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文章速递|TrAC Trends in Analytical Chemistry|拉曼光谱及衍生前沿技术应用于微纳米塑料的无损分析

发布日期:2024-06-18浏览量:

近日,韩杰教授团队在微塑料无损检测方法取得新进展,相关研究成果以“Nondestructive analysis of plastic debris from micro to nano sizes: A state-of-the-art review on Raman spectroscopy-based techniques”为题发表于分析化学领域TOP期刊TrAC Trends in Analytical ChemistryIF=13.1)上。韩杰教授为论文通讯作者,博士生代寒为论文第一作者,该研究得到了国家自然科学基金、陕西地建-西安交大土地工程与人居环境技术创新中心开放基金资助项目、米乐官方青年拔尖人才项目的资助。

题目:Nondestructive analysis of plastic debris from micro to nano sizes: A state-of-the-art review on Raman spectroscopy-based techniques

发表时间:20245

第一作者:代寒

通讯作者:韩杰教授

一、文章简介

    本文综述了四种先进的基于拉曼的检测塑料碎片技术,包括表面增强拉曼散射、拉曼镊子、尖端增强拉曼散射和拉曼映射/成像,并讨论了在各种环境样本中实现纳米级检测的优化和改进措施。文章还指出了每种先进拉曼技术面临的不足和关键挑战,并提出了潜在的解决方案和在微塑料和纳米塑料检测方面的新发展,旨在提高环境监测和风险评估的有效性。

二、背景介绍

    微纳塑料作为普遍存在的新兴污染物,近年来引起了社会的广泛关注。研究人员和监管机构面临着了解这些污染物在环境中的浓度、分布及其对人类和生态系统影响的需求。然而,由于微塑料和纳米塑料体积小、形状多样、分子量大、含有添加剂和相关污染物,其检测、分析和表征面临显著挑战。尽管已有多种检测和表征方法,但仍存在各种局限性。破坏性方法如热解气相色谱-质谱联用(Py-GC-MS)和热提取-脱附气相色谱-质谱联用(TED-GC-MS)只能提供化学成分和含量数据,缺乏形态和数量信息;而非破坏性技术如拉曼光谱和红外光谱在化学成分、形态、尺寸和数量方面提供更多信息,但红外光谱分辨率较低,拉曼光谱尽管分辨率高且干扰少,但在检测亚微米和纳米尺寸塑料碎片方面仍有局限。

为解决这些挑战,先进的拉曼技术(如表面增强拉曼光谱(SERS)、拉曼镊子(RTs)、尖端增强拉曼散射(TERS)和拉曼映射/成像(RM/RI))被用于提高检测灵敏度和分辨率。这些技术通过结合特定化学指纹与显微成像系统,实现了复杂样品基质中微塑料和纳米塑料的二维和三维化学成像。然而,这些技术在实际应用中仍面临如荧光干扰、样品预处理效率低下和缺乏标准化检测系统等挑战。因此,研究人员需要全面了解这些技术的优势和局限性,以改进和发展适用于微塑料和纳米塑料检测的新方法。

三、研究内容

    本文系统梳理了表面增强拉曼散射(SERS)、拉曼镊子(RTs)、尖端增强拉曼散射(TERS)以及拉曼显微成像/拉曼成像(RM/RI)等四种拉曼光谱技术在亚微米至纳米尺度检测领域的最新研究进展,详细探讨了这些技术在塑料颗粒检测,尤其是在空气、水、土壤、沉积物和生物体等环境介质中的创新性应用。针对环境和生物样品中纳米级塑料颗粒的识别和表征,本文深入分析了这些技术所面临的已知挑战。

    SERSRTs技术在分析直径达数十纳米的单个纳米塑料颗粒加标样品以及在水环境中检测纳米塑料方面展现出显著优势。然而,由于衍射限制,对于真实环境样品的检测SERSRTs在分析尺度上通常局限于100纳米以上。对此,TERS以其超高的空间分辨率在纳米尺度甚至单分子成像方面展现出巨大潜力,尽管其在纳米级聚合物分析中的应用目前主要集中于纳米复合薄膜,对于纳米塑料的检测尚待进一步探索。此外,将上述技术与高级RM/RI等先进自动化控制技术相结合,对于实现纳米塑料和微塑料的定量分析、大规模成像及高通量分析具有至关重要的意义。

    在单颗粒分析领域,RM/RI技术通过图像分析与算法的结合,成功突破了衍射极限,实现了对数十纳米加标塑料颗粒的成像,并在环境样品检测中达到了亚微米水平。然而,要实现环境样品的全纳米尺度分析,这些技术仍需进一步的创新、整合与应用。同时,本文也指出了四种先进拉曼技术在环境样品中亚微米和纳米塑料检测中所面临的共同挑战,如荧光干扰和样品预处理问题,以及每种技术固有的局限性。

最后,本文展望了未来在先进拉曼技术应用中解决潜在问题、建立统一标准化方法以分析纳米塑料的前景。通过综合比较,本文旨在为科学家提供关于分析瓶颈及潜在解决方案的重要信息,以拓展创新思维,推动拉曼技术在塑料碎片表征至亚纳米水平方面的快速发展。此外,本研究对于推进联合国可持续发展目标中的微塑料碎片减缓计划、促进环境可持续发展具有重要意义。

   

1. 表面增强拉曼散射(SERS)、拉曼镊子(RTs)、尖端增强拉曼散射(TERS)以及拉曼显微成像(RM/RI)用于微纳塑料的检测模式和原理

四、原文信息

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117750

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