拉曼光谱揭秘海洋塑料微粒污染

拉曼光谱法被证明在评估海洋环境中塑料微粒的分布范围和潜在环境威胁方面具有重要价值。在一项研究中，日本冲绳科学技术研究所（OIST）的研究人员将微拉曼光谱与光镊技术结合在一起，以海水中微塑料浓度和组分（Sci. Total Environ., doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143927）。以色列，法国和美国的科学家在另一项研究中使用拉曼光谱评估了远海地区悬停在海平面上方的空气中塑料微粒的浓度（Commun. Earth. Environ.，doi：10.1038 / s43247-020- 00061-y）。

?溶解在海水样品中的塑料微粒。

光镊和拉曼光谱技术共同实现塑料微粒识别

近年来，海洋领域塑料污染问题日益引起人们的关注。尺寸小于5毫米的塑料颗粒已成为光学研究的重点，直径小于20 µm的小型微塑料对海洋生态系统和生物体具有潜在的，很大程度上未被完全量化的生物危害和毒性。

在光学技术中，拉曼光谱在研究这些小型微塑料中起着关键作用。拉曼光谱的原理是光子对分子的非弹性散射（即拉曼散射）引起与分子的振动模相关的能量转移，由此产生的散射光光谱提供了有关分子结构和化学组成的信息。拉曼非常适合研究小型微塑料，一方面是因为它具有更高的空间分辨率（约1 µm），另一方面其具有更宽的光谱范围以及一些相对于流行的傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪的其他优势。

然而，当这些细小颗粒悬浮在海水中时，研究人员是很难捕获它们进行拉曼分析的。因此，使用拉曼研究海水中微塑料通常要先从海水中过滤掉颗粒，以便在实验室进行“干式”研究。这是一个双重缺点，因为过滤过程会大大降低分析速度，并且还会将塑料带出海水基质，从而有可能使分析发生偏差。

OIST小组使用的实验装置，以及海水样品中提取的15 µm聚乙烯颗粒的拉曼光谱。

为了解决这些问题，OIST的研究团队将目光投向了诺贝尔奖得主：光镊。他们将拉曼光谱与光镊结合实现了塑料微粒的捕获和检测。

实验装置是一束532 nm Nd：YAG激光束通过高数值孔径的显微镜物镜发射到海水样品中，既起到了捕获激光的作用，又将悬浮的微塑料颗粒保持在适当的位置，起到了双重作用。装置中的一台商用微拉曼光谱仪收集拉曼信号的激发光束，然后读取拉曼信号以获取有关粒子化学成分的信息，然后CCD摄像头捕获粒子的形状和大小。

该光镊拉曼结合装置置，意味着在分析时不需要首先过滤掉塑料，因此研究人员可以看到有机体中是否包含了塑料，或者是任何痕量金属，以及海水中塑料的浓度。

OIST团队在冲绳附近的六个地点收集并分析了海水样本。

研究人员将该系统用于从冲绳附近六个地表水位置的微塑性海水溶液中。组合的光镊拉曼装置可以实时评估微塑料，结果表明，所采样的所有区域都存在溶解的微塑料，样品中平均颗粒浓度为17％，最高为25％。该研究还能了解塑料的浓度和组成如何随工业活动，捕鱼和人类居住的程度而变化。这项研究有助于影响环境研究和保护政策。

空气中的塑料微粒

另一个研究小组，以色列魏兹曼科学研究所，法国索邦大学，以及美国缅因大学的研究人员使用拉曼光谱学研究了不溶解在海洋中但在海洋上方的以浮质形式存在的微塑料。先前的研究在近海水域上方观察到了空气中的微粒塑料微粒，该研究小组将进一步寻找这些微粒子是否被带到偏远的原始海洋地区的证据。

为了找出答案，研究人员在研究用纵帆船塔拉号航行期间，在北大西洋的偏远地区收集了气溶胶样品。回到实验室后，研究小组随后使用显微拉曼光谱法对气溶胶样品进行化学表征。

研究小组发现，这些偏远水域上方的大气本身充满了微塑性颗粒，这是令人担忧的，但也许并不令人惊讶，这些微颗粒最初可能来自塑料袋和其他数百公里外丢弃的塑料废物，并被气流带到遥远的地方。研究小组认为，其分析仅限于大于5μm的颗粒，因此可能低估了这些偏远海域空气中塑料微粒的浓度。

该研究团队的Ilan Koren认为，拉曼分析表明这些微小的塑料在偏远海洋中普遍存在，这预示人们需对遏制和减少海洋中的微塑料污染的作出更大的努力。与所有气溶胶一样，微塑料由于与大气的其他部分相互作用而成为大型行星循环的一部分，例如，碳和氧。由于它们既轻巧又使用寿命长，即使我们不向海洋中添加任何其他塑料，由于污染海洋的塑料分解，我们将看到更多在空气中传播的塑料微粒。