Velmi rychlá analýza mikroplastů přímo z pozlaceného filtru pomocí systému Agilent 8700 LDIR

Aktuálně můžeme pozorovat, že je stále více investováno do udržitelných praktik jako je obnovitelná energie, snižování objemu odpadu či recyklace materiálů, a to díky obecnému povědomí o dopadu průmyslu na životní prostředí. Objem plastového odpadu je skutečným problémem, momentálně je odhadováno, že se ve světových oceánech nachází přes 5,25 trilionu plastových částic. Procesem degradace se tento plastový odpad stává hlavním zdrojem znečištění životního prostředí mikroplasty. Mnoho vědců shoduje na negativním dopadu mikroplastů (velikost 1 μm až 5 mm) na ekosystémy, je tedy třeba dobře znát primární zdroje tohoto znečištění.

Charakterizace mikroplastů je velmi náročná, především protože u typických vzorků se jedná o vysoké počty částic na poměrně velké ploše, přes kterou jsou rozprostřeny. Ve vzorcích ze životního prostředí jako je voda nalezneme tisíce částic mikroplastů, které jsou smíchány s různými typy částic neplastové povahy jako je písek a organický odpad. 

Při analýze mikroplastů ve vzorcích o velkém objemu lze zvolit postup, kdy je zkoumána pouze část vzorku a získané výsledky jsou extrapolo-vány. Tyto výsledky zpravidla nebývají příliš přesné vzhledem k náhod­nému charakteru výběru analyzované části vzorku.

Pro analýzu celého objemu vzorků s tisícovkami mikroplastových částic bylo doposud používáno několik technik s různým stupněm úspěchu. Jendou z možností je technika FTIR mikroskopie, která umožňuje mapovat poměrně velkou plochu vzorku, jako je třeba mikroskopické sklíčko, ovšem to většinou trvá několik dnů. Technika Ramanovy mikro­skopie je rychlejší, ale s nevýhodou problémů pocházejících především z interferencí způsobených fluorescencí.

Agilent vyvinul systém 8700 LDIR využívající technologii s takzva­ným „Quantum Cascade Laser (QCL)“ vhodný pro chemický imaging. Použitá technologie dokáže překonat právě výše uvedené nevýhody technik FTIR a Raman. Agilent 8700 LDIR nabízí plně automatizova­nou analýzu vzorků s tisící částic mikroplastů, kterou zvládne v rámci minut až hodin namísto dnů až týdnů (obr. 1).

Technologie LDIR nabízí komplexní výsledky v krátkém čase a je velmi vhodná pro výzkum mikroplastů. 

8700 LDIR využívá jako zdroj IČ záření laditelný QCL. Rozsah tohoto ultra jasného laseru pracuje ve střední infračervené oblasti (MIR) v rozmezí od 1 800 do 900 cm–1, jinak řečeno jedná se o takzvanou oblast otisku prstu. V této oblasti jsou všechny známé organické látky spektroskopicky aktivní a každá molekula v této oblasti vykazuje uni­kátní absorpční pásy. LDIR je tedy technikou, která se skvěle hodí pro analýzu mikroplastů. QCL zdroj záření dovoluje velmi rychle proměřit vzorek pouze při vlnové délce specifické pro mikroplasty a umožňuje tak velmi rychlou lokaci mikroplastových částic skrz celou plochu vzorku. Poté software automaticky zobrazí rozvržení částic mikroplastů a nabízí tak rychlou kategorizaci částic právě dle velikosti. 8700 LDIR je vybaven dvěma vysoce kvalitními vizuálními kamerami, jedna s vysokou a druhá s nízkou magnifikací. Agilent 8700 LDIR je jedinečnou plně automatizovanou technologií pro analýzu mikroplastů a je vhodná jak pro zkušené vědce, tak ale i pro kohokoliv jiného, protože není potřeba mnoho odborných zkušeností, jako je to u ostatních tradičních technik.

Experimentální část

Konkrétním příkladem je analýza mikroplastů pocházejících z PET lahví měřené na zlaceném filtru.

Vzorek byl připraven rozdrcením části plastové lahve na velmi jemný prášek. Tento prášek byl umístěn do vialky s ethanolem a byl přes noc intenzivně třepán. Poté byly alikvoty malého objemu napipetovány do 5 ml ethanolu. Ze vzniklého roztoku byly připraveny dva druhy vzorků.

První vzorek byl připraven nanesením několika 10 μl alikvotů na IČ reflektivní sklíčko. Poté byl vzorek ponechán při laboratorní teplotě tak, aby se ethanol před analýzou odpařil.

Druhý vzorek byl připraven filtrováním přes pozlacený typ filtru pomocí vakuové filtrační aparatury s použitím skleněné frity s malými póry (obr. 2).

Filtr byl před filtrací lehce navlhčeni deionizovanou vodou, při použití tlaku 700 mbar bylo 15 ml vzorku přefiltrováno za 30 sekund.

Filtr byl pak už jen opatrně přenesen na dedikovaný držák, kde byl pak jednoduchým způsobem filtr zafixován (obr. 3). Byly analyzovány dva filtry zároveň.

