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基于拉曼光譜成像技術檢測廢水中微塑料
微塑料分布在人類生活的整個生態環境中，在海洋、湖泊、河流、水生生物、空氣、瓶裝水及自來水等都檢測到不同種類、不同濃度的塑料微粒。微塑料無法生物降解，只能通過物理作用和光化學作用形成越來越小的有毒碎片并進入食物鏈，最終進入人體。微塑料對人體健康的不利影響可導致遺傳性病變、癌癥及其他急慢性疾病。同時，研究表明塑料微粒由于具有比普通塑料污染物更高的比表面積，更易吸附環境中的其他污染物。隨著環境條件變化，這些污染物又會溶出釋放，從而對生物體產生毒性作用。
飲用水中微塑料顆粒數量較少，通常尺寸小于10μm。目前主要鑒定的方法有熱分析法和紅外光譜法。兩者都是有損檢測，且耗時較長。借助于顯微拉曼可觀察到疑似微塑料顆粒的形狀、顏色，并進行原位鑒定。根據拉曼數據庫中的標準譜圖和樣品譜圖進行比對，可鑒定塑料種類。因此，選用顯微拉曼光譜對微塑料進行檢測是一種較好的方法。
除了水、土壤和空氣，微塑料還遍布多種動物體，小到浮游動物，大到大型哺乳動物。微塑料進入動物體后，可阻塞或破壞其胃腸道，影響其攝食行為甚至導致動物死亡，亦可導致其生殖力下降、代謝改變和能量儲備減少。微塑料主要通過呼吸道和消化道兩種途徑進入人體。PVC工人患肺癌的風險隨年齡和工作年限的增加而升高。此外，暴露于合成纖維的工 人的肺組織活檢顯示不同程度的炎癥、肉芽腫和間質纖維化。
拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射效應，當用一定頻率的激發光照射分子時，一部分散射光的頻率和入射光的頻率相等，這種散射是分子對光子的一種彈性散射。只有分子和光子間的碰撞為彈性碰撞，沒有能量交換時，才會出現這種散射，該散射稱為瑞利散射。還有一部分散射光的頻率和激發光的頻率不等，這種散射成為拉曼散射。
圖1 入射光照射到物體上發生的兩種散射
圖2 濾膜樣品拉曼光譜采集過程
圖3 濾膜樣品拉曼光譜
從圖中可以看到，不同透明顆粒具有明顯的拉曼特征峰且特征峰位置一致，使用Uspectral-PLUS中數據庫檢測識別功能對其進行分析匹配，得知該透明顆粒成分主要為LDPE（低密度聚乙烯），相似度74%，其檢測結果如圖所示。
圖4 數據庫識別鑒定結果
圖5 數據庫中幾種塑料拉曼標準譜圖示例
圖6 樣品光學顯微成像圖及相應位置拉曼mapping圖
低密度聚乙烯在染棉樣品中分布較多，如圖6所示，其中左圖為樣品局部顯微明場成像圖， 右圖為在同一區域，以低密度聚乙烯1274cm-1處的拉曼特征峰為標準，繪制的樣品拉曼光譜mapping成像圖，圖中綠色及黃色部分為樣品含量高的區域，藍色部分為含量低區域。
上述結果表明，mapping對樣品中的低密度聚乙烯具有較好的成像效果，成像結果與實際相符，并且可檢測出肉眼在光學顯微鏡下無法準確分辨的顆粒。
本研究中用到的設備為MR-3CHANNEL-Portman785。
自動對焦，mapping, 高光譜，自動移動平臺，支持多種波長，在生物醫療、光致發光、微塑料、二維材料石墨烯等科研領域中廣泛應用。
MR532/785/1064顯微拉曼光譜儀是由拉曼三通道模塊、LED光源、金相顯微鏡等部分構成。操作簡單，采集速度快，在短時間內觀察到樣品的微觀結構與拉曼光譜信息，能夠快速幫助用戶對樣品進行檢測與分析。在生物醫療、光致發光、微塑料、二維材料石墨烯等科研領域中廣泛應用。
如海自研的拉曼三通道模塊可以支持532nm、633nm、785nm、830nm、1064nm等任意3個不同激發波長的拉曼光譜測量。模塊中配置光路切換系統，可以通過軟件進行不同波長激發的快速切換，并可對采集的拉曼譜圖進行疊加對比分析。模塊上的探頭可以即插即用，對非常規形態的樣品方便檢測。可根據用戶已有的顯微鏡定制適配的拉曼三通道模塊，組裝成顯微拉曼光譜儀。
可支持拓展Mapping平臺（即拉曼光譜成像功能），可以對樣品微區進行拉曼光譜成像。用圖像的方式直觀顯示樣品的化學成分分布、表面物理化學性質等更多信息。高精度移動平臺，最小步進1μm，可精確探測到樣品的拉曼信號。軟件功能完善，可實現自動聚焦功能、明場圖像拼接以及mapping圖像顯示。
本文作者：劉瑞
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上海如海光電科技有限公司是一家專業從事光學儀器、光電類模組、光學部件等自主研發與生產的科技型企業， 擁有光、機、電、軟、理化應用等專業科研團隊，可實現年產2000套以上光譜儀的生產能力，擁有光纖光譜儀、拉曼光譜儀、近紅外光譜儀、紫外光譜儀、熒光光譜儀、地物光譜儀、激光器、汞氬燈，氘鎢燈光源、光纖探頭、各種采樣支架，標準板等十余條產品線。
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