Mikroplastik (MPs) sind globale Umweltschadstoffe mit einer Teilchengröße von bis zu 5 mm, die vielfältig sind und andere Schadstoffe leicht absorbieren, um ein komplexes Schadstoffsystem zu bilden. Traditionelle Testmethoden haben Einschränkungen wie die "Morpho-Komponenten-Fraktionsanalyse" und die "destruktive Behandlung von Proben", die es schwierig machen, die Bedürfnisse der multidimensionalen Forschung von Mikroplastiken zu erfüllen. Die Mikro-Raman-Spektroskopie ist mit ihrer räumlichen Auflösung auf Submikrometer-Ebene, der Fähigkeit zur Erkennung molekularer Vibrationsfingerabdrücke und der Wasserbeständigkeit gegen Störungen zu einer Kerntechnologie für die vollständige Kettenanalyse von Mikroplastiken geworden.

1. Technisches Prinzip: Submikrometer-Dekodierung von molekularen Vibrationsfingerabdrücken

Der Kern des Mikro-Raman-Spektrums ist die Erfassung der molekularen Vibrationsinformationen von Mikroplastiken durch die "Photonen-Molekular-Unelastische Streuung", die doppelte Funktion der "Komponentenerkennung + räumliche Positionierung" in Kombination mit einem hochauflösenden optischen Design erreicht, dessen technisches System in zwei Teile des Lichtstreuungsmechanismus und des spektralen Dekodierungsprozesses unterteilt werden kann.

1.1 Lichtstreuungsmechanismus und Kernhardware-Design

Wenn ein bestimmter Wellenlängenlaser (häufig 532 nm oder 785 nm) Mikroplastik beleuchtet, interagiert die Photonenenergie mit der molekularen Vibrationsenergiestufe und erzeugt eine Energieverschiebung (d. h. "Raman-Verschiebung"), die die molekularen Strukturunterschiede von Mikroplastiken aus verschiedenen Materialien zu einem einzigartigen "Raman-Fingerabdruckspektrum" (wie in Abbildung 1a dargestellt). Um eine hochempfindliche Erkennung zu ermöglichen, optimiert das System die Leistung durch drei Kernhardwarekonstruktionen:

·Doppelwellenlängenlasermodul: 532 nm-Laser für Proben mit niedrigem Fluoreszenzgrund (z. B. PE-Partikel im Boden) Der Near-Infrarot-Laser von 785 nm unterdrückt die spontane Fluoreszenz von biologischem Gewebe erheblich und reduziert die thermische Schädigung der Probe auf ** <0,5 °C** und eignet sich für die Detektion von Mikroplastiken im Organismus.

·Kofokussiertes optisches Wegsystem: 20 μm Nadellöcher in Kombination mit einem 50-fachen Objektiv (NA = 0,9) filtern die Diffusion effektiv, erreichen 1 μm horizontale Auflösung und 3 μm axiale Auflösung, um die räumliche Position des Mikroplastiks genau zu bestimmen.

·EM-CCD-Detektionstechnik: Der Kühldetektor (Betriebstemperatur - 70 °C) erhöht das Systemsignal-Rauschverhältnis auf **>80 dB** mit einer Wellenzahldetektionsgenauigkeit von bis zu 0,1 cm-¹ und erfasst schwache Raman-Signale aus niedrigen Konzentrationen von Mikroplastik.

1.2 Spektrale Dekodierung und mehrdimensionale Informationsextraktion

Mit intelligenten Datenerfassungs- und -verarbeitungsprozessen können mehrdimensionale Informationslösungen von „Einzelpartikel“ bis zu „Makroproben“ realisiert werden:

·Single-Point-Targeting-Analyse: Integration von 10 s unter 50 μm ² Flecken und Geräuschbeseitigung durch den Savitzky-Golay-Glätter-Algorithmus mit einer Genauigkeit von 94 % (n=200) bei der Identifizierung von Spitzen für gängige Mikroplastik wie PE (2845 cm-¹) und PVC (638 cm-¹).

·Raumkartenbildgebung: Durchführen Sie einen 2-μm-Schritt-Scan einer 47-mm-Filterfilm-Probe, erzeugen Sie ein Thermogramm der chemischen Verteilung von Mikroplastiken (wie in Abbildung 2b) und berechnen Sie synchron die Partikelgrößenverteilungsparameter (wie im praktischen Fall D10 = 5 μm, D50 = 32 μm).

·Multimodale Kombination: Integrierte Mikroinfrarot-Module (μ-FTIR) zur synchronen Erkennung der gleichen Region "Raman-Streuung + Infrarot-Absorption", die blinde Zonen der Erkennung einer einzigen Spektraltechnologie ausmacht (z. B. Raman-Empfindlichkeit für nicht-polare Bindungen und Infrarot-Empfindlichkeit für polare Bindungen).

