Identification of Plastics/Microplastics (MPs) Using FTIR

Význam tématu

Identifikace plastů a mikroplastů v životním prostředí je klíčová pro výzkum znečištění, monitorování kvality vody, recyklaci a řízení odpadů. Rychlé a nedestruktivní určení polymerní identity pomocí FTIR spektroskopie umožňuje rozpoznat charakteristické vibrace funkčních skupin, porovnat je se spektrálními knihovnami a tím zvýšit spolehlivost analýzy fragmentů získaných z přírodních vzorků. Zvláštní pozornost vyžaduje vliv povětrnostního (UV) degradace na IR spektra — degradační produkty mění pozice i intenzitu píků, což může komplikovat automatizované vyhledávání v knihovnách.

Cíle a přehled studie

Cílem byla systematická měření FTIR spekter devíti běžných polymerů před a po UV ozařování, s identifikací hlavních vlnových čísel výrazných píků a srovnáním s doporučeními japonských MOE pokynů a normy ISO 16094-2. Studie se zaměřila na to, jak UV degradační změny ovlivňují rozpoznatelnost plastů a jak může použití speciální knihovny spekter UV-degradovaných plastů zlepšit přesnost identifikace mikroplastů v environmentálních vzorcích.

Použitá metodika

• Vzorky: devět reprezentativních polymerů — PE, PP, PS, PET, PA (nylon), PU, PC, PVC (měkký i tvrdý) a PMMA.
• UV degradace: testovací zařízení ultra-accelerated weathering tester (Iwasaki Electric Co., model SUV-W262/161) s metalhalogenidovým zdrojem světla; expozice v rozmezí minut až stovek hodin (př. PE 300 h, PP 100 h, PET 15 h, PS 100 h, PA 200 h, PU 2 h, PC 10 h, PVC 50 h, PMMA 500 h).
• Spektrometrie: FTIR v režimu ATR pro záznam spekter před a po ozařování.
• Identifikace: porovnání naměřených spekter s databázemi (spektrální knihovny) v softwaru; hodnocení pomocí metrik jako similarity score, hit quality a HQI; operátorské potvrzení zejména při HQI v rozmezí 60–80 % dle ISO 16094-2 a doporučení MOE.

Použitá instrumentace

• FTIR spektrofotometry a příslušenství: IRSpirit-X a IRXross kombinované s QATR (QATR-S, QATR-10) a IRTracer-100 (Shimadzu produkty zmíněné ve studii).
• UV tester: Iwasaki Electric SUV-W262/161, zdroj světla: metalhalide (metal halide).
• Softwarové nástroje: spektrální knihovny včetně volitelné knihovny UV-degraded plastics pro lepší přesnost identifikace degradovaných vzorků.

Hlavní výsledky a diskuse

• Rozsah polymerů: pro každý polymer byly zmapovány charakteristické hlavní piky. Studie shrnuje typické vlnové čísla a porovnává je s MOE pokyny a ISO 16094-2.
• Typické identifikační znaky (vybrané příklady):
  • PE: silné CH2 strečové pásy ~2915 a ~2845 cm-1; methylenové ohýbání ~1470 cm-1; peaky ~730–718 cm-1; při UV degradaci vznik karbonylových pásů ~1750 cm-1.
  • PP: CH3/CH2 pásy kolem 2950–2919 cm-1, pásy ~1455 cm-1; náchylnost k vytvoření karbonylových signálů i při relativně krátké UV expozici.
  • PS: aromatické pásy ~1600, 1490 cm-1 a benzenové deformace ~756–694 cm-1; po UV se objevují pásy ~1750 cm-1.
  • PET: výrazný karbonyl C=O ~1713–1715 cm-1, C–O pásy v oblasti ~1250–1100 cm-1; po krátké UV expozici se objevují hydroxyly ~3500 cm-1 a šíření píků; snížení krystalinity se projeví změnou intenzity některých píků.
  • PA/nylon: N–H stretching ~3298 cm-1, amide I ~1631–1634 cm-1, amide II ~1538 cm-1; krystalizační pásy ~932 cm-1.
  • PU: N–H ~3291 cm-1, ester/karbonyl ~1734 cm-1, amide-like pásy ~1538 cm-1; rychlé rozšíření píků při UV.
  • PC: carbonate C=O ~1773 cm-1, aromatické pásy ~1500 cm-1 a několik C–O vpátek ~1217–1013 cm-1; rychlá degradace s tvorbou OH ~3500 cm-1.
  • PVC: CH pásy ~2911–2862 cm-1; přítomnost ftalátových plastifikátorů ~1730 cm-1 (intenzivnější u měkkého PVC); UV degradačně se objevují hydroxyly a rozšíření píků.
  • PMMA: silný esterový karbonyl ~1722–1729 cm-1, CH3 pás ~2952 cm-1, další charakteristické pásy ~1240–1098 cm-1; PMMA vykázalo minimalizovanou změnu i po dlouhé UV expozici (až 500 h) ve srovnání s jinými polymery.
• Obecné účinky UV: nejčastěji pozorovány tvorba karbonylových skupin (~1750 cm-1), vznik hydroxylových pásů (~3500 cm-1), šíření a ztráta ostrosti některých píků, a změny související s krystalicitou. Tyto změny mohou snížit HQI při automatických knihovních vyhledáváních, proto je doporučeno využít knihovnu spekter pro UV-degradované materiály a operátorské ověření výsledků.

