平安险成像在塑料微粒分析的作用

现在普遍存在的塑料微粒有据可查。许多项目正在评估完整的塑料微粒污染的范围及其潜在的人类和环境的风险。

遇到了粒子的数量、组成和尺寸分布在大多数研究主要因素。yabo214正在努力朝着建立标准化的核心分析方法,但一般共识尚未实现。^1、2、3

塑料微粒的方法分析

主要有两种方法来塑料微粒分析:质谱仪依靠Mass-focused技术相比,提供精确的质量分布聚合物最常见类型。

Particle-driven技术集中在号码,身份和粒子的大小分布和基于各种微观方法。yabo214

现实生活中的塑料微粒样品:过滤含有各种各样的样品材料。图片来源:力量光学

本文将专注于后者的这些技术。最简单的方法来定位颗粒视觉显微镜。yabo214

虽然它可以表明粒子的存在,它不产生粒子组成的信息,因为它没有能力区分材料如。亚博网站下载yabo214天然和合成的粒子。yabo214

尼罗红染色可以帮助区分塑料和无塑性的。然而,确定聚合物类型仍然是不可能的,不可能每聚合物类型污点。

应该强调,识别是最了解污染的起源的关键部分。虽然视觉显微镜可以提供最初的迹象,这种方法不仅发现粒子还精确识别是急需的。yabo214^4、5

显微镜提供了一个简单的解决这些问题。显微镜是搭配单点光谱方法,包括拉曼、傅立叶变换红外光谱和红外激光光谱学。

通过分析粒子分别,细节获得样yabo214品的化学和组合,促进聚合物的识别。

不幸的是,单点显微镜和视觉显微镜共享一个主要的缺点;粒yabo214子之前必须先视觉识别的分析。

因此,微小的和透明的颗粒可能会被忽视,和任何粒子聚结,不适当分离,yabo214通常发现作为一个大的粒子。

广泛的可用性ir FPA成像技术,粒子的探测和识别可以仅仅基于光谱信息。yabo214

评估的完整示例这样摆脱粒子检测之前,需要确保每个粒子过滤器捕获。样品以极高的速度,在他们的整体,和特殊的空间分辨率。

在这篇文章中,认为结合微型红外成像和自动数据分析提供了一种实用的解决方案适合进行全面、定量的塑料微粒颗粒分析。

一个完全自动化的测量和评价方法消除人为错误而代表最有效的和可再生的方法。⁶

图1所示。ABS的傅立叶变换红外光谱,光谱范围由QCL访问被标记为红色。腈乐队(2250 cm - 1,蓝色)是无法访问和碳氢键- h地区(绿色),进一步关于粒子身份的重要信息。图片来源:力量光学

塑料(英尺)红外光谱鉴定

时未知物质的识别,红外光谱是一种行之有效的方法。特别适合有机化合物,如聚合物制成的塑料微粒。

每个聚合物都有特定的红外辐射吸收模式,这种模式可以通过比较确定参考。

经典傅立叶变换红外光谱中红外区域可以被广泛应用,包括了从600 - 4000厘米¹,使几乎每个聚合物存在的识别。

截然不同的特性,比如腈乐队(约2250厘米¹,用蓝色标记)或碳氢键和h拉伸乐队(2700 - 3600厘米¹在绿色),明显是现成的,协助共聚物的区别类似的骨干(例如,PS / ABS / SAN)。

红外技术,利用一束激光源(QCL)光谱范围限制在约950 - 1800厘米¹(用红色标注)。因此他们没有能力检测的关键的光谱特征波数范围就越高。

傅立叶变换红外光谱测量技术

原则上,有三个基本的测量技术在红外显微镜:

1. 传输方式,红外透明材料的首选方法。亚博网站下载这种方法非接触式并生成良好的光谱质量和快速测量的速度。

2. ATR提供特殊光谱质量但需要接触。这ATR-crystal,作为测量界面,必须手动清洗,防止粒子交叉污染。这不仅是劳动密集型的,还复杂自动化。此外,更难粒子,包括玻璃、碳酸盐或沙子将会yabo214伤害到我们的水晶。

3. Transflection提出更大的挑战。自从红外光线穿过样品两次,总吸收达到两倍,限制粒子的最大大小,可以确认。yabo214此外,红外光谱在已知transflection演示复杂混合物的镜面反射光和弥漫性阻碍transflection光谱的识别建立ATR库。

样品制备和粒子识别

在使用初始的预处理,去除有机和无机残留物(如沙子和植物材料),粒子通常是悬浮在水和过滤到一个适当的红外透明过滤器(如氧化铝)。yabo214

随后,传输可以进行非接触式测量,清洁光谱适合评估。

请注意,即使有复杂的预处理,对许多样本几乎不可能根除所有碎片和残留的环境矩阵。所以,并不是所有被发现在一个过滤器也是一个塑料微粒粒子。

平安险红外成像技术,这个不存在问题,但是单点红外和拉曼方法,这是一个很大的缺点,因为留下的残渣越多,越困难visual-contrast-based粒子的检测。yabo214

