Identification of Microplastics using the Nicolet RaptIR FTIR Microscope

Význam tématu

Microplasty představují perzistentní a všudypřítomný environmentální znečišťující faktor s dopadem na vodní zdroje, ovzduší i potravinový řetězec. Jejich rozmanitost co do velikosti, polymerního složení a stupně degradace komplikuje analytickou charakterizaci a stanovování regulačních limitů. Spolehlivé, automatizované a reprodukovatelné metody identifikace částic jsou proto klíčové pro monitoring, hodnocení rizik a tvorbu norem.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikacní poznámky je demonstrovat možnosti a postupy identifikace mikroplastů použitím FTIR mikroskopu Thermo Scientific Nicolet RaptIR v kombinaci s OMNIC Paradigm softwarem a speciální referenční knihovnou spekter nasbíranou v režimu odrazu. Popisuje se příprava vzorků podle protokolu SCCWRP/California SWRCB, dvě analytické strategie (analýza jednotlivých částic vs. chemické mapování) a praktické aspekty zpracování a vyhodnocení spektrálních dat.

Použitá metodika a instrumentace

Popis metodiky:

• Příprava vzorků: postupy podle SCCWRP/California SWRCB pro vodní a odpadní vzorky; filtrát 1–50 µm zachycen na vhodných podložkách (křemík, zlacený polykarbonát, Al2O3, nerez).
• Generování kontrolních částic: mechanické drcení vzorků v laboratoři pro vytvoření malých částic.
• Dva režimy analýzy: (a) Particle analysis – vizuální nalezení částic, automatické nasměrování stupně, měření odrazu jednotlivých částic; (b) Chemical mapping – kompletní mapování oblasti, kde každý pixel obsahuje FTIR spektrum (výhodné při nízkém kontrastu nebo u vláken/filmů).
• Spektrální knihovna: reflektanční reference sestavené z CMDR Polymer Kit 1.0 (HPU), mikrokuličkových standardů Polysciences a polymerů ze Sigma-Aldrich; ~30 běžných polymerů + ~5 běžných laboratorních kontaminantů (celkem ~35 položek).

Instrumentace:

• Thermo Scientific Nicolet RaptIR FTIR Microscope.
• Software: OMNIC Paradigm (automatizované nástroje pro hledání částic, volbu apertur, sběr backgroundů, vyhodnocení a reportování).
• Detektor: jednobodový LN2 chlazený MCT.
• Akvizice: typicky rozlišení 8 cm-1; součet skenů obvykle v rozsahu 8–32 skenů podle režimu a požadované citlivosti.

Hlavní výsledky a diskuse

Automatizovaná analýza částic:

• Systém dokáže automaticky identifikovat částice na filtru prostřednictvím obrazové analýzy, přizpůsobit velikost apertury a sebrat spektra každé označené částice. Výsledkem je report obsahující identitu, velikost, tvar a distribuci částic.
• Proces měření jednotlivých částic bývá rychlý (od sekund do několika minut pro oblast s mnoha částicemi, v závislosti na počtu skenů) a je vhodný, když je na filtru dostatečný vizuální kontrast.

Chemické mapování:

• Mapování celých oblastí umožňuje získat spektrum pro každý pixel, což je výhodné při nízkém vizuálním kontrastu nebo u vláken a tenkých filmů. Po zpracování lze aplikovat korelaci, MCR nebo PCA pro extrakci a identifikaci polí obsahujících polymery (příklad: lokalizace polyethylenu v mapě).
• Nevýhodou je vyšší objem dat a delší doba měření/zpracování, zvláště pokud mapovat větší plochy obsahující mnoho prázdných pixelů.

Specifická poznámka k režimu odrazu:

• Protože automatický mikro-ATR není vhodný pro vícenásobné rychlé analýzy částic (riziko kontaminace a přilnutí k hrotu), preferuje se režim odrazu, kde se vzorek nedotýká detekčního prvku. Pro optimalizaci identifikace je důležité používat spektrální knihovny pořízené v režimu odrazu, jelikož ATR/transmise knihovny nemusí dobře korelovat s reflexními daty.
• Degradace polymerů (oxidace, UV expozice) může měnit spektrální rysy, což komplikuje přesnou identifikaci; vhodné jsou rozšířené knihovny obsahující environmentálně exponované vzorky nebo algoritmy robustní vůči změnám spekter.

Přínosy a praktické využití metody

• Automatizace a integrované nástroje pro vyhledání částic zkracují dobu analýzy a snižují nutnost vysoce zkušeného operátora, což podporuje vyšší průchodnost a reprodukovatelnost měření.
• Možnost reportování identity, velikosti, tvaru a prostorového rozložení částic usnadňuje environmentální hodnocení zdrojů a míry degradace.
• Režim odrazu eliminuje fyzický kontakt s částicemi a minimalizuje riziko křížové kontaminace během analýzy více částic.
• Metodu lze aplikovat jak na vodní filtrace, tak na atmosférické depozice (sběr ze vzduchu), a je vhodná pro řízení kvality a výzkum v oblasti mikroplastů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Standardizace postupů a referenčních knihoven pro režim odrazu bude klíčová pro srovnatelnost dat mezi laboratořemi a pro regulační účely.
• Integrace strojového učení a pokročilých multivariačních algoritmů pro robustnější rozpoznávání degradovaných polymerů a potlačení artefaktů v odrazových spektrech.
• Rozšíření a zpřesnění referenčních sad zahrnujících environmentálně exponované a vícefázové/materiálově smíšené částice.
• Větší automatizace pracovních postupů, včetně zpracování filtrátů, víceregionového mapování a škálování datových toků (cloudové zpracování), aby se snížila doba analýzy a nároky na lokální úložiště.
• Kombinace FTIR mikroskopie s dalšími technikami (Raman, SEM-EDX) pro komplexní chemickou a morfologickou charakterizaci částic.

Závěr

Thermo Scientific Nicolet RaptIR FTIR mikroskop v kombinaci s OMNIC Paradigm softwarem a reflektanční referenční knihovnou nabízí efektivní a uživatelsky dostupné řešení pro identifikaci mikroplastů. Metoda kombinuje rychlou automatickou identifikaci jednotlivých částic s možností chemického mapování pro složitější vzorky. Klíčovými výhodami jsou minimalizace kontaminace díky režimu odrazu, automatizace kroků sběru dat a bohaté reportingové možnosti (identita, velikost, tvar, distribuce). Pro další zlepšení výsledků je doporučeno rozšiřování reflektančních knihoven a nasazení pokročilých výpočetních metod pro lepší identifikaci degradovaných materiálů.

Reference

1. Rochman C., Hoellein T. 2020. Science 368:1184–1185.
2. World Health Organization. 2019. Statement calling for increased research into microplastics and measures to reduce plastic pollution.
3. California State Water Resources Control Board & Southern California Coastal Water Research Project. Standardized protocol for FTIR and Raman analysis of microplastics in drinking water (SCCWRP/California SWRCB protocol).
4. De Frond H. et al. 2021. Analytical Chemistry 93(48):15878–15885.
5. Cowger W. et al. 2020. Analytical Chemistry 93(21):7543–7548.
6. Hawaii Pacific University, CMDR Polymer Kit 1.0.