Microplastics (MPs) là một chất gây ô nhiễm môi trường toàn cầu, kích thước hạt kéo dài từ nano đến 5 mm, đa dạng về hình thái và dễ dàng hấp thụ các chất ô nhiễm khác để tạo thành một hệ thống ô nhiễm phức tạp. Các phương tiện phát hiện truyền thống thường tồn tại những hạn chế như "phân tích tách thành phần hình thái", "xử lý phá hủy mẫu" và rất khó để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu đa chiều của vi nhựa. Micro-Raman Spectroscopy, với độ phân giải không gian dưới micron, khả năng nhận dạng dấu vân tay rung phân tử và khả năng chống nhiễu nước, đã trở thành công nghệ cốt lõi trong phân tích chuỗi vi nhựa.

I. Nguyên tắc kỹ thuật: Giải mã lớp submicron của dấu vân tay rung phân tử

Trung tâm của quang phổ Raman vi mô là thông tin rung động phân tử của microplastic được chụp bằng "tán xạ không đàn hồi photon-phân tử", kết hợp với thiết kế quang học có độ phân giải cao để thực hiện chức năng kép "nhận dạng thành phần+định vị không gian", hệ thống công nghệ của nó có thể được chia thành hai phần của cơ chế tán xạ ánh sáng và quy trình giải mã phổ.

1.1 Cơ chế tán xạ quang và thiết kế phần cứng cốt lõi

Khi một tia laser bước sóng cụ thể (thường là 532 nm hoặc 785 nm) chiếu vào các hạt vi nhựa, năng lượng photon tương tác với mức rung phân tử tạo ra sự dịch chuyển năng lượng (tức là "dịch chuyển Raman") và sự khác biệt về cấu trúc phân tử của các hạt vi nhựa vật liệu khác nhau tạo thành một "phổ vân tay Raman" độc đáo (như sơ đồ 1a). Để đạt được phát hiện độ nhạy cao, hệ thống tối ưu hóa hiệu suất thông qua ba thiết kế phần cứng cốt lõi:

·Mô-đun laser bước sóng kép: laser 532 nm thích hợp cho các mẫu nền huỳnh quang thấp (chẳng hạn như các hạt PE trong đất); Laser hồng ngoại gần 785 nm có thể ức chế đáng kể huỳnh quang tự phát của các mô sinh học và giảm thiệt hại nhiệt cho các mẫu xuống *<0,5 ° C *, thích hợp để phát hiện vi nhựa trong cơ thể sống.

·Hệ thống đường dẫn ánh sáng co-focus: sử dụng kết hợp lỗ kim 20μm với mục tiêu 50x50 (NA=0,9), có thể lọc hiệu quả ánh sáng nhiễu loạn, đạt được độ phân giải ngang 1μm và độ phân giải trục 3μm, định vị chính xác vị trí không gian của vi nhựa.

·Công nghệ phát hiện EM-CCD: Máy dò loại làm lạnh (nhiệt độ hoạt động - 70 ℃) nâng tỷ lệ tín hiệu tiếng ồn của hệ thống lên *>80 dB**, độ chính xác phát hiện số sóng lên tới 0,1 cm⁻U, có thể thu được tín hiệu Raman yếu với nồng độ vi nhựa thấp.

1.2 Giải mã phổ và trích xuất thông tin đa chiều

Thông qua quá trình thu thập và xử lý dữ liệu thông minh, việc phân tích thông tin đa chiều có thể đạt được từ "hạt đơn" đến "mẫu vĩ mô":

·Phân tích mục tiêu điểm đơn: Tích hợp 10 s tại điểm 50 μm², loại bỏ tiếng ồn kết hợp với thuật toán làm mịn Savitzky-Golay, với độ chính xác 94% (n=200) trong việc xác định đỉnh đặc trưng của microplastic phổ biến như PE (2845 cm⁻), PVC (638 cm⁻).

·Hình ảnh lập bản đồ không gian: quét bước 2 μm của mẫu màng lọc 47 mm, tạo ra một bản đồ nhiệt phân bố hóa học của microplastic (ví dụ: sơ đồ 2b) và tính toán đồng bộ các thông số phân bố kích thước hạt (ví dụ: D10=5 μm, D50=32 μm trong trường hợp thực tế).

·Kết hợp đa phương thức: Tích hợp mô-đun hồng ngoại hiển vi (μ-FTIR) để đạt được cùng một khu vực "tán xạ Raman+hấp thụ hồng ngoại" phát hiện đồng bộ, bù đắp cho các điểm mù nhận dạng của công nghệ quang phổ đơn lẻ (chẳng hạn như Raman nhạy cảm với các phím không phân cực và IR nhạy cảm với các phím phân cực).