事实上,粒子可能完全yabo214错过了(像图4中的透明粒子),或用户时间浪费测量无塑性的粒子,在最坏的情况下,最终污染粒子的统计数据。

评估适用性和约束

一般来说,视觉(图2)粒子识别极其不具体的,缺乏能力区分粒子和表面的变化(例如,纤维/划痕)。yabo214

图2。单个粒子识别。图片来源:力量光学

同样,QCL方法基于红外散射在一个波数的对比也遇到这样的困难。任意阈值的依赖意味着两者都不能检测透明或低对比度的粒子。yabo214

单一的波数扫描QCL系统遵循逐点的测量方法,表现出强烈的粒子探测效率下降低于60微米。¹⁰ 这些系统商业化但是低估小颗粒的部分不同程度的不可预测性。yabo214

塑料微粒颗粒也往往凝聚的浓缩yabo214悬浮液,将重叠的过滤器。等聚集在这里,非特异性对比的方法将检测单个粒子,只提供单一度量值点,虽然需要多个(图3)。

图3。粒子凝聚的。图片来源:力量光学

粒子负载较低,结果仍可通行的,但随着拥挤的过滤器(图4),contrast-based方法分解完全。

图4。人口反滤层。图片来源:力量光学

因此,这些技术存在严格的样品制备的要求,可能需要全部切除的样本矩阵(例如,沉积物)。因此,稀释,整除取样和制备运营商可能需要在专用的样本。

因此,应用程序的视觉和QCL对比方法是严格限制。

拉曼光谱的作用

由于缺少阵列探测器,拉曼显微镜是依赖于粒子识别的视觉对比和随后的单点拉曼测量。

所有提到的局限性与contrast-based粒子检测应用,导致显著增加所需的时间来衡量整个过滤器。

图5。黑色塑料微粒过滤器。图片来源:力量光学

不过,拉曼有能力分析粒子1µm,而红外测量的衍射极限限制在5µm粒子大小。yabo214

然而,对于这种规模的塑料微粒,拉曼光谱信噪比本来就低,和测量参数(激发激光、集成时间、激光功率等)必须单独匹配粒子的利益,阻碍测量自动化。⁴

此外,拉曼光谱样本清洁礼物特别严格的要求。

实际环境样品等过滤显示在图8 (IR)和13(视觉)与拉曼无法衡量。这可以归因于有关粒子检测的原因,详细。

图6。荧光在粒子的拉曼光谱图5。图片来源:力量光学

Figure 7。在拉曼测量过滤器和粒子被烧死。图片来源:力量光学

图8。红外图像的一个完整的过滤器(~ 18毫米)直径,测量5μm像素的分辨率和8厘米¹光谱分辨率~ 3.5小时。图片来源:力量光学

此外,测量过程显著影响的存在(有机)矩阵,从而导致荧光或工件的信号。最后,拉曼显微镜塑料微粒分析仅限于一些特定的情况下,阻止和广泛的适用性。

拉曼的原因通常低于在粒子分析:

1. 聚集的粒子和重叠yabo214
2. 拉曼光谱影响荧光效果(图6)
3. 样品破坏由于黑粒子被激光烧(图7)yabo214
4. 聚合物填料可能阻碍基础聚合物频谱
5. 与类似的骨干困难识别不同的聚合物(如ABS / SAN)