Anwendungsszenario: Analyse der gesamten Medienkettenverschmutzung aus Mikroplastik

Mit den Vorteilen der "schädigungsfreien Detektion", "Störungsschutz" und "hoher Auflösung" deckt die Mikroplastikverschmutzung mit der "Umweltnachverfolgung - Biorisiken - Lebensmittelsicherheit" vollständige Kettenanalyse ab. Typische Anwendungsszenarien sind wie folgt:

2.1 Rückverfolgungsanalyse des Umweltmediums

Für verschiedene Umweltsubstrate wie Meerwasser, Boden, Atmosphäre und andere können durch die Optimierung der Vorbehandlungsmethode eine effiziente Detektion und Komponentenrückverfolgung von Mikroplastiken erreicht werden. Die spezifischen Parameter und Fälle finden Sie in Tabelle 1:

2.2 Biologische Risikobewertung

Mit dem Fokus auf die Bioakumulation und die Toxizität von Mikroplastiken ermöglicht die Technologie „in vivo Positionierung + Toxizitätsanalyse“:

·Studie zur Exposition am Menschen: Im Jahr 2024 hat das Team der Pekinger Universität mit 785-nm-Lasern zur Umgehung von Biofluoreszenz-Störungen 12 PE-Mikroplastik (<10 μm) im menschlichen Plazentangewebe nachgewiesen, was bestätigt, dass Mikroplastik durch die Mutter auf den Fötus übertragen werden kann.

·Single-Cell-Toxicity-Analyse: Das AIRsight-System verfolgt intrazelluläre PS-Partikel (Polystyren) (Charakteristik Spitze 1002 cm-¹) und analysiert den Grad der Beschädigung der Zellmembranstruktur durch Mikroplastik durch Veränderungen im Proteinamid-I-Band (1650 cm-¹).

2.3 Kontrolle der Lebensmittelsicherheit

Präzise Prüfungen für die Mikroplastikverschmutzung von Lebensmitteln und Lebensmitteln selbst:

·Migrationsmessung: Simulation eines Einsatzszenaries für PP (Polypropylen)-Flaschen, Detektion von Mikroplastikpartikel von 2-8 μm in der Simulationsflüssigkeit und Berechnung der Migrationsmessung gemäß den Grenzwerten der EU-Verordnung Nr. 10/2011 (0,01 mg/kg).

·Analyse der zusammengesetzten Verschmutzung: Durch die Co-Positionierungstechnik wurden PE (2845 cm-¹) und adsorbierte Phi (1004 cm-¹) in Meeresfrüchteproben gleichzeitig identifiziert und die Mechanismen der Bildung einer zusammengesetzten Verschmutzung durch "π-π-Stapel" aufgedeckt.

Technische Vorteile und bestehende Herausforderungen

3.1 Hauptvorteile: Leistungsvergleich zu den gängigen Prüftechnologien

Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien wie Mikroinfrarot und Thermolyse GC-MS hat Mikro-Raman erhebliche Vorteile in Bezug auf die räumliche Auflösung und den Schutz der Proben, siehe Tabelle 2:

Fortschritte und zukünftige Richtungen

4.1 Inspektionstechnologische Innovationen

·Verstärkte Raman (TERS)Durch die Kombination des Atomkraftmikroskops (AFM) mit Raman wird die Auflösung10 nmErfolgreiche Analyse der Verteilung von oberflächenfunktionellen Gruppen (z. B. Hydroxy und Carboxyl) von 50 nm Nano-PS-Partikeln bietet neue Werkzeuge für die Nano-Kunststoffforschung.

·KI unterstützte SpektralanalyseBasierend auf dem ResNet-50-Deep Learning-Modell wurden über 10.000 Mikroplastikspektrumdaten trainiert, um 12 gängige Mikroplastiksorten wie PE, PP und PVC genau zu klassifizieren97.3%Die Analysezeit wurde von 30 Minuten auf 2 Minuten verkürzt (Abbildung 5c).

4.2 Erweiterung des Anwendungssystems

·Echtzeit-Überwachung vor OrtEntwicklung der Unterwassersonde Raman2000 m Tiefe SeeMikroplastik kann in Echtzeit in der Umgebung detektiert werden, ohne dass eine Probenahme erforderlich ist und eignet sich für die langfristige Überwachung großer Wasserkörper wie Meere und Seen.

·Raumorganische ZusammenarbeitIn Kombination mit der Raman-Spektrologie und der Massenspektrometrie werden die Wechselwirkungen zwischen Mikroplastik und Mikroorganismen analysiert, um den molekularen Mechanismus aufzudecken, durch den Mikroorganismen Biofilm auf der Oberfläche von Mikroplastik bilden, was eine theoretische Grundlage für die Reparatur von Verschmutzungen bietet.

V. Schlussfolgerungen und Perspektiven

Die Mikro-Raman-Spektrologietechnologie durch die Kombination von "molekularer Fingerabdruckerkennung" mit "submikrometrischer räumlicher Analyse" ist zu einem revolutionären Werkzeug für die Forschung der Mikroplastikverschmutzung geworden. Die Zukunft konzentriert sich auf drei Hauptrichtungen:

1. Entwicklung des multimodalen Integrationssystems „Raman-Infrarot-Elektroskop“ zur Realisierung einer One-Stop-Analyse „Komponente-Morphologie-Struktur“; Förderung eines globalen einheitlichen Teststandards-Systems und Lösung der Vergleichbarkeitsprobleme verschiedener Laborergebnisse; Vertiefung der Anwendung von KI in der Probenanalyse komplexer Substrate (z. B. biologisches Gewebe, hochsalziges Meerwasser), um die Effizienz und Genauigkeit der Prüfung weiter zu verbessern.

Der kontinuierliche Fortschritt in dieser Technologie wird eine wichtige technische Unterstützung für die Umsetzung des Globalen Plastikvereinkommens bieten und die wissenschaftliche Governance der globalen Mikroplastikverschmutzung unterstützen.