البلاستيك الصغير )البلاستيك الدقيقوأعضاء البرلمانكما الملوثات البيئية العالمية ، مع حجم الجسيمات الصغيرة )1 ممو5 ممتوزيع البيئة على نطاق واسع ، تكوين البوليمر معقدة ( مثل البولي ايثيلينبيمادة البولي بروبيلينPPالبوليسترينPSالخ ) وغيرها من الخصائص . الأساليب التقليدية ، مثل المجهر الضوئي ، لا يمكن إلا أن نلاحظ مورفولوجيا الجسيمات ، الأشعة تحت الحمراء التقليدية الطيف لا يمكن تحقيق microzone التعريب ، من الصعب تلبية متطلبات الاعتراف . مطياف الأشعة تحت الحمراء المجهرية )ميكرو FTIRو دمج التصوير المجهري و مطيافية الأشعة تحت الحمراء ( IR ) التكنولوجيا المبتكرة أصبحت نواة " المعيار الذهبي " التكنولوجيا في مجال الكشف عن microplastics ، مع القدرة على تحليل القرار المكانية والجزيئية الاهتزاز . في هذه الورقة ، من حيث المبدأ التقني ، تطبيق نموذجي المشهد ، نواة التفوق والتحدي ، اتجاه التنمية في الجبهة من أربعة جوانب ، تطلق منهجية والمهنية المناقشة .

مبدأ التقنية : مساحة صغيرة تحليل الإشارات الاهتزاز الجزيئي

القيمة الأساسية مجهرية مطياف الأشعة تحت الحمراء " مايكرو التعريب " و " التعرف الجزيئي " التعاون ، المبادئ التقنية يمكن تقسيمها إلى اثنين من وحدات رئيسية : مايكرو التركيز و مسار بصري تصميم الطيف جمع وتحليل البيانات .

1. microfocusing وتصميم مسار الضوء

نظام يتكون من مجهر الأشعة تحت الحمراء مع تحويل فورييه مطيافية الأشعة تحت الحمراء )FTIRتكوين اقتران ، تكوين الأجهزة الرئيسية تدور حول " القرار المكانية العالية " و " المشهد متعددة تناسب " تصميم :

اختيار كاشف : النيتروجين السائل تبريد MCTكاشف ( على سبيل المثالWQF-530Aنوع , مناسبة لأنّ حساسية عالية للكشف عن جميع الفرقة كهربي حراري للكشف عن ( تغطية )4000و400 سم⁻¹ مجموعة كاملة من الطيف ، مع تحليل الطيف واسعة ؛

الهدف : مجهرية مزودة الفتحة العددية NAأكثر0.65 عالية الطاقة عدسة الهدف1و10 مم² التركيز على التصوير في المنطقة الصغيرة لتلبية متطلبات الكشف عن الجسيمات الدقيقة .

مسار الضوء وسائط : دعم الانعكاس ، انتقال ، توهين الانعكاس الكلي )اترثلاثة أنواع من أساليب العمل -- التفكير في طريقة مناسبة لأنّ عينات مبهمة ( على سبيل المثال ، جزيئات التربة ) ، ونقل طريقة مناسبة لأنّ رقيقة غشاء فلتر عينات .اترنموذج يمكن استخدامها لتحليل microplastics مباشرة في الأنسجة البيولوجية شرائح دون المعالجة .

2. جمع وتحليل البيانات الطيفية

من خلال اثنين من طرق جمع الأساسية وتغطي عبارة ” تحديد نقطة واحدة “ إلى ” الإحصاءات العالمية “ ما يلي :

نقطة نمط المسح الضوئي : واحد من جزيئات البلاستيك الصغيرة ( على سبيل المثال 30 ممالبينقطة ثابتة الطيف جمعأومنيك بيكتاالبرنامج تلقائيا خصم تدخل الخلفية ( الخلفية المتوسطة اختياري )KBrنافذة أو غشاء الترشيح عينة فارغة ، واستخراج البوليمر مميزة الذروة ( على سبيل المثالبيال2920 سم⁻C-Hذروة التوسع1467 سم⁻CHمعيار مكتبة الطيفية ( على سبيل المثالأستم D8401دقة التعرف على البوليمر يمكن أن يتحقق من خلال المقارنة بين microplastic مكتبة القياسية95%فوق ;