Postup analýzy částic

Byl použit plně automatizovaný postup definovaný v softwaru Clarity, a to pro oba typy vzorků. Tento postup automaticky identifikuje všechny částice přes celou plochu, která je vybrána uživatelem. Automaticky jsou obkresleny hranice každé částice, která je identifikována a je k dispozici i její vizuální fotografický záznam. Poté dojde k porovnání infračer­vených spekter částic s příslušnou knihovnou spekter a je potvrzena totožnost částic na základě tohoto porovnání. Parametry procesu jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1: Nastavení parametrů analýzy v softwaru Clarity

Výsledky a diskuse

Díky 8700 LDIR byly úspěšně identifikovány PET mikroplastové částice, a to jak pro případ IČ reflektivního sklíčka, tak i pro pozlacený filtr. Díky vysoké odrazivosti povrchu obou nosičů vzorků bylo dosaženo skvělé spektrální odezvy a kontrastu, stejně jako bylo dosaženo velmi ostrých IČ i viditelných obrazů částic.

Metoda A: Postup analýzy částic na sklíčku s vysokou IČ odrazivostí

Počet detekovaných částic v tomto případě byl 7 949 se škálou velikostí od 10 do 486 um.

95,2 % z tohoto počtu bylo správně identifikováno jako PET, 4,6 % byl polyamid a zanedbatelný počet částic odpovídal stopovým kontami-nantům (polyuretan, polypropylen a několik dalších). Výsledky jsou zobrazeny na obr. 4.

Výhoda analýzy na sklíčku tkví především ve velikosti měřeného po-vrchu (v tomto případě 60 x 22,5 mm) a také v charakterizaci vysokého počtu částic. Výhodou je i minimální úsilí analytika, které je potřeba od vložení sklíčka do přístroje.

Metoda B: Postup analýzy částic na pozlaceném filtru.

Na prvním filtru bylo detekováno 4 384 částic s rozsahem velikostí od 11 do 413 μm. U tohoto filtru bylo 99,2 % částic identifikováno jako PET a zbylé částice odpovídaly polyamidu, polypropylenu a dalším (obr. 5).

Na druhém filtru bylo detekováno 5411 částic, jejichž 98,4 % bylo identifikováno jako PET a méně než 1,6 % odpovídalo polyamidu a dalším (obr. 5).

Výhodou možnosti měření přímo na filtru je zjednodušení procesu a minimalizace možnosti kontaminace, která může vzniknout při přenosu vzorku na sklíčko. Lze měřit dva filtry se stejnými parametry použité měřící metody, ale rovněž lze každý filtr měřit dvěma rozdílnými metodami. SW pak může filtry automaticky měřit v sérii. I díky tomu je efektivita a produktivita analýz velmi vysoká.

Hit Qality Index

V rámci SW Clarity si může analytik ověřit kvalitu identifikace částic, a to díky použití tzv. Hit Quality indexu. Pokud je hodnota indexu rovna 1, tak se jedná o identické spektrum jako je v knihovně spekter. Pro většinu identifikovaných PET spekter se hodnota indexu pohybovala nad 0,8, což lze považovat za vysokou jistotu správné identifikace.

Závěr

Při analýze mikroplastů pocházejících z PET lahví byl použit systém Agilent 8700 LDIR. Částice byly analyzovány na IČ reflektivním sklíčku a na dvou pozlacených filtrech umístěných přímo v dedikovaném držáku.

Data byla automatický získána pomocí metody v softwaru Clarity a knihovny spekter vyvinuté speciálně pro analýzu mikroplastů.

Získaná data dosahovala vysoké úrovně správnosti a spolehlivosti, v případě sklíčka to byla správnost 95,2 % a u filtrů se jednalo o hodnoty 99,2 % a 98,4 %. Je tedy vidět že systém 8700 LDIR je velmi flexibilní a lze snadno analyzovat vzorky připravené odlišným způsobem.

V porovnání s klasickými technikami analýzy mikroplastů jako je FTIR a Raman můžeme u LDIR zaznamenat velmi výraznou časovou úsporu a také možnost snadné analýzy i velkých ploch vzorků s vysokým počtem částic. V případě použití techniky měření přímo na pozlacených filtrech lze dosáhnou ještě vyšší správnosti a jednoduchosti přípravy vzorku. Oproti klasickým mikroskopickým technikám můžeme dosáhnout i velmi vysokého stupně automatizace.

Díky těmto výše zmíněným vlastnostem je Agilent 8700 LDIR skvělým nástrojem a přínosem pro výzkum a analýzu mikroplastů.

Literatura

[1] XiaoZhi, L. Microplastics Are Everywhere – But Are They Harmful?, Nature, 4 May 2021, https://www.nature.com/articles/d41586-021- 01143-3

[2] Schymanski, D. et al. Analysis of Microplastics in Drinking Water and Other Clean Water Samples With Micro Raman and Micro­-Infrared Spectroscopy: Minimum Requirements and Best Practice Guidelines, Anal. Bioanal. Chem. 413, 5969–5994, 2021, https:// doi.org/10.1007/s00216-021-03498-y

[3] Danence, L. et al. Quick and Easy Characterization of Microplastics in Surface Water and Treated Effluent, Agilent publication number 5994-3932EN