Les microplastiques (MP) en tant que polluants environnementaux mondiaux, avec des tailles de particules allant de 5 mm à l'échelle nanométrique, sont morphologiquement divers et Adsorbent facilement d'autres polluants pour former un système de pollution composite. Les moyens de détection traditionnels ont généralement des limitations telles que "analyse de coupure morpho - composante", "traitement destructif des échantillons" et sont difficiles à répondre aux besoins de recherche multidimensionnelle en microplastiques. La spectroscopie micro - Raman est devenue la technologie de base de l'analyse de la chaîne complète des microplastiques grâce à sa résolution spatiale à l'échelle submicronique, à sa capacité de reconnaissance d'empreintes digitales par Vibration moléculaire et à sa résistance aux interférences avec l'eau.

I. principe technique: décodage au niveau submicronique de l'empreinte vibratoire moléculaire

Le cœur de la spectroscopie Raman microscopique est la capture des informations de Vibration moléculaire des microplastiques par « diffusion inélastique Photon - molécule», combinée à la conception optique haute résolution pour réaliser la double fonction de « reconnaissance des composants + localisation spatiale», son système technique peut être divisé en deux parties: le mécanisme de diffusion de la lumière et Le processus de décodage spectral.

1.1 mécanisme de diffusion de la lumière et conception matérielle de base

Lorsqu'un laser de longueur d'onde spécifique (couramment 532 nm ou 785 nm) éclaire un microplastique, l'énergie du photon interagit avec le niveau d'énergie vibratoire de la molécule, créant un décalage d'énergie (c'est - à - dire un « déplacement raman»), et les différences de structure moléculaire entre les microplastiques de différents matériaux forment un « spectre d'empreinte raman» unique (schématisé à la figure 1a). Pour une détection hautement sensible, le système optimise les performances grâce à trois conceptions matérielles principales:

·Module laser double longueur d'onde: le laser 532 nm convient aux échantillons de fond à faible Fluorescence (tels que les particules de PE dans le sol); Le laser proche infrarouge de 785 nm inhibe significativement la fluorescence spontanée des tissus biologiques et réduit les dommages thermiques aux échantillons à * * < 0,5 ° c * *, ce qui convient à la détection de microplastiques dans les organismes vivants.

·Système de chemin optique confocal: l'utilisation d'un trou d'épingle de 20 μm combiné à un objectif de 50 × (NA = 0,9) Peut filtrer efficacement la lumière parasite, atteindre une résolution latérale de 1 μm avec une résolution axiale de 3 μm, localiser avec précision la position spatiale du microplastique.

·Technologie de détection EM - CCD: Le détecteur refroidi (température de fonctionnement - 70 ° c) augmente le rapport signal / bruit du système à * * * > 80 DB * * avec une précision de détection du nombre d'ondes allant jusqu'à 0,1 cm⁻¹ et peut capturer de faibles signaux Raman provenant de faibles concentrations de microplastiques.

1.2 décodage spectral et extraction d'informations multidimensionnelles

Grâce à des processus intelligents d'acquisition et de traitement des données, l'analyse multidimensionnelle de l'information peut être réalisée de « particules uniques» à « échantillons macroscopiques»:

·Analyse ciblée en un seul point: l'intégration pendant 10 s à une tache de 50 μm², combinée à l'algorithme de lissage savitzky - Golay pour éliminer le bruit, a permis d'obtenir une précision de 94% (n = 200) pour la reconnaissance des pics caractéristiques des microplastiques courants tels que le PE (2845 cm²), le PVC (638 cm²) et d'autres.

·Imagerie par cartographie spatiale: un balayage par paliers de 2 µm d'un échantillon de membrane filtrante de 47 mm produit une thermographie de la distribution chimique des microplastiques (comme schématisé sur la figure 2B) et calcule de manière synchrone les paramètres de distribution granulométrique (comme D10 = 5 µm, D50 = 32 µm dans le cas pratique).

·Couplage multimodal: module micro - infrarouge intégré (μ - FTIR) permettant une détection synchrone de la même zone "Diffusion Raman + absorption infrarouge", compensant les zones aveugles identifiées par une seule technologie spectrale (par exemple Raman sensible aux liaisons non polaires, infrarouge sensible aux liaisons polaires).