رسم الخرائطنمط التصوير : على عينة ( على سبيل المثال25 ممشبكة المسح الضوئي ( عادة حجم الخطوة )10 ممتوزيع الحرارة من البلاستيك الصغيرة يمكن أن تنتج ، والتي يمكن بسرعة حساب النسبة المئوية من مختلف أنواع البوليمر ( على سبيل المثال ، في عينة من مياه البحر ) .PPنسبة6%توزيع حجم الجسيمات ( مثل متوسط حجم الجسيمات )D50 = 58ممتحقيق التحليل الكمي دفعة عينة .

تطبيق المشهد : سلسلة كاملة من التغطية من وسائل الإعلام البيئية والبيولوجية والغذائية

مطياف الأشعة تحت الحمراء الصغيرة " في الموقع ، غير تدميري ، عالية الدقة " ميزة ، وقد تم تطبيقها على نطاق واسع في المشهد كله من البلاستيك الصغيرة البحث ، حل مختلف المجالات الأساسية الكشف عن الطلب .

1. تحليل microplastics في البيئة المتوسطة

توحيد إجراءات الكشف عن المياه والتربة والغلاف الجوي وغيرها من وسائل الإعلام البيئية النموذجية تتشكل .

عينات المياه 100 لترعينات من مياه البحر أو المياه العذبة0.22 ممفتحة السليكوون )PTFEمرشح غشاء الترشيح ، من خلال الكشف عن نمط انتقال اعتراض على غشاء من البلاستيك الصغيرة ، يمكن تحديدهابيقمة مميزة2850 سم⁻PSقمة مميزة700و800 سم⁻¹ ) وغيرها من البوليمرات ، الكشف عن الحد الأدنى0.1 مغ / لن

عينات التربة : أولا ، إزالة المواد العضوية في التربة من خلال كثافة التعويم ، ثم تخصيب حجم الجسيمات > 10ممالبلاستيك الصغيرة ، من خلالاترتحليل نمطبيتال1720 سم⁻C = Oتحليل كمي خطأ يمكن السيطرة عليها في5%داخل .

الرواسب في الغلاف الجوي : جمع حجم الجسيمات من برج مان 0.45و10 ممالألياف البلاستيكية الصغيرة ( على سبيل المثالPPليفي1450 سم⁻CHمنحنى الذروة ، جنبا إلى جنب مع بيانات سرعة الرياح الإقليمية ، يمكن أن تستخدم أيضا لحساب تدفق البلاستيك الصغيرة الترسيب ( الوحدة :ن/م²/دتوفير البيانات لدعم تتبع مصدر تلوث الهواء .

2. دراسة عن مخاطر microplastics في مجال الطب الحيوي

التركيز على الهجرة ، وتراكم سمية microplastics في الكائنات الحية . تحليل الارتباط بين " الجسيمات التعريب " و " الآثار الجزيئية " :

الجسيمات التعريب في الأنسجة البيولوجية : الكشف عن الجنين في المشيمة البشرية 12 البولي إثيلين )بيmicroplastic الجسيمات ( حجم الجسيمات )5و20 ممبواسطةرسم الخرائطالهدف من التحقيق في توزيع الجسيمات في أنسجة المشيمة ، وتقييم المخاطر الصحية المحتملة عبر حاجز المشيمة .

دراسة عن آلية cytotoxicity : الملاحظة A549الخلايا الظهارية الرئوي البلعمة2 مم PSبعد microplastic ، خصائص غشاء الخليةC-Hقمة الموجة2960 سم⁻ انخفاض القوة1 ف - 5جنبا إلى جنب مع الاختبارات البيوكيميائية لتأكيد أنواع الاكسجين التفاعلية داخل الخلايا )روسارتفاع مستوى30%، التي أنشئت " مايكرو البلاستيك التعرض-تلف غشاء الخلية-" الإجهاد التأكسدي " الجزيئية المرتبطة سلسلة من الأدلة .

