Talanta|Rapid identification of micro and nanoplastics by line scan Raman micro-spectroscopy

2023.08.19

2023年8月8日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李备研究员团队与卡迪夫大学Wolfgang Langbein教授团队（中科院PIFI奖学金获得者）合作开发的线扫描拉曼光谱技术在《Talanta》期刊上发表了题为“Rapid identification of micro and nanoplastics by line scan Raman micro-spectroscopy”的论文。本研究应用线扫描拉曼光谱技术到微塑料检测领域，实现了微塑料颗粒的尺寸和成分识别与大面积成像。

一、研究背景

微塑料和纳米塑料的污染问题已经成为当今社会亟需重视的环境难题。通过测量微塑料的数量、形态、尺寸和化学成分，我们能够全面评估其对环境的危害程度。在微塑料检测领域，拉曼光谱技术以其非接触、无损、化学特异性等特点得到了广泛应用。传统的点扫描共焦拉曼技术仅能进行单点检测，因此需要较长的测量时间才能对典型样本的大面积区域进行扫描。在本研究中，我们开发了一种用于快速检测和识别微塑料颗粒的线扫描共焦拉曼显微光谱工具。通过该技术，我们能够实现颗粒尺寸和成分的识别，并进行大面积区域的高速成像。相较于传统的点扫描共焦拉曼成像方法，线扫描共焦拉曼技术将成像速度提高了两个数量级。

二、研究内容

在本研究中，我们开发了一种线扫描拉曼显微光谱系统，建立了线扫描拉曼光谱数据的预处理流程，并应用FSC3算法获得拉曼高光谱图像。我们通过使用不同尺寸的标准微球对系统性能进行了验证，同时使用四种微塑料粉末样品进行大面积区域的快速检测成像。图1展示了本文介绍的线扫描拉曼光谱系统的结构示意图。

图1. 共聚焦线扫描拉曼系统设备示意图

系统采用532nm激光作为激发光源，准直激光经过柱透镜CL与会聚透镜L3形成线光斑，然后通过物镜共轭成像产生激发线光斑至样品上。由样品激发产生的拉曼信号光沿着原光路返回。系统的信号收集光路与光谱仪均为1:1共轭成像设计，在光谱相机记录的二维图像中，垂直维度映射了样品沿激发线光斑的空间位置信息，水平维度映射了不同波长的光谱信息，通过这种方式，我们可以在单次采集过程中获得激发线光斑上所有空间位置的光谱数据。

图2. 激发线光斑能量分布测量。a）凹面柱透镜系统的硅晶片线激发CCD图像，灰度值从0（黑色）到最大（白色）；b）使用Powell棱镜系统的硅晶片线激发CCD图像；c）518-524cm-¹范围内峰强度之和的归一化强度分布，黑色对应凹面柱透镜系统，蓝色表示对该曲线的高斯拟合，橙色对应Powell棱镜系统。

激发线光斑的能量分布直接影响不同位置样品点的拉曼光谱信号的强度和质量。我们使用硅晶片作为样品，CCD相机记录的硅在521cm-¹处的拉曼峰图像，其强度变化直观地反映了线光斑的能量分布情况。我们首先采用凹面柱透镜来生成激发线光斑，凹面柱透镜为球面设计，其产生的线光斑能量分布为高斯分布，即中心能量高边缘能量低。为了改进这一点，我们采用Powell棱镜代替凹面柱透镜，使用后能量分布均匀性优于20%。这两种方法均用于微塑料检测中。

图3. 500nm PS标准尺寸微球的拉曼成像（50× 0.6NA空气物镜）。a）显微成像；b）305-3062cm-¹峰面积的拉曼图像；c）红框虚线框区域的放大图像；d）沿Y-axis的拉曼图像强度值的高斯拟合；e）沿X-axis的拉曼强度值的高斯拟合；f）PS微球中心区域的拉曼光谱。

我们采用了不同大小的PS标准尺寸微球为样品，来验证线扫描拉曼光谱系统的检测性能。图3展示了500nm标准尺寸微球的拉曼成像，我们对两个方向的拉曼图像强度值进行高斯拟合，其中X轴的FWHM由扫描精度与物镜的NA决定，Y轴的FWHM由CCD的单像素尺寸和物镜的实际成像倍率决定。FWHM 值大于微球的实际直径，因为它们是微球尺寸和系统分辨率的卷积。