II. Scénario d'application: résolution de la pollution de la chaîne de médias complets en microplastique

La technologie microraman, avec les avantages de « contrôle non destructif», « anti - interférence», « haute résolution», a couvert l'analyse complète de la chaîne de « traçabilité environnementale - risques biologiques - sécurité alimentaire» de la pollution microplastique, les scénarios d'application typiques sont les suivants:

2.1 Analyse de traçabilité des milieux environnementaux

Pour différents substrats environnementaux tels que l'eau de mer, le sol, l'atmosphère, etc., en optimisant les méthodes de prétraitement, il est possible d'obtenir une détection et une traçabilité efficaces des microplastiques, les paramètres et les cas spécifiques sont présentés dans le tableau 1:

2.2 Évaluation des risques pour les tissus biologiques

Focalisant sur la bioaccumulation et les effets toxiques des microplastiques, cette technique permet une « localisation in vivo + analyse toxicologique »:

·2024 l’équipe de l’université de Pékin utilise un laser de 785 nm pour contourner les interférences de biofluorescence et a détecté 12 microplastiques PE (< 10 μm) dans le tissu placentaire humain, confirmant que les microplastiques peuvent être transmis par la mère au fœtus.

·Analyse toxicologique unicellulaire: le système airsight permet de suivre les particules de PS (polystyrène) intramacrophages (PIC caractéristique 1002 cm⁻¹) et d'analyser l'étendue des dommages causés par les microplastiques à la structure de la membrane cellulaire par des changements de déplacement de la bande protéinamide I (1650 cm⁻¹).

2.3 contrôle de la sécurité alimentaire

Pour lutter contre la contamination microplastique des matériaux en contact avec les aliments et des aliments eux - mêmes, fournir des programmes de détection de précision:

·Détection de la migration: Simulation d’un scénario d’utilisation d’un biberon en PP (polypropylène), détection de particules de microplastiques de 2 à 8 μm dans le liquide simulé, calcul de la migration conformément aux limites du règlement UE n° 10 / 2011 (0,01 mg / kg).

·Analyse de la contamination Composite: l'identification simultanée du PE (2845 cm⁻¹) et du phénanthrène adsorbé (1004 cm⁻¹) dans des échantillons de fruits de mer par la technique de co - localisation révèle le mécanisme par lequel les deux forment une contamination composite par « accumulation π - π ».

Avantages techniques et défis existants

3.1 Principaux avantages: comparaison des performances avec les technologies de détection courantes

Par rapport aux techniques traditionnelles telles que l'infrarouge microscopique, le GC - MS pyrolytique et d'autres, le Raman microscopique présente des avantages significatifs en termes de résolution spatiale, de protection des échantillons, etc. pour des comparaisons spécifiques, voir le tableau 2:

Iv. Progrès de pointe et orientations futures

4.1 innovations technologiques en matière de détection

·Raman augmenté (ters): microscope à force atomique (AFM) associé à Raman, résolution percée à10 nm, résoudre avec succès la distribution des groupes fonctionnels de surface (par exemple, hydroxyle, carboxyle) des particules de nanops de 50 nm, fournissant de nouveaux outils pour la recherche sur les nanoplastiques.

·Analyse spectrale assistée par ai: basé sur le modèle d'apprentissage en profondeur resnet - 50, après la formation de plus de 10 000 microplastiques données spectroscopiques Raman, atteindre la précision de classification de 12 microplastiques communs tels que PE, PP, PVC, etc.97,3%Et réduit le temps d'analyse de 30 minutes à 2 minutes (comme schématisé à la figure 5c).

4.2 extension du système d'application

·Surveillance in situ en temps réel: développement de sondes Raman sous - marines, disponibles en2000 m de profondeurDétection en temps réel des microplastiques dans l'environnement, sans prélèvement d'échantillons, adaptée à la surveillance à long terme de grandes masses d'eau telles que les océans, les lacs et autres.

·Association des groupes spatiaux: combiné avec la spectroscopie Raman et la spectrométrie de masse, l'analyse de l'interface d'interaction microplastique - microorganismes révèle les mécanismes moléculaires par lesquels les microorganismes forment des biofilms à la surface des microplastiques, fournissant une base théorique pour la réparation de la pollution.

V. Conclusions et perspectives

La technologie de spectroscopie Raman microscopique est devenue un outil révolutionnaire pour la recherche sur la pollution microplastique grâce à une combinaison de « reconnaissance moléculaire des empreintes digitales» et de « résolution spatiale submicronique». Future Focus se concentre sur trois directions principales:

1. Développer le système intégré multimodal « Raman - infrarouge - miroir électrique» pour réaliser l'analyse à guichet unique de « composition - morphologie - structure»; 2. Promouvoir la construction d'un système mondial harmonisé de normes d'essai pour résoudre les problèmes de comparabilité des résultats de différents laboratoires; Approfondir l'application de l'intelligence artificielle dans l'analyse d'échantillons de substrats complexes (tels que les tissus biologiques, l'eau de mer à haute teneur en sel) