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O-PTIR光熱紅外顯微成像技術(shù)揭示微塑料顆粒新來源及形成機(jī)制

來源:QUANTUM量子科學(xué)儀器貿(mào)易(北京)有限公司   2021年12月07日 16:19  

 

微塑料,作為種新興污染物,泛指直徑小于5 mm的塑料顆粒,充斥于從海洋到陸地的所有環(huán)境里??茖W(xué)家再次發(fā)現(xiàn)塑料會在機(jī)械作用、生物降解、光降解、光氧化降解等過程的共同作用下逐漸被分解成碎片,形成微塑料,被海洋生物吞食,在生物體內(nèi)不斷積累,隨著生物鏈,造成更廣泛的危害。如硅橡膠,作為種重要的合成橡膠,因其良的耐熱性,常用于高溫、高濕環(huán)境中使用(例如消毒、蒸煮)的產(chǎn)品,例如嬰兒奶嘴、烘焙模具和密封圈等。但這些產(chǎn)品在反復(fù)高溫水熱作用下的老化情況以及微塑料顆粒的釋放情況,目前尚未能引起充分的重視。

 

目前微塑料的常規(guī)檢測是光譜分析法對樣本的種類和組成進(jìn)行鑒定,由于它們具有無破壞性、低樣品量測試、高通量篩選以及所獲取的結(jié)構(gòu)信息互補(bǔ)等點(diǎn),成為檢測和鑒別微塑料的主要分析技術(shù)。如傅里葉紅外顯微紅外(μFTIR)或顯微拉曼光譜(μRM),在實際操作中,需要進(jìn)行復(fù)雜的樣本處理,如浮選,多過濾等,而且因其自身的技術(shù)限制,如μFTIR分辨率取決于紅外波長,僅為10−20 μm,μRM易受熒光干擾,分辨率·低為1 μm,無法表征亞微米尺度下塑料表面的化學(xué)變化,也不能識別單個納米塑料(<1 μm)顆粒,使得全面檢測和鑒定微塑料的種類和成分結(jié)構(gòu)信息變得十分困難。

 

 

圖1. 根據(jù)O-PTIR紅外顯微成像技術(shù)估算硅橡膠奶嘴蒸汽消毒過程中兩種微納塑料顆粒的生成、嬰兒暴露及環(huán)境排放量

 

O-PTIR光熱紅外顯微成像技術(shù),其原理是用短波長可見激光探測樣品IR吸收區(qū)域的光熱效應(yīng),即可見激光與脈沖式中紅外激光共軸照在樣品表面,IR吸收區(qū)域的溫度上升、折射率改變,并據(jù)此獲得樣品定區(qū)域的IR光譜。它突破了傳統(tǒng)傅里葉紅外光譜技術(shù)的局限,空間分辨率提高了幾十倍,達(dá)到500 nm,并且測量更簡單,更快速,無需復(fù)雜的樣品制備過程,結(jié)合液體檢測模式和同步拉曼技術(shù),可直觀判斷亞微米尺度下(微)塑料表面是否發(fā)生降解,并可識別和統(tǒng)計出小尺寸微米塑料(1−10 μm)和納米塑料(400−1000 nm)的粒徑分布和數(shù)量。

 

南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院季榮教授和蘇宇副研究員團(tuán)隊與美國麻省大學(xué)邢寶山教授等合作進(jìn)的Photothermal Spectroscopy Corp 公司生產(chǎn)的mIRage O-PTIR顯微光譜儀,建立了種新型的(微)塑料表面亞微米尺度化學(xué)變化表征方法。研究團(tuán)隊通過對比分析四個國際主流品牌奶嘴產(chǎn)品在蒸汽消毒前后表面形貌及分子結(jié)構(gòu)的變化,證實了蒸汽消毒引起硅橡膠老化具有普遍性。研究發(fā)現(xiàn),硅橡膠嬰兒奶嘴的主要成分為聚二甲基硅氧烷(PDMS)及樹脂添加劑聚酰胺(PA)(圖2b和2c),在經(jīng)過蒸汽消毒(100 °C)時表面發(fā)生降解并釋放出微納塑料顆粒(圖2a)。另外借助O-PTIR有的單波長大范圍成像技術(shù),作者統(tǒng)計了奶嘴消毒過程中PDMS降解產(chǎn)生的1.5 μm以上塑料顆粒數(shù)量,并估算出正常奶瓶喂養(yǎng)年進(jìn)入嬰兒體內(nèi)的該類微塑料總量約為66萬顆,比此前文獻(xiàn)報道的兒童從空氣、水和食物中攝入的熱塑性微塑料數(shù)量之和高出個數(shù)量;假如這些微塑料全部被排入環(huán)境,全球平均排放量可能高達(dá)5.2萬億個/年。上述結(jié)果表明硅橡膠奶嘴消毒產(chǎn)生的顆粒物可能是兒童體內(nèi)和環(huán)境中微納塑料的重要來源。

 

 

圖2. 使用水熱分解法對硅橡膠試樣表面進(jìn)行蒸汽腐蝕;(a) 實驗裝置及O-PTIR工作原理示意圖; (b)樣品蒸煮60 × 10 min表面前后的光學(xué)圖像; (c) 圖(b)中位置1-16的歸化O-PTIR光譜