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

Công nghệ Micro Raman với ưu điểm "kiểm tra không phá hủy", "chống nhiễu", "độ phân giải cao", đã bao gồm phân tích toàn bộ chuỗi ô nhiễm vi nhựa "theo dõi môi trường - rủi ro sinh học - an toàn thực phẩm", kịch bản ứng dụng điển hình như sau:

2.1 Phân tích môi trường

Đối với các chất nền môi trường khác nhau như nước biển, đất và khí quyển, bằng cách tối ưu hóa các phương pháp tiền xử lý, có thể đạt được việc phát hiện và tìm nguồn thành phần hiệu quả của vi nhựa, các thông số và trường hợp cụ thể được trình bày trong Bảng 1:

2.2 Đánh giá rủi ro sinh học

Tập trung vào sự tích tụ sinh học và tác dụng độc hại của vi nhựa, công nghệ cho phép "định vị trong cơ thể+phân tích độc tính":

·Nghiên cứu tiếp xúc với con người: Năm 2024, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã sử dụng laser 785 nm để tránh nhiễu huỳnh quang sinh học và phát hiện ra 12 vi nhựa PE (<10μm) trong mô nhau thai của con người, xác nhận rằng vi nhựa có thể được truyền qua mẹ đến thai nhi.

·Phân tích độc lý tế bào đơn: Hệ thống AIRsight theo dõi các hạt PS (polystyrene) trong đại thực bào (đỉnh đặc trưng 1002 cm⁻) và phân tích mức độ thiệt hại của vi nhựa đối với cấu trúc màng tế bào thông qua những thay đổi dịch chuyển trong vành đai protein amide I (1650 cm⁻).

2.3 Kiểm soát an toàn thực phẩm

Đối với ô nhiễm vi nhựa của vật liệu tiếp xúc thực phẩm và thực phẩm chính nó, cung cấp các chương trình phát hiện chính xác:

·Phát hiện di chuyển: Mô phỏng kịch bản sử dụng chai sữa PP (polypropylene), phát hiện các hạt vi nhựa 2-8μm trong chất lỏng mô phỏng, tính toán di chuyển phù hợp với giới hạn quy định EU số 10/2011 (0,01 mg/kg).

·Phân tích ô nhiễm tổng hợp: Xác định đồng thời PE (2.845 cm⁻) với phenant hấp phụ (1.004 cm⁻) trong các mẫu hải sản bằng kỹ thuật đồng định vị, tiết lộ cơ chế mà cả hai hình thành ô nhiễm tổng hợp thông qua "tích tụ π-π".

Lợi thế kỹ thuật và thách thức hiện tại

3.1 Lợi thế cốt lõi: So sánh hiệu suất với công nghệ phát hiện chính thống

So với các công nghệ truyền thống như Micro-IR, nhiệt phân GC-MS, Micro-Raman có lợi thế đáng kể về độ phân giải không gian, bảo vệ mẫu và các khía cạnh khác, xem Bảng 2 để so sánh cụ thể:

IV. Tiến triển phía trước và định hướng tương lai

4.1 Đổi mới công nghệ kiểm tra

·Tăng cường Raman (TERS): Kết hợp kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) với Raman với độ phân giải đột phá10 nmPhân tích thành công phân phối các nhóm chức bề mặt (như hydroxyl, carboxyl) của các hạt nano-PS 50 nm, cung cấp các công cụ mới cho nghiên cứu về nhựa nano.

·AI hỗ trợ phân tích phổDựa trên mô hình học sâu ResNet-50, sau khi đào tạo 10.000+dải dữ liệu quang phổ Raman microplastic, đạt được độ chính xác phân loại của 12 loại microplastic phổ biến như PE, PP, PVC97.3%Và rút ngắn thời gian phân tích từ 30 phút xuống còn 2 phút (ví dụ như biểu đồ 5c).

4.2 Mở rộng hệ thống ứng dụng

·Giám sát thời gian thực tại chỗ: Phát triển đầu dò Raman dưới nước, có sẵn trong2000 m biển sâuPhát hiện vi nhựa trong thời gian thực trong môi trường, không cần lấy mẫu, phù hợp để giám sát lâu dài các vùng nước lớn như đại dương, hồ.

·Sử dụng nhóm không gian: Kết hợp quang phổ Raman với công nghệ quang phổ khối, phân tích giao diện tương tác giữa vi nhựa và vi sinh vật, tiết lộ cơ chế phân tử của vi sinh vật hình thành màng sinh học trên bề mặt vi nhựa, cung cấp cơ sở lý thuyết để khắc phục ô nhiễm.

V. Kết luận và triển vọng

Công nghệ Micro Raman Spectrum đã trở thành một công cụ mang tính cách mạng trong nghiên cứu ô nhiễm vi nhựa thông qua sự kết hợp của "nhận dạng dấu vân tay phân tử" với "phân tích không gian dưới micron". Tương lai tập trung vào 3 hướng lớn:

1. Phát triển hệ thống tích hợp đa phương thức "Raman hồng ngoại - gương điện" để thực hiện phân tích một cửa "thành phần - hình thái - cấu trúc"; Thúc đẩy xây dựng hệ thống tiêu chuẩn kiểm tra thống nhất toàn cầu để giải quyết các vấn đề so sánh kết quả phòng thí nghiệm khác nhau; 3. Sâu sắc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích mẫu vật phức tạp (ví dụ như mô sinh học, nước biển muối cao), nâng cao hơn nữa hiệu quả và độ chính xác của phát hiện.

Những tiến bộ liên tục trong công nghệ này sẽ cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho việc thực hiện Công ước nhựa toàn cầu và hỗ trợ quản lý khoa học ô nhiễm vi nhựa trên toàn thế giới.