使用紅外顯微鏡檢測和鑒別化妝品配方中 微小的塑料顆粒

介紹 據(jù)估計全球的海洋中有超過 1.5 億噸的塑料垃 圾。這些污染大部分來源于丟棄的飲料瓶和塑料 袋。然而，越來越多人投入研究更微小的塑料顆 粒對河流以及海洋中的生物的危害。 很多化妝品產(chǎn)品，例如面部去角質(zhì)霜，牙膏和沐浴露，目前都含有微小的塑料顆粒作為磨 砂材料。這種塑料微粒大小在 0.1-1 mm 之間，沖到水槽后由于太小了不能被污水處理廠 過濾，最終進(jìn)入河流和海洋。這些微小的塑料顆粒會被海洋生物以及魚類攝取，最終經(jīng)過 食物鏈會被人類食用。 在 2014 年美國許多州都禁止在化妝品配方中使用塑料微粒，并且大多數(shù)化妝品公司也主 動淘汰添加微小的塑料顆粒。 紅外（IR）光譜是一種已經(jīng)建立的鑒定高分材料的技術(shù)，并且已經(jīng)廣泛用于鑒別大的（100 um 以上）高分子材料。Spectrum Two 是一款便攜式 FT-IR 光譜儀，可以使用電池供電 攜帶到船上做快速塑料的鑒別；對于只有幾個微米的塑料微粒，紅外顯微鏡可以用于這些 材料的檢測和鑒別。

使用 Spotlight™ 200i 紅外顯微系統(tǒng)檢測兩種市場上的 化妝品內(nèi)是否含有微小的塑料顆粒作為去角質(zhì)成分以及 鑒別所用塑料的類別。 產(chǎn)品 1 是一種市面上的面部去角質(zhì)霜。產(chǎn)品 2 是身體去 角質(zhì)霜。每種產(chǎn)品均與熱水混合使其將配方中的可溶性 成分溶解出來。得到的溶液經(jīng)過 50 um 的濾膜過濾，收 集 50um 以上的不溶性成分。然后將濾膜在空氣中干燥 之后用紅外顯微鏡檢測。我們直接檢測了在濾膜上的微 粒同時也將微粒轉(zhuǎn)移到紅外透射窗片放到顯微鏡樣品架 上檢測。收集的塑料顆粒樣品的可見圖像如圖 1a 和 1b。

從樣品的可見圖像上可以明顯看出產(chǎn)品 1 中含有兩種不同顏 色的不規(guī)則的塑料微粒。產(chǎn)品 2 中的塑料微粒呈現(xiàn)規(guī)則的球 體，通過圖 1b 可以估計直徑約為 50-80 um。這些材料的紅外 光譜圖既可以用紅外顯微鏡的透射模式也可以用反射模式進(jìn) 行采集。圖 1a 中提取一個顆粒（直接在濾膜上）采集的紅外 譜圖如圖 2.

透射譜圖的信號遠(yuǎn)大于反射譜圖，并且靈敏度也更高。另外,事 實上反射法紅外光束是有效地接觸樣品兩次，即穿透反射，反 射法的吸收譜帶應(yīng)該是更強(qiáng)的。對于很小的顆粒這個很容易發(fā) 生；但是對于大的顆粒由于路徑太長以至于 飽和吸收帶的產(chǎn) 生，從而導(dǎo)致譜圖鑒別很困難。 然后，對于這個檢測，從透射和反射譜圖上鑒別材料都是 有 可能的。濾膜可能會干擾透射測量，略微減少了到達(dá)檢 測器 的能量。這就是為什么光譜圖中有基線的傾斜，但是對總體的 譜圖采集不會產(chǎn)生顯著影響。為了獲得光 譜圖，可以 將樣品轉(zhuǎn)移到紅外透射窗片上，如 KBr 窗片。將一個 KBr 窗 片放置到帶有樣品的濾膜上，將濾膜倒置過來從而 將塑料微 粒直接轉(zhuǎn)移到 KBr 窗片上。

產(chǎn)品 1 的可見圖像掃描區(qū)域包括了大部分的顆粒。選擇 Spectrum 10 軟件中的“分析圖像”功能，軟件會調(diào)用智 能自動化的程序檢測可見圖像中的顆粒，得到“分析圖像 結(jié)果”如下圖 3 所示。

該程序?qū)詣訖z測可見圖像中每一個顆粒并且自動標(biāo) 記出需要檢測的區(qū)域。然后程序會自動計算適合檢測每個 粒子的最大光闌尺寸，因此在掃描數(shù)據(jù)時最大限度地提高 了信噪比。在過去，靠手動標(biāo)記需要檢測的區(qū)域和設(shè)置光 闌大小花費大量的時間。點擊“掃描標(biāo)記點”啟動每個顆 粒透射光譜的采集（使用相同大小的光闌采集背景），軟 件會實時顯示采集的光譜圖。使用軟件數(shù)據(jù)處理程序如檢 索，比較和驗證等功能可以自動處理譜圖，這些譜圖處理 可以在運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的同時執(zhí)行。該方法還可以針對于你 每個塑料顆粒直接從高分子專業(yè)譜庫中進(jìn)行譜圖檢索從 而鑒別塑料的種類。鑒別結(jié)果的截屏如圖 4 所示。

結(jié)果顯示產(chǎn)品 1 中含有兩種不同類型的聚合物，聚丙烯和聚 乙烯。產(chǎn)品 2 中只含有聚乙烯顆粒。圖 5 為顆粒的代表紅外 光譜圖。聚乙烯光譜在兩種產(chǎn)品中表現(xiàn)出微小的差異,很大 可能是由于添加劑的干擾。

總結(jié) 微小的塑料顆粒對環(huán)境的危害問題越來越受到關(guān)注，而且這 些微小的塑料顆粒在越來越多的消費產(chǎn)品中被禁止使用。上 述實驗數(shù)據(jù)顯示自動的紅外顯微鏡系統(tǒng)是一種檢測和鑒別 化妝品中微小的塑料顆粒非常重要的手段。我們將會用同樣 的方法去分析歐洲河流系統(tǒng)中收集到的微小塑料顆粒，從而 闡明這種分布廣泛的環(huán)境污染問題。