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410000051-B

2023-11

顕微ラマン分光計による海水中のマイクロプラスチックの種類の識別

Quick identification of environmental microplastic particles


概要

マイクロプラスチックは、長期的な影響については完全には理解されていませんが、環境衛生・安全上の懸念事項となっています。マイクロプラスチックは、大きさが5 mm以下のプラスチックごみと定義され、海洋ゴミの中で最も多い形態です[1,2]。マイクロプラスチックは、一次的なものと二次的なものに分類されます。一次的なマイクロプラスチックには、繊維やビーズなどの小型の製造品が含まれます[3]。二次的なマイクロプラスチックには、物理的、化学的、生物学的プロセスの組み合わせによって形成された破片が含まれます[3]。

研究機関は、環境サンプルから候補となるマイクロプラスチックを日常的に分析する能力を拡大する必要があります。起源の特定を助け、生物学的影響の予測に役立つため、分光技術はポリマーの同定に適しています。実験室でのラマン分光法は、共焦点ラマン顕微鏡やフーリエ変換赤外(FTIR)顕微鏡に代わる、ポリマー材料の迅速な同定を可能にする手法です。しかし、非常に小さなサンプルは、従来のラマン分析には適していません。このアプリケーションノートでは、非常に小さなマイクロプラスチック粒子の同定にラマン顕微鏡を使用しました。


装置紹介


はじめに

ラマン分光法には多くの利点があり、様々な用途に適応できます。ラマン顕微鏡は、マイクロプラスチックの同定に頻繁に使用されるもう一つの技術であるFTIRよりも、小さな粒子(<100μm)のサンプリングが簡単です。ラマンシステムは、他のほとんどの技術よりも携帯性に優れているため、現場で直接検査が可能です。

染料による干渉を除けば、ポリマーやプラスチックはラマン分析に適しています。図1は、波長1064 nmの励起光で測定したポリエチレンとポリプロピレンのラマンスペクトルです。スペクトルの特徴から、プラスチックは明確に区別できます。

Raman spectra of polypropylene (top) and polyethylene  (bottom). Spectra are manually offset for visual clarification.
図1. ポリプロピレン(上)およびポリエチレン(下)のラマンスペクトル 視覚的な明確化のためにスペクトルは手動でオフセットされています

このアプリケーションノートでは、河口域の表層水から回収されたマイクロプラスチックの同定に、携帯型ラマン顕微鏡を使用することを検討します。


実験

水サンプルはデラウェア湾(米国)の表層水から採取しました。その後、ガラス瓶に移し、4%ホルムアルデヒドで固定しました。全サンプルをステンレス製ふるい(5000、1000、300μm)でサイズ分画しました。

300μmと1000μmのサンプルは90℃で一晩乾燥させました。乾燥後、湿式過酸化物酸化処理と密度分離処理により、消化された有機物からマイクロプラスチックを分離しました[4]。

マイクロプラスチックを200μmのニテックスメッシュに集め、乾燥させました。これらのサンプルを実体顕微鏡で観察し、各片にプラスチックの種類(断片、繊維、ビーズ、フィルム、発泡体、ゴムなど)を割り当てました。続いて、ラマン分光法によるプラスチックの同定を行いました。

表1. 実験パラメーター

装置 設定
i-Raman EX レーザー出力 <165 mW
BAC151 video microscope 積算時間 30 s–3 min
BWID software 平均化 1

すべての測定には、1064 nmレーザー励起のi-Raman® EXポータブルラマンシステムを使用しました(仕様は表1を参照)。1064 nmレーザー励起は、着色マイクロプラスチック試料の785 nmレーザー励起から生じるスペクトル蛍光を軽減します。

50倍の対物レンズ(作動距離9.15mm、スポットサイズ42μm)のBAC151Cビデオ顕微鏡をマイクロプラスチックの画像化に使用しました。レーザーの出力は、サンプルの焼き付きを避けるため、最大出力の50%以下(<165 mW)に保ちました。BWID®ソフトウェアは、プラスチックスペクトルの参照ライブラリと照合してマイクロプラスチックを同定するために使用しました。


結果

2次マイクロプラスチック

いくつかのマイクロプラスチック試料を分析しました。図2aは、得られたマイクロプラスチック中のサイズの大きい(直径約4.5mm)青いマイクロプラスチック片を示しています。この粒子の不規則な形状から、二次的なマイクロプラスチックである可能性が高いといえます。図2bは青いプラスチック片から採取したラマンスペクトルです。

 (a) Small blue plastic fragment (with American dime for  comparison) and (b) Raman spectrum acquired from the sample.
図2. 図2. (a) 青いプラスチック片(比較用のアメリカの10セント硬貨付) (b) サンプルから取得されたラマンスペクトル