图4. 200nm PS标准尺寸微球的结果（100× 0.95NA 空气物镜）。a）显微成像；b）305-3062cm-¹峰面积的拉曼图像；c）FSC3分解后PS组分的浓度图像；d）PS微球中心的拉曼光谱；e）PS组分的FSC3光谱。

为了测试该系统对小颗粒的灵敏度，我们使用0.95数值孔径的空气物镜对200 nm 的PS标准尺寸微球进行了测量，结果如图4所示。由于微球尺寸小于衍射极限，因此其在显微镜下的成像很模糊，且其拉曼信号只有500nm微球的6%。通过对该微球进行扫描检测，得到其在3055-3062 cm-¹ 峰面积的拉曼强度图像，通过d）显示的光谱，我们确定了该微球成分为PS。通过FSC3分析，我们进一步发现了PS的化学组分，其信噪比高达50。这表明本文所介绍的线扫描拉曼光谱系统具有极高的灵敏度。

图5. 粉末混合物的大面积区域拉曼成像。a）显微成像；b）FSC3拉曼组分浓度图像，品红色PET，蓝色PP，红色PVC，绿色PMMA；c）白色虚线框区域的放大图像；d）-g）PET、PP、PVC、PMMA各自的组分浓度图像；h）四种组分的FSC3光谱；i）沿红色虚线的PMMA浓度变化曲线。

大面积区域的微塑料检测结果如图5所示。我们使用了PET、PP、PVC和PMMA四种不同类型的微塑料粉末混合物作为样品，这些粉末在大小和形状上存在显著差异。为了演示本技术的快速性能，我们选择了一个尺寸为1.2毫米长、40微米宽的区域进行测量，总共包含了240,000个像素。通过设置单次曝光时间为0.5秒，步进距离为500纳米，总成像时间仅为20分钟。在对原始数据进行预处理后，我们使用FSC3算法将数据分解为不同的化学成分。通过对已知光谱的分析，我们将组分光谱归属于四种不同类型的塑料。需要注意的是，这些微塑料颗粒具有不规则的形状，存在厚度差异，并且表面可能存在凹凸不平，这些因素都会影响拉曼信号的强度。不同类型的塑料混合颗粒聚集体具有广泛的形状和结构范围，我们可以通过进一步的分析来提取每种塑料类型的粒径统计数据。这些结果表明，我们所介绍的线扫描拉曼光谱技术在实现高通量、高灵敏度的微塑料检测方面具有很大的潜力。

三、结论

我们设计了一种共焦线扫描拉曼光谱系统，并将其应用于微塑料颗粒的检测和识别。相较于传统的点扫描系统，该系统的成像速度提高了两个数量级。我们利用这项技术成功实现了对微塑料颗粒尺寸的准确识别，能够检测到直径小于200纳米的微塑料颗粒。通过采用鲍威尔透镜，我们实现了均匀的线状照明，从而实现了大面积的快速成像和成分识别。较高的信噪比表明，在使用读出速度更快的相机（例如CMOS相机）时，扫描速度还能进一步提高两个数量级，为大面积样品的筛选提供了可能性。

然而，拉曼成像技术存在一定局限性，主要体现在荧光背景的干扰。根据不同的样品，荧光背景可能会掩盖拉曼信号。然而，通过适当的数据分析方法，我们可以识别并利用荧光信号来确定化学成分，将荧光信号与拉曼散射信号协同利用。线扫描共焦拉曼成像系统与传统的共焦拉曼成像系统成本相当，而采用机器视觉CMOS相机技术有可能显著降低成本。因此，线扫描拉曼光谱技术完全适用于分析现实世界中的环境样本，包括复杂环境基质中微小塑料颗粒的检测和识别。它提供了高灵敏度和高通量的非破坏性分析方法。通过采用适当的样品处理技术（如过滤或沉淀），我们可以获得来自水、土壤、空气等多种来源的环境样本，为环境分析提供了有力工具。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.125067

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