3. تحديد microplastics والمواد المضافة في مجال سلامة الأغذية

من أجل حل مشاكل الهجرة من تغليف المواد الغذائية والملوثات مجمع المخاطر ، الأساليب الكمية المقدمة .

مواد التعبئة والتغليف اختبار الهجرة بيتبعد استخراج الإيثانول من المياه المعبأة في زجاجات ، والملدنات الحرةDEHPال1720 سم⁻C = Oالحد من الكمية0.01 ملغ / كجم، وفقا لبلدناجيب 9685-2016معيار استخدام المضافات الغذائية ومواد الاتصال والمنتجات ؛

مايكرو البلاستيك -تحليل الملوثات المعقدة : دراسة امتزاز الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات على سطح مياه البحر microplastics )PAHsجنبا إلى جنب مع تقنية الأشعة تحت الحمراء أطياف رامان ، مثلHoriba LabRAM تطور الموارد البشريةالأشعة تحت الحمراء الاهتزاز الجزيئي و تشتت رامان الإشارات التي تم الحصول عليها في وقت واحد .PAHsالامتزاز التكوين على سطح microplastic-تراكم ، وتوفير أساس مصغر لتقييم مخاطر التلوث المعقدة .

المزايا التكنولوجية والتحديات القائمة : A منظور جدلي من الفرص والاختناقات

1. ميزة أساسية لا يمكن الاستغناء عنه

بالمقارنة مع غيرها من تقنيات الكشف عن microplastics ( مثل رامان الطيفي ، تحليل مقياس الثقل النوعي الحراري ) ، والقدرة التنافسية الأساسية من مايكرو مطياف الأشعة تحت الحمراء يظهر في ثلاثة جوانب :

خصوصية عالية : تعتمد على مجموعة وظيفية مميزة قمم جزيء البوليمر ( على سبيل المثال C = Oال1700 سم⁻C-O-Cال1100 سم⁻¹ ) ، يمكن تمييزهابيوPPوبيتوPVCبالقرب من20 معدل خطأ البت في السيطرة على البوليمر3%يتبع ;

غير المدمرة في الموقع : لا تحتاج إلى حمض الهضم ، وارتفاع درجة الحرارة حرق ، الخ ، يمكن أن تبقي تماما على شكل حرف ( مثل الألياف ، شظايا ) و سطح مجموعة وظيفية من المعلومات ( على سبيل المثال ، الهيدروكسيل التي تنتجها الأكسدة والشيخوخة ) من البلاستيك الصغيرة ، وتوفير الأساس لمزيد من البحث .

كفاءة تدفق عالية : تعميم النظم التجارية مثل سيميرفيلد ضوء الضوء 400دعم96 فتحة لوحة التلقائي أخذ العينات ، عملية واحدة يمكن تحليلها2000 مقارنة مع التقليدية اليدوية نقطة المسح الضوئي ، وتحليل تدفق هو تحسين .50 هذا الاختراع هو مناسبة للكشف عن كمية كبيرة من العينات البيئية .

2. التحديات القائمة التي يتعين التغلب عليها

وعلى الرغم من ارتفاع مستوى النضج التكنولوجي ، لا تزال هناك ثلاثة معوقات :

الحد الأدنى للكشف عن حجم الجسيمات : الحد الأدنى للكشف عن الأشعة تحت الحمراء الصغيرة التقليدية 1 ممحجم الجسيمات< 100 نانومترنانو البلاستيك ، والتي يجب أن تستخدم بالاقتران مع مجهر القوة الذرية )AFM-IR( التكنولوجيا ) تحقيق زيادة كبيرة في تكاليف الكشف عن التكنولوجيا والتعقيد التشغيلي؛

مصفوفة معقدة تدخل : حمض الدبالية في التربة 2500و3000 سمالبروتين في الأنسجة البيولوجية1650 سم⁻ سهلة مع البلاستيكC-Hتداخل القمم ، تحتاج إلى تصحيح من خلال تشتت متعدد )ماجستيرو المشتقة الأولى لا يزال من الصعب التدخل في تحسين البيانات الطيفية .