 

如圖3所示,作者通過對代表性產(chǎn)品蒸汽處理不同時間后(圖3a),采集其表面的光學(xué)顯微圖像(圖3a和3b)、紅外吸收光譜(圖3c)和單定波長下的大范圍的紅外成像(圖3d),實現(xiàn)了硅橡膠表面同微區(qū)兩類聚合物(PDMS和PA)降解過程可視化。在消毒開始后10 h內(nèi),蒸汽從硅橡膠表面缺陷位置滲入,使得表層PDMS聚合物膨脹鼓出(高度>5 μm)形成侵蝕面;伴隨PDMS分子水解、氧化,侵蝕面開裂、凹陷(深度>5 μm),部分脫落;同時,伴隨PA分子斷裂、氧化,樹脂顆粒發(fā)生遷移、脫落和縮小。

 

 

圖3. 試樣表面蝕刻演變的可視化研究. (a,b) 1號樣品表面在蒸煮10、60和600分鐘前后的光學(xué)圖像;(c)b中位置1-13的歸化O-PTIR光譜;(d)b中S1-S4區(qū)域的部分區(qū)域的可見光圖像以及在C=O (1655 cm−1)和Si−CH3 (1263 cm−1)的O- PTIR紅外成像)

 

除此之外,作者根據(jù)消毒后奶嘴清洗液中單個顆粒物的顯微圖像和紅外吸收光譜,作者揭示了硅橡膠表面聚合物(PDMS和PA)降解生成兩類微納塑料的結(jié)構(gòu)征,并在單顆粒水平上表征了微塑料的降解轉(zhuǎn)化動態(tài)過程。PDMS和PA水熱降解后分別生成了薄片狀、含聚硅氧烷的塑料顆粒(0.6−332 μm;其中<10 μm的顆粒物約占80%)及油狀、含聚酰亞胺的塑料顆粒(0.7−10 μm)。其中,PDMS衍生的微塑料經(jīng)蒸汽處理后,其表面聚硅氧烷含量和分布發(fā)生明顯變化,意味著該類微塑料可能受熱降解生成更小的顆粒。

 

綜上所述,該團(tuán)隊成功應(yīng)用O-PTIR顯微光譜技術(shù)揭示了硅橡膠奶嘴在蒸汽消毒過程中生成含有環(huán)狀/支化聚硅氧烷或聚酰亞胺微納塑料的過程及機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了個曾被忽視但重要的人體及環(huán)境中微納塑料的來源。該工作對未來研究有三點(diǎn)重要的啟示:①與嬰兒奶嘴類似,其他硅橡膠基消費(fèi)品(如烘焙模具、可折疊電熱壺、杯子和電飯煲中的密封圈等)在加熱條件下(≥100 °C)也會產(chǎn)生老化,應(yīng)注意這些產(chǎn)品使用過程中微納塑料的釋放;②硅橡膠產(chǎn)品因水熱降解釋放出的微納塑料表面性質(zhì)異于原始聚合物材料(PDMS和PA),考慮到光譜法檢測微塑料時需與標(biāo)準(zhǔn)原始聚合物譜圖進(jìn)行比對,這種差異會對環(huán)境樣品中該類塑料顆粒的識別產(chǎn)生影響,進(jìn)而可能低估其真實污染水平;③原始聚合物材料(PDMS和PA)的毒性不能真實反映其衍生微納塑料的毒性,需要進(jìn)步研究含有環(huán)狀/支化聚硅氧烷或聚酰亞胺、活性表面的微納塑料對環(huán)境和人類健康的影響。

 

該工作發(fā)表在近期的Nature Nanotechnology上(https://doi.org/10.1038/s41565-021-00998-x),感興趣歡迎閱讀原文參與學(xué)習(xí)和討論。

 

【文末小故事】

 

本文作者蘇宇副研究員在2019年便有了此實驗想法,但受限于常規(guī)FTIR分析手段無法測量。在幾經(jīng)周折后,了解到Quantum Design中國的mIRage O-PTIR顯微光譜儀具有亞微米分辨、無需復(fù)雜的樣品制備過程,結(jié)合液體檢測模式和同步拉曼技術(shù),可直觀判斷亞微米尺度下(微)塑料表面是否發(fā)生降解等技術(shù)勢,可完·解決現(xiàn)有的測試難題,終在QD中國(北京)樣機(jī)實驗室,用mIRage O-PTIR顯微光譜儀順完成了樣品的紅外測試部分

 

Quantum Design中國能夠為中國科學(xué)研究和科技發(fā)展貢獻(xiàn)自己的份力量是QD中國直以來的信念和企業(yè)文化,也是我們的榮幸,期待mIRage O-PTIR顯微光譜儀及我們的其他進(jìn)技術(shù)設(shè)備能夠助力相關(guān)科研工作者取得更好的成績!

 

【參考文獻(xiàn)】

[1]. Su, Y., Hu, X., Tang, H. et al. Steam disinfection releases micro(nano)plastics from silicone-rubber baby teats as examined by optical photothermal infrared microspectroscopy. Nat. Nanotechnol. (2021). 

【相關(guān)產(chǎn)品】

1、非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)—mIRagehttp://www.om600.com/st166724/product_33015211.html

 

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