, ki omogoča analizo večjih površin v zelo kratkem času.

Glavna slabost uporabe QCL laserjev pa je spektralno območje, ki je pri uporabi QCL tehnike bistveno zoženo in se po navadi osredotoča le na ti. fingerprint regijo (regija prstnega odtisa). Ta lastnost se lahko izkaže kot problematična pri identifikaciji določenih vzorcev, tudi vzorcev MP.

Tudi pri QCL mikroskopiji se tako kot pri FTIR mikroskopiji uporabljajo različni tipi detektorjev, tj. enotočkovni (MCT) in večtočkovni (FPA) detektorji. V primeru uporabe FPA detektorjev je analiza s QCL tehnologijo lahko bistveno hitrejša kot FTIR mikroskopija ob pogoju, da za analizo zadostuje zoženo spektralno območje.

QCL mikroskopija ponuja velik potencial pri razvoju namenskih aplikacij kjer je želja po hitri (v primeru uporabe FPA detektorjev) in zanesljivi rutinski analizi  delcev (npr. analiza MP), analizi tkiv in farmacevtskih izdelkov.

Zaključek

Vsaka od teh spektroskopskih tehnik, FTIR, Raman in QCL mikroskopija, ponuja edinstvene prednosti, pa tudi omejitve za analizo mikroplastike. Izbira metode je odvisna od specifičnih zahtev analize, vključno z občutljivostjo, ločljivostjo in pripravo vzorca. Kombinacija teh tehnik lahko zagotovi celovito razumevanje onesnaženja z mikroplastiko v okoljskih vzorcih.

	Velikost delcev	Stopnja avtomatizacije	Hitrost analize	Splošna uporabnost	Strošek	Instrument
FTIR spektroskopija	> 500 µm	+	+	+++	€	Alpha II
FTIR mikroskopija z MCT detektorjem	> 10 µm	++	++	+++	€€	LUMOS II
FTIR mikroskopija z FPA detektorjem	> 5 µm	+++	+++	+++	€€€	LUMOS II IMG
Ramanska mikroskopija	> 0,5 µm	++	+	++	€€€	Senterra II
QCL mikroskopija z MCT detektorjem	> 50 µm	++	++	+	€€€	Hyperion II

Zgornja tabela na kratko povzema zgoraj zapisano in tako izpostavlja FTIR mikroskopijo z uporabo FPA detektorjev kot tehniko, ki ni omejena z detekcijo delcev na podlagi optične prepoznave, identifikacija ni občutljiva na prisotnost matriksa, aditivov  in tipa polimerov, analiza pa je popolnoma avtomatizirana in hitra.

V kolikor vas način analize MP z vibracijsko spektroskopijo zanima podrobneje, vas vabimo, da nas kontaktirate. Ponudimo lahko ogled spletnega seminarja, pa tudi (online) demo predstavitve načina dela z vsemi tremi tehnikami na realnih (vaših) vzorcih. Le na tak način lahko dobite realne uporabniške izkušnje in izluščite katera metoda ustreza vašim potrebam.

Kontakt: info@optikinstruments.si