纳米红外（光诱导力显微镜）- 微塑料检测、组成与分布研究

微塑料的定义为长度小于5 mm的塑料碎片。进入环境之前小于5 mm的碎片称为初生微塑料，进入环境后发生降解而产生小于5 mm的碎片称次生微塑料。目前微塑料已经遍布于全球每一个角落，甚至在人类身体中也发现了微塑料。据估计，2014年有15至51万亿件微塑料(重量在9.3至23.6万吨之间)存在于世界海洋中^【1】。微塑料可以进一步降解为尺寸在100至1000 nm的纳米塑料。虽然微/纳米塑料的影响仍在被进一步研究，但纳米塑料被认为对环境和人类的健康构成了更大的风险，因为纳米塑料可以穿过细胞膜进入周边组织及循环系统产生细胞和分子层面上的毒性效应。

微/纳米塑料的常规分析方法：

由于微/纳米塑料的尺寸较小, 在微/纳米塑料的材料组成、分布及对环境和生物的影响等方面研究相对较少。当研究的微塑料的尺寸大于10 μm，可以选择傅里叶红外光谱(FTIR)。当尺寸降至10至1 μm，FTIR在空间分辨率上就存在了一定的限制，拉曼光谱(Raman)可以替代FTIR研究更小尺寸的微塑料，尽管相较于FTIR，其存在一些例如背景荧光、低信号、成像时间长等缺点^【2】。

光诱导力显微镜：

Photo-induced Force Microscope, PiFM可以实现10 nm以下空间分辨的光谱采集与红外化学成像，非常适合用来表征微/纳米塑料的组成与分布。其大致原理和结构图如下：一束脉冲激光激发至样品和针尖，样品吸收特定波长的激发光后与针尖尖端形成偶极与偶极(电子云与电子云)的交互即样品吸收特定红外波长后所产生的偶极矩变化。探针悬臂通过振幅或频率调制可以获得表面形貌图、PiFM光诱导力图/红外化学成像(材料分布)、光谱采集(材料组成)。

光诱导力显微镜测量微/纳米塑料的优势：

• 对于微/纳米塑料的尺寸和化学成分进行归类。

• 识别有机和无机纳米颗粒，最小可测量5 nm的颗粒。

• 能够“透视”生物污染物薄层以识别隐含的纳米颗粒。

• 光谱数据可以与FTIR进行比对。

• 极好的灵敏度，无荧光干扰。

• 制样简单，无损测量。

光诱导力显微镜在微/纳米塑料领域的应用案例：

以下为包含四种不同纳米颗粒的样品案例分析，颗粒分别为PTFE、PMMA、PS 和金。纳米颗粒滴铸在聚赖氨酸化衬底上。如下图所示，我们先对样品进行初步的形貌测量以获得二维和三维的形貌图(Topography)，从而确定测量区域。而普通的(光学)显微镜则无法识别下图中的那些小颗粒。

然后我们在形貌图上选择不同的颗粒进行光谱采集，下图显示了光谱采集的位置。将光诱导力(PiF-IR)光谱与FTIR光谱进行比对后，可以识别不同颗粒的化学成分，其中绿色的光谱为PTFE，红色的光谱为PS，蓝色的光谱为PMMA。

在确定完颗粒的化学成分后，我们利用不同颗粒的红外特征吸收对它们的分布进行成像。如下图所示，激光器分别选取1732 cm⁻¹, 1158 cm⁻¹, 1493 cm⁻¹来确定PMMA, PTFE, PS的分布。确定金纳米颗粒的分布更具挑战性，因为金没有红外特征吸收。然而由于电磁场增强效应，当针尖位于金上方时会产生更高的光诱导力(PiFM)信号。由于其它三种颗粒在1800 cm^-1没有红外特征吸收，因此我们选择用1800 cm⁻¹来确定金纳米颗粒的分布。

接下来，我们对于纳米颗粒的大小进行分析。如下图所示，我们选取了四个不同种类颗粒的横截面。考虑到探针尖端的曲率半径会扩大颗粒的横向尺寸，对于球形颗粒，高度测量更接近颗粒的横向尺寸。因此，我们选用高度测量来分析颗粒的大小，其中PTFE、PMMA、PS和金纳米颗粒的尺寸分别为190 nm, 40 nm, 70 nm, 10 nm。

最后我们把不同纳米颗粒的分布以不同颜色进行标注并统一叠加在形貌图上，其中蓝色代表PMMA，红色代表PS，绿色代表PTFE与金，从而以一张图的形式直观展示了纳米颗粒的形貌、尺寸、成分与分布情况。该样品测试案例很好的说明了光诱导力显微镜对于复杂纳米颗粒体系的分析能力，可以识别与测量微/纳米塑料以及其它有机与无机纳米颗粒的成分与尺寸^【3】，具有其它仪器前所未有的空间分辨率^【4】。也预示着光诱导力显微镜将在地球化学、环境化学、环境生物化学、环境法医学、海洋化学^{【5】【6】}等领域发挥不可替代的作用。

参考文献：

1. Sebille, Erik van. "Far moremicroplastics floating in oceans than thought". The Conversation.Retrieved 2021.07.07.

2. C. F. Araujo et al., Identification of microplasticsusing Raman spectroscopy: Latest developments and future prospects, WaterResearch 142, 426 (2018).

3. Junghoon Jahng et al., Direct ChemicalImaging of Ligand-Functionalized Single Nanoparticles by Photoinduced ForceMicroscopy, J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 14, 5785–5791.

4.  For more application notes on inorganics andbiological samples, visit https://molecularvista.com/ applications/.

5. Iris C. ten Have et al., Photoinduced ForceMicroscopy as an Efficient Method Towards the Detection of Nanoplastics, Chem.Methods 2021 Volume1, Issue5.

6.  Jingbo Nan et al., The nanogeochemistry ofabiotic carbonaceous matter in serpentinites from the Yap Trench, westernPacific Ocean, Geology (2021) 49 (3): 330–334.

Vista OnePlatform:

Visible~ IR chemical imaging and spectroscopy, E-field imaging, photovoltage/currentimaging with sub-10 nm spatial resolution.

Alsobeing combined with Confocal Raman, PL imaging and other kinds of far fieldspectroscopy and optical microscopy.