غياب التوحيد : هناك فرق في الحصول على البيانات الطيفية ( على سبيل المثال ، القرار ، مسح مرة والخلفية خصم ) بين مختلف العلامات التجارية ( على سبيل المثال ، بروك ، بيركن إلمر ، سيميرفيلد ) .الايزوالجمعية الأمريكية للاختبارات والمواد )أستموضع معايير موحدة وطرق الاختبار .

رابعاً - التقدم المحرز والاتجاهات المستقبلية : الابتكار التكنولوجي الذي يدفع إلى تحسين قدرات الكشف

في السنوات الأخيرة ، مايكرو مطياف الأشعة تحت الحمراء " الاستخدام المشترك ، ذكي ، nanocrystallization " اتجاه التنمية السريعة ، باستمرار كسر حدود التكنولوجيا التقليدية .

1. الجمع بين التكنولوجيا : توسيع نطاق الكشف عن أبعاد وحساسية

الأشعة تحت الحمراء الصغيرة -رامان الطيفي بالأشعة تحت الحمراء الصغيرة-الجمع بين نظام رامان ، وكسر من خلال الحد من عدد موجة واحدة تقنية الطيف الطيف بالأشعة تحت الحمراء )4000و400 سم⁻ التعرف على المجموعات الوظيفية ، أطياف رامان )50و3200 سم⁻¹ ) تكملة المعلومات الجزيئية هيكل عظمي ، زيادة كبيرة في الفلور التي تحتوي على البلاستيك ( على سبيل المثال ، بولي تترافلوروإيثيلين ) .PTFEحساسية الكشف عن العضوية البلاستيك مخدر .

تيراهيرتز -الأشعة تحت الحمراء : استخدام0.1و3 ثيراهرتزموجة تيراهيرتز الاختراق ، يمكن الكشف عن المواد المضافة داخل البلاستيك ( مثلDOPالأشعة فوق البنفسجية استقرار5 ممحل مشكلة " الكشف عن السطح لا يمكن أن تعكس المكونات الداخلية " .

2. الذكاء : تحسين كفاءة التحليل الآلي

الذكاء الاصطناعيالتعرف الطيفي المساعد : بناء على الإلتواء الشبكات العصبية )سي إن إنبناء نموذج تصنيف الجسيماتريسنت-50تغطية مجموعة التدريب5000 +إن microplastics يمكن تصنيفها تلقائيا حسب نوع وحجم الجسيمات ، والشيخوخة درجة ، مع دقة عالية .98%الحد بشكل كبير من الأخطاء في التفسير اليدوي .

سحابة منصة تكامل البيانات : مطياف دعم نظام إدارة المعلومات المختبرية )ليمسالكشف عن البيانات التي يمكن تحميلها إلى قاعدة بيانات سحابة في الوقت الحقيقي ، والتي يمكن أن تدعم تحليل متعدد المختبرات التعاونية عبر الإقليمية مقارنة البيانات ، وتوفير الدعم التقني من أجل بناء خريطة التلوث العالمي من البلاستيك الصغيرة . . . . . . .

خاتمة

مطياف الأشعة تحت الحمراء الصغيرة " تحديد المستوى الجزيئي " و " ميكرون المستوى لتحديد المواقع " أصبحت التكنولوجيا الأساسية أداة microplastic التلوث ، من الرصد البيئي إلى تقييم المخاطر الصحية تلعب دورا لا غنى عنه . في المستقبل ، جنبا إلى جنب مع الابتكار المستمر في التكنولوجيا المشتركة ، عمق الأمثل خوارزمية الذكاء الاصطناعي ، وتحسين نظام الكشف الموحد ، هذه التكنولوجيا سوف كسر من خلال الحد الأدنى من حجم الجسيمات مصفوفة تدخل عنق الزجاجة ، وتوفير المزيد من الدعم القوي من أجل تتبع مصدر التلوث وإدارة المخاطر من البلاستيك الصغيرة . . . . . . .