無需樣品預(yù)處理、不破壞微塑料形態(tài)、直接對濾膜上的殘留物進行成像分析——一項來自丹麥Lightnovo的拉曼成像技術(shù)，正悄然改變海洋微塑料監(jiān)測的現(xiàn)狀。

你或許不知道，每年有超過800萬噸塑料垃圾進入海洋，它們逐漸分解成小于5毫米的微塑料，悄然進入食物鏈，最終可能抵達我們的餐桌。

面對如此隱形的污染，如何精準、快速地檢測海水中的微塑料，一直是環(huán)保領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

近日，一項基于2D拉曼成像與化學(xué)計量學(xué)分析的創(chuàng)新技術(shù)，成功實現(xiàn)了對海水中微塑料的“原位識別"，不僅大幅提升檢測效率，更避免了傳統(tǒng)方法中樣品損耗與污染的問題。

01 隱形的威脅：微塑料污染已成世界性難題

微塑料，指尺寸小于 5毫米 的合成塑料顆粒，廣泛存在于海水、土壤甚至空氣中。

它們?nèi)菀妆缓Ｑ笊锿淌?，進入食物鏈，最終影響生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。

目前，多個海域均已檢測出微塑料的存在，地中海、北大西洋、東海 等區(qū)域尤為嚴重。

傳統(tǒng)檢測方法通常需要將水樣過濾、化學(xué)處理、分離提取，過程繁瑣且容易導(dǎo)致微塑料損失或形態(tài)改變。

海水中微塑料污染示意圖（圖片來源：Lightnovo）

02 檢測困境：傳統(tǒng)方法為何“力不從心"

目前常用的微塑料分析方法包括 傅里葉變換紅外顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描電鏡、熱解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用 等。

這些方法大多需要將濾膜上的殘留物取下，并進行一系列預(yù)處理，如 浮選分離、化學(xué)消解、篩分過濾、烘干 等。

不僅流程復(fù)雜、耗時耗力，還可能造成微塑料的 損失、聚集、形態(tài)改變，影響檢測結(jié)果的準確性。

更重要的是，這些步驟往往無法在采樣現(xiàn)場完成，樣品必須運回實驗室，進一步增加了分析的時間與成本。

03 突破性技術(shù)：拉曼成像實現(xiàn)“濾膜上直接分析"

丹麥Lightnovo公司推出的 RG拉曼顯微鏡，結(jié)合 2D拉曼成像 與 多元曲線分辨率-交替最小二乘法 技術(shù)，實現(xiàn)了對濾膜上殘留物的 原位分析。

該技術(shù)無需將殘留物從濾膜上取下，也無需去除其他雜質(zhì)，直接在濾膜表面進行拉曼光譜掃描，通過化學(xué)成像識別微塑料的種類與分布。

Lightnovo RG拉曼顯微鏡實物圖

其工作原理可簡述為：

• 使用532nm激光對濾膜表面進行逐點掃描

• 每個點采集一個拉曼光譜，構(gòu)成一個 三維數(shù)據(jù)立方體

• 通過MCR-ALS算法分解出不同化學(xué)成分的“純光譜"與濃度分布圖

• 將純光譜與微塑料數(shù)據(jù)庫比對，實現(xiàn)自動識別

04 實際應(yīng)用：地中海海水樣本的檢測實例

為驗證該技術(shù)的實用性，研究團隊從 意大利那不勒斯附近海域 采集海水樣本，使用孔徑為 $5\times 5\mu m^2$ 的多孔硅膜過濾10升海水，干燥后直接置于顯微鏡下分析。

掃描區(qū)域為 $10\times 10m{m}^2$，共計60萬個掃描點，每個點采集4056個波數(shù) 的光譜數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量達 14.6億點。

通過關(guān)鍵空間像素與關(guān)鍵光譜變量篩選方法，數(shù)據(jù)量被壓縮至 85.5萬點，降維三個數(shù)量級，大大提升了處理效率。

不同波數(shù)下拉曼信號的空間分布圖，部分峰值對應(yīng)微塑料信號

05 分析結(jié)果：多類微塑料被成功識別

經(jīng)過MCR-ALS分解，共識別出 7種化學(xué)成分，其中 3種 來自硅濾膜本身，其余 4種 為殘留物中的成分。

通過與“自然風(fēng)化微塑料拉曼數(shù)據(jù)庫"比對，成功識別出：

• 組分1：聚酯類微塑料，高相關(guān)性（HQI=0.87），形態(tài)類似纖維，直徑數(shù)十微米

• 組分4：聚酰胺類，即尼龍，高相關(guān)性（HQI=0.97），呈顆粒狀均勻分布

• 組分7：可能為塑料類物質(zhì)，中等相關(guān)性（HQI=0.62）

• 組分5未在數(shù)據(jù)庫中找到匹配，可能為其他有機物或風(fēng)化程度較高的塑料

MCR-ALS分解得到的“純光譜"與數(shù)據(jù)庫匹配光譜對比

06 技術(shù)優(yōu)勢：為何這項技術(shù)值得關(guān)注

原位無損檢測
無需樣品預(yù)處理，避免微塑料損失與污染，保持其原始形態(tài)與化學(xué)狀態(tài)。

高通量成像
單次掃描可覆蓋 $10\times 10m{m}^2$ 區(qū)域，實現(xiàn)大面積快速篩查。

化學(xué)識別精準
基于拉曼光譜的“指紋識別"，可區(qū)分不同類型的塑料，甚至檢測其表面風(fēng)化與降解程度。

適合現(xiàn)場部署
設(shè)備便攜，數(shù)據(jù)分析算法經(jīng)過優(yōu)化，可在標(biāo)準筆記本電腦上運行，適合野外或船載檢測。

數(shù)據(jù)可追溯
完整保留空間分布信息，支持后期復(fù)核與深入研究。

目前，Lightnovo的這項技術(shù)已在地中海微塑料監(jiān)測中成功應(yīng)用，未來有望推廣至 河流、湖泊、飲用水源 等多種水體的微塑料污染調(diào)查中。

隨著各個國家對微塑料污染重視程度的提升，這種 快速、準確、原位 的檢測技術(shù)，或許將成為環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域的標(biāo)配工具。

海洋的“隱形污染"正被科技之光逐一照亮——而這，只是開始。