BWIDソフトウェアは、未知物質の取得スペクトルを参照物質のライブラリと比較し、相関係数であるヒットクオリティインデックス(HQI)を生成します。計算にはスペクトルに一次導関数が適用されます。スペクトルライブラリの検索結果は、HQIが100から0(最も一致するものから最も一致しないもの)の順にランク付けされます。BWIDは様々なスペクトルライブラリと共に使用でき、カスタムライブラリの構築もサポートしています。

BWID は、図 2a の青い断片を、計算された HQI 95.7 (図 3) のポリエチレン (PE) の参照スペクトルにマッチさせ、強いスペクトル相関を示しました。

BWID match for polyethylene.
図3. BWIDによるポリエチレンの一致

1次マイクロプラスチック

図4aは、小さな球状ビーズ(図4b)から取得されたラマンスペクトルを示しています。このビーズは一次マイクロプラスチックである可能性が高いです。BWIDは、サンプルスペクトルをポリスチレンのリファレンススペクトルと一致させ、HQIは98.2でした。

. (a) Raman spectrum of polystyrene collected from (b) a  polystyrene bead.
図4. (a) ポリスチレンビーズ(b)から収集されたポリスチレンのラマンスペクトル

繊維はマイクロプラスチック粒子の重要で一般的なサブグループです。図5aは、細い着色繊維(図5b)から収集されたラマンスペクトルを示しています。BWIDは、サンプルのラマンスペクトルをポリプロピレンのリファレンススペクトルと一致させ、計算されたHQIは74.9でした。

BWID matched the Raman spectrum of  the sample to a reference spectrum of  polypropylene, with a calculated HQI of 74.9.
図5. (a)着色繊維(上)のラマンスペクトルとポリプロピレンのリファレンススペクトル(下)の比較、および(b) 着色繊維の顕微鏡画像 アスタリスクは、プラスチックに使用されている着色剤に起因するピークを示しています。

HQIが比較的低い値だったため、サンプルのスペクトルにおいてポリプロピレンに起因しないピークについてさらに調査を行いました。約1537 cm-1のピークと670-790 cm-1の弱いピークは、塩素化銅フタロシアニングリーン顔料のラマンスペクトルと一致します[5]。これは、試料の起源を決定するための有用な情報です。

マイクロプラスチックの概要

本研究で測定されたマイクロプラスチックを要約すると、サンプルは主にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンで構成されていました(表2)。決定的な結果が得られないものについては、ラマン測定が困難な材料である黒色のマイクロプラスチックです。

サンプルの劣化もまた、観察限界の理由のひとつです。試料の歪みや焼き付きを防ぐため、低いレーザー出力(最大出力の10%程度)を使用する必要があります。

表2. 検出結果の概要.

一致結果 サンプル数
ポリエチレン 11
ポリプロピレン 4
ポリスチレン 2
不明 5

結論

マイクロプラスチックは、人間の健康と環境に対する潜在的な脅威です。近い将来、マイクロプラスチックの確実な特性評価が重要な研究テーマとなるでしょう。ラマン顕微鏡は、これらのマイクロプラスチックを明確に同定するための効果的なツールです。

1064nmの励起は、プラスチックに使用されている色素からの蛍光を軽減します。ソフトウェア相関係数アルゴリズムは、プラスチック材料の簡単な同定に役立ちます。


謝辞

このアプリケーションノートの共著者であり、マイクロプラスチックサンプルを提供してくださったデラウェア大学海洋科学政策学部のジョナサン・H・コーエン氏とテイラー・ホフマン氏に感謝します。


参考文献

  1. Law, K. L. Plastics in the Marine Environment. Ann Rev Mar Sci 2017, 9, 205–229. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010816-060409.
  2. Galloway, T. S.; Cole, M.; Lewis, C. Interactions of Microplastic Debris throughout the Marine Ecosystem. Nat Ecol Evol 2017, 1 (5), 116. https://doi.org/10.1038/s41559-017-0116.
  3. Jambeck, J. R.; Geyer, R.; Wilcox, C.; et al. Plastic Waste Inputs from Land into the Ocean. Science 2015, 347 (6223), 768–771.
    https://doi.org/10.1126/science.1260352.
  4. Masura, J.; Baker, J.; Foster, G.; et al. Laboratory Methods for the Analysis of Microplastics in the Marine Environment: Recommendations for Quantifying Synthetic Particles in Waters and Sediments.; NOAA Technical Memorandum; Report NOS-OR&R-48; NOAA Marine Debris Division: Silver Spring, MD, 2015. https://doi.org/10.25607/OBP-604.
  5. Duran, A.; Franquelo, M. L.; Centeno, M. A.; et al. Forgery Detection on an Arabic Illuminated Manuscript by Micro-Raman and X-Ray Fluorescence Spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy 2011, 42 (1), 48–55. https://doi.org/10.1002/jrs.2644.
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