为什么FPA红外成像显示没有缺点

傅立叶变换红外光谱(FPA)成像 完全避免了视觉的障碍粒子检测。真正的FPA红外成像使测量完全过滤器(图8)在很短的时间内。

不需要视觉选择,评价是完全基于光谱数据和确保所有粒子滤波器的测量和评价。yabo214

这个方法不是影响粒子负载和有能力忍受的存在(有机)样本矩阵。

每个粒子滤波器进行了分析。如果有一个重叠的粒子,它们可以直接由他们杰出的光谱,或者如果他yabo214们是由相同的聚合物,该软件可以促进分离。

图9展示了FPA正确成像和自动分解复杂的结块成单个粒子。yabo214所有其他方法将无法执行这种分离。

图9。RGB图像基于FPA红外数据获得的lumo II。粒yabo214子明显分离。图片来源:力量光学

图10。视觉形象4 x5μm粒子的大小。图片来源:力量光学

虽然许多研究不占粒子< 300µm,这是迄今为止最丰富的。yabo214最高的数量通常是发现在100µm和下面。^8、9

获取完整的塑料微粒污染的范围从而需要一个可靠的分析技术,可以检测和识别粒子,降到个位数千分尺大小。yabo214

红外成像焦平面阵列探测器(FPA)促进化学的收集图像具有高空间分辨率衍射极限附近(5µm /像素)。

它在快速900光谱/秒的速度,从而能够检测到的最小粒子在最短的时间内。yabo214只有一个FPA可以提供这么多信息以这样的速度。

检测和自动化的极限

检出限是指尽可能最小的粒子,可以检测到一种乐器。要理解这一点,衍射极限和作用在微型红外成像必须已知。

衍射极限是wavelength-dependent物理现象,指的是最小的结构仍然可以解决完全由一种乐器或特定的技术。

在最佳条件下,这正是波长的一半。傅立叶变换红外光谱,它通常是10µm。然而,完全解决这些10µm 5µm或更小的像素大小根据奈奎斯特准则是必要的。

因此,焦平面成像探测器边缘的运作是什么身体可能在塑料微粒粒子分析。但是有更多的考虑在分析最好的分析方法,特别是自动化。

虽然红外光谱的衍射极限是大约10µm,平安险成像能够探测粒子小于5µm经常(图11),提供了一个出色的红外光谱质量是完美的用于识别目的(图12)。yabo214

图11。平安险探测器图像相同的粒子(绿色,中期)。图片来源:力量光学

图12。红外光谱(红底),个别像素被谱库搜索。图片来源:力量光学

然而人们不应该忘记自动化作为关键因素采取塑料微粒分析走向标准化。而拉曼显微镜可能会使测量非常小(sub-micrometer)粒子,不可能自动分析。yabo214

自动化还在单点QCL测量失败。小颗粒(< 60µm)yabo214,检测是不值得信赖的,进入不可预知,系统性偏差的统计数据。然而,因为这是最有趣的粒级颗粒分析,这种方法不适合自动化。¹⁰

这使得红外成像的最佳选择。

自动测量和评价

理解整个全球塑料微粒问题需要自动化的范围,可再生的过程进行测量和分析。同时,硬件应该保持简单,提供常规用户绝对控制,必须保证互联互通。

通过消除粒子的预选,平安险成像允许用户不同的技能水平进行比较测量,以最小的yabo214训练。

据分析,最常应用的方法是比较光谱数据与参考图书馆。一些图书馆和匹配算法可以访问。

各种参数可以选择获取有意义的结果,和自动化是可能的。⁴但对于标准化,这绝对是至关重要的,同样的测量条件和参数应用每次来保证不同实验室之间的可比性。

这可以通过简单地达成一个共同的参考database-defined搜索参数或使用一个标准化的机器学习模型,训练一套完整和详细的参考光谱。

总之,当试图实现标准化自动化是至关重要的。各种技能水平的,用户可以操作仪器,收集和分析FPA红外数据在短的时间内,从而消除个人偏见的来源错误。^6、7

真实世界的场景:沉积物样品

在完美的场景中,测量数据会很容易与参考光谱相匹配。 然而,在真实的场景中,用户往往面临着重大挑战:

1. 样品也由其它天然物质,包括植物材料、砂和生物体的红外特征。
2. 最小的粒子也最丰富,使它很难yabo214准确检测和识别它们。

所污染,1项),可以通过日益复杂的样品预处理是有限的,但它不可能完全消除它,尤其是在分析环境或食物样本。

再一次,如单点拉曼和红外光谱方法测量基于视觉检测是不实际的实际环境样品。

图13显示一个Ø25 mm Anodisc过滤器的过滤面积~ 300毫米²。它是完全与平安险红外成像测量5µm像素大小和8厘米¹光谱分辨率,花了~ 3.5小时在每秒750红外光谱。

图13。的例子,一个真正的环境样品,测量与平安险成像。ABS粒子被确定基于红外化学图像。强调,粒子的化学图像叠加在视觉形象(绿色)。图片来源:力量光学

其他技术除了平安险成像,涵盖完整的光谱范围,将需要一段跨越数天(~ 60个小时),同时提供低空间分辨率。

塑料微粒仪的红外数据评估(通过Purency)和粒子生成的详细列表和一个统计报告(图14和图15)。

当粒子部分夹在yabo214植物材料和砂层,识别是有效的,并提供准确的像素大小的信息。¹¹

图14。所有确定粒子的大小信息列表。yabo214图片来源:力量光学

图15。统计粒度分布粒子过滤器上发现的概述。yabo214图片来源:力量光学

图16。左边的lumo II红外显微镜和FPA成像版在右边。它允许分析传播,反射和ATR。图片来源:力量光学

结论:平安险红外成像为王

单点拉曼的批判性分析,红外光谱和QCL方法清楚地表明这些方法罕见的情况下,应用有限样品保持清洁颗粒大小并不是太小和粒子负载很低,在某些情况下可能需要aliquotation。

自动化可以在一定程度上实现,但严重限制在光谱质量方面(拉曼)或粒度(QCL)。

的检测极限提供了单点红外通常大约10µm、和60µm QCL——如果单点测量的自动化。测量时间可以强化粒子数量的增加,甚至可以达到7 - 8小时样本。yabo214

的QCL transflection,识别缺乏可靠性,由于不同的技术与光谱进行比较。这些方法将彻底失败,当粒子重叠或相邻或当有残留物从样本矩阵(如河流沉积物)礼物。yabo214

而拉曼有能力来衡量粒子1µm,自动化可靠性的过程和一个合适的水平是不可能的。yabo214

众多的生理效应可以防止有效的测量或完全防止识别甚至不同的粒子需要不同的参数设置。yabo214

最终,平安险红外成像占统治地位的货币因为粒子检测是独立的视觉对比,识别并不是影响聚合物类型、填料或样本矩阵,和完整的过滤器是覆盖在最大速度和最佳的空间分辨率。

引用

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