FTIR 與拉曼的塑膠微粒分析

小顆粒。大影響。

海灘、衣服、瓶裝水、魚、啤酒、空氣和蜂蜜都有一個共同點。它們都包含了塑膠微粒。

進入您當地的便利商店，您會認為純淨水不含有害顆粒。令人驚訝的是，瓶裝水也不例外地受到塑膠微粒污染，事實上，其污染程度高於自來水。美國紐約州立大學弗雷多尼亞分校的研究顯示，93% 的測試瓶裝水含有塑膠微粒污染 [4]。這促使世界衛生組織 (WHO) 評估所有關於塑膠微粒的現有研究，以幫助了解終生食用和飲用塑膠微粒是否會對人類健康產生影響。不幸的是，在水淨化系統中沒有檢測到塑膠微粒，因此它們可能來自自來水源，也可能來自裝瓶過程的機器。這給飲料公司帶來了潛在的責任風險，他們現在正在探索如何最佳地測量其產品中的塑膠微粒。

不可思議的健康影響

由於這一發現相對較新，因此目前尚不清楚塑膠微粒污染對人類健康的影響。這表示我們必須找到方法來研究塑膠微粒的組成和普及情況，以及它們對人類的生物學和毒理影響。

塑膠微粒分析問題

為了區分出這些微粒，目前的策略為使用立體顯微鏡，繁瑣地將塑膠微粒與其他材料分開。[6] 不幸的是，由於塑膠微粒的尺寸極小 (<1 mm)，並且存在人為錯誤和樣本污染的可能性，因此這種目視檢查方法容易出錯。此種幾乎不可能且耗時的鑑別過程給我們留下一個具有挑戰性的問題。

分析解決方案

拉曼和紅外光顯微鏡可以正確鑑定從環境、工業、市政或消費性產品樣本收集的各種塑膠微粒顆粒 (直徑 1-5000 µm)。 這些技術利用光與分子相互作用的能力，讓分子以特定頻率振動。因此，光譜 (或是吸收或放射頻率的峰值模式 - 圖 2) 可提供微粒的「分子指紋」，提供其成份的鑑別。

對於 >1 μm 的顆粒，Thermo Scientific DXR3xi 拉曼成像顯微鏡提供從其他污染物中辨別塑膠微粒的分析能力，其空間解析度高達 0.5 μm。 Thermo Scientific OMNIC 軟體的多變量分析演算法，可用於以塑膠與聚合物的光譜資料庫來鑒定光譜。DXR3xi 拉曼顯微鏡具有自動對準和校正功能，可確保操作員之間的準確測量和一致性，並支援 EPA 工作小組提出的建議。顯微鏡能快速對整個樣本濾紙上的大表面積成像，讓它能快速、可靠地比較多種微粒和辨識其化學成分。對於 >10 μm 的塑膠微粒顆粒，Thermo Scientific Nicolet iN10 MX FTIR 成像顯微鏡可提供類似的化學成像能力，速度快且效率高。

參考資料

1. https://marinedebris.noaa.gov/sites/default/files/publications-files/TM_NOS-ORR_30.pdf
2. https://orbmedia.org/stories/Invisibles_plastics
3. https://www.theguardian.com/environment/2017/sep/06/plastic-fibres-found-tap-water-around-world-study-reveals
4. https://orbmedia.org/stories/plus-plastic/
5. https://www.theguardian.com/lifeandstyle/2017/feb/14/sea-to-plate-plastic-got-into-fish
6. https://www.epa.gov/trash-free-waters/microplastics-expert-workshop-report
7. https://www.nature.com/articles/srep03263

圖 3 的樣本工作流程圖顯示從樣本製備到塑膠微粒分析的典型流程。

文獻

可由 FTIR 與拉曼光譜鑒定的常見塑膠

引文

查找使用 FTIR 和拉曼光譜進行塑膠微粒分析的同行評審文獻發表。

您如何看待目前塑膠微粒污染的問題，以及需要做多少工作才能更了解問題的嚴重程度？

今年，塑膠微粒問題正處於全球範圍認真開展調查的階段。已經開始進行大型計畫，以標準化測量/測定更細微的塑膠微粒，以獲得統一的分析解決方案。此外，環保領域也開始研究環境中傳統塑膠或生物可分解塑膠的降解情況。也許，相關報告也會在幾年內發佈，然後我預期會在全球推行特定法規。

您的研究重點是什麼？

• 開發和監測環境中超細塑膠微粒 (0.1 μm 至 20 μm) 的分析解決方案
• 闡明海洋中全球塑膠微粒的來源和移動機制以及風化現象，包括生態影響評估

您正在評估哪些水域 (湖泊/海洋/等...) ？

目標樣本有：自來水、海水、沙灘、食物、生物降解塑膠、生活排水

您確切想要瞭解什麼？

我對下列幾點很感興趣

• 測定海洋中塑膠微粒的濃度，包括 0.1-20 μm 範圍內的極細顆粒，並預測未來的濃度和顆粒大小分佈。
• 測定塑膠微粒風化的程度

您的採樣和分析工作流程是什麼樣的？嘗試分析環境樣本中的塑膠微粒時，有哪些主要的挑戰？

目前，我們已>完成 20 μm 塑膠微粒的採樣分析解決方案開發，現在正處於商品化階段。我們很快就會發佈詳細的方法，以下是簡要的說明：

• 使用不含塑膠設備採集樣本
• 以過氧化氫、碘化鈉及酵素進行預處理
• Thermo Scientific Nicolet iN10 MX 紅外線成像顯微鏡，使用自動微粒分析軟體進行自動分析。目前我的主要研究是針對 <20 μm 的微粒。我可能已經解決方法開發方面的問題。我目前正在尋找「拉曼」供應商做為開發合作夥伴。我打算在 2021 年使用拉曼開發分析方法。