Přínosy a praktické využití metody

• FTIR-ATR poskytuje rychlé, nedestruktivní a spolehlivé určení polymerní třídy pro fragmenty i částice mikroplastů bez nutnosti rozsáhlé přípravy vzorků.
• Systém vyhledávání v knihovnách, včetně knihovny pro UV-degradované plasty, zvyšuje úspěšnost identifikace environmentálních vzorků.
• Informace o charakteristických vlnových číslech umožňují operátorům rozhodnout v případech nízkého HQI a vyvarovat se falešné identifikace, zejména pokud se ve vzorcích vyskytnou příměsi (proteiny, celulóza) nebo plastifikátory.
• Data o specifické hmotnosti polymerů (např. PE a PP obvykle plavou; PET, PA, PC, PVC, PMMA se potápějí) doplňují IR identifikaci při environmentálním monitoringu a separaci vzorků.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření a kalibrace spektrálních knihoven o UV-degradovaná a environmentem upravená spektra pro vyšší automatizaci a přesnost detekce mikroplastů v komplexních maticích (povrchové vody, sedimenty, biota).
• Integrace FTIR dat s dalšími analytickými metodami (např. Raman, termická analýza) a strojovým učením pro robustní klasifikaci polymerů i směsných materiálů.
• Vývoj standardizovaných workflow a validovaných referenčních materiálů pro interlaboratorní porovnatelnost v souladu s ISO 16094-2 a národními směrnicemi.
• Využití miniaturizovaných FTIR řešení a automatizovaných ATR sond pro terénní a kontinuální monitoring mikroplastů.

Závěr

Studie potvrdila, že FTIR-ATR je efektivní nástroj pro identifikaci běžných polymerů a mikroplastů a že znalost charakteristických vlnových čísel významně zvyšuje přesnost při interpretaci výsledků knihovních vyhledávání. UV degradace mění spektrální profil (karbonylace, hydroxylace, rozšíření píků), což zdůrazňuje potřebu specializovaných knihoven a operátorského posouzení při středních hodnotách HQI. Implementace knihovny UV-degraded plastics může výrazně zlepšit správnou identifikaci degradovaných environmentálních vzorků.

Reference

1. FTIR Talk Letter, vol. 37 a vol. 42–46.
2. Ministry of the Environment, Japan, Guidelines for River Microplastic Monitoring Methods, April 2026.
3. ISO 16094-2, Water quality — Analysis of microplastic in water — Part 2: Vibrational spectroscopy methods for waters with low content of suspended solids, including drinking water.
4. The Japan Society for Analytical Chemistry Symposium on Polymer Analysis and Research, Polymer Analysis Handbook (New Edition), Asakura Publishing, 2008.
5. Shimadzu Application Notes: související publikace o analýze UV-degraded plastics, FTIR a termické analýze a prescreeningu ftalátů v PVC (Application News No. A647, T154, A602).