您使用何種儀器？擁有更多用於塑膠微粒定位和鑒定的自動化解決方案有多大用處？

我正在使用 Nicolet iN10MX 顯微鏡，並以 OMNIC Picta 軟體定義粒徑、鑒定和量化。

您對目前法規狀況有何看法？您是否與主管機關合作？您對有關塑膠微粒污染和監測的國內和國際法規有何期望？

• 塑膠微粒污染和污染特性仍然未知。有時我會與重要的主管機關合作。 未來，我預計塑膠微粒的調查，以及控制塑膠微粒污染的政策將實施如下：
• 將會針對顆粒為 20 或 0.2 微米以上的塑膠微粒進行環境調查 (目前規定的顆粒是 >300 微米以上) 。
• 在環境中具有劇毒且可能以微粒形式存在於環境中的聚合物可能會被禁用。
• 建議使用和採用生物可分解塑膠。屆時，會修訂環境降解測試，以測量微粒大小分佈。因此，根據這些新定義，傳統的生物可分解塑膠可能無法符合規定。
• 日常生活用品中使用的微膠囊聚合物也有可能被新材質所取代。

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履歷：Yutaka Kameda 博士 | 千葉理工學院 | 副教授

教育
1998 – 2000：北海道大學環境資源工程博士
1995 – 1997：東北大學，水利工程碩士
1991 – 1994：東北大學，土木工程學士

工作經驗
2012 – 目前：千葉理工學院創意工程副教授
2007 – 2012：埼玉市環境科學中心水環境研究員
2006 – 2007：日本政府公共工程研究所研究員
1992 – 2005：橫濱國立大學環境風險實驗室 COE 研究員

研究計畫

• 西太平洋的塑膠微粒監控及其環境行為分析。(日本政府科學研究補助金)
• 建立以顯微 FTIR 光譜 (Thermo Fisher Scientific) 測量塑膠微粒的新分析方法
• 日本河川塑膠微粒監測、環境行為分析及模擬模型建立。(日本河川基金)
• 開發新工具以評估新興有機化學物質對海岸環境和有機體的環境衝擊。(澳日研究基金會)
• 日本蜂群和蜂蜜的新菸鹼暴露途徑分析 (超越基金會)

最近的論文

1. D. Ueno, H. Mizukawa, O. Inanami, H. Nagasaka, N. Tatsuta, Y. Narazaki, T. Fujino, I. Watanabe, Y. Kameda, K. Nakai：“Caddisfly watch”, a biomonitoring program using Stenopsyche larvae to determine radioactive cesium contamination in rivers following the Fukushima nuclear disaster, Landscape and Ecological Engineering, January 2018, Volume 14, Issue 1, pp29-35
2. M. Allinson, Y. Kameda, K. Kimura and G. Allinson: Occurrence and assessment of the risk of ultraviolet filters and light stabilizers in Victorian estuaries, Environmental Science and Pollution Research, April 2018, Volume 25, Issue 12, pp12022-12033
3. Y. Tashiro, Y. Kameda: Pesticide Contamination Monitored by Passive Sampling in Environmental Water of Japanese Coral Island, Journal of Water Resources and Ocean Science; 2015;4(2):39-43 (Mar, 2015)

樣本製備套件/耗材

為微粒分析製備耗材和樣本可能很麻煩。無論您的樣本類型為何，這些微粒分析樣本製備套件都能協助簡化程序。

深入瞭解

儀器套裝組合

•  FTIR 塑膠微粒分析儀組合
•  拉曼塑膠微粒分析儀組合

儀器

	FTIR + ATR	FTIR + 單點 ATR	簡易式 FTIR 顯微鏡	FTIR 成像顯微鏡	拉曼顯微鏡	拉曼成像顯微鏡
配置
	Nicolet Summit FTIR 光譜儀與 Everest ATR 配件	SurveyIR 顯微光譜配件 + Nicolet Summit FTIR 光譜儀	Nicolet iN5 IR 顯微鏡 + Nicolet iS20 FTIR 光譜儀	Nicolet iN10 MX IR 成像顯微鏡	DXR3 拉曼顯微鏡	DXR3xi 拉曼成像顯微鏡
可測量的微粒大小
5 mm	✓
1 mm	✓	✓
500 μm	✓	✓
100 μm		✓	✓	✓
10 μm			✓	✓	✓	✓
1 μm					✓	✓
僅可手動放置樣本	是	是	是	否	否	否
濾膜自動分析	否	否	否	是	是	是
樣本螢光耐受性	是	是	是	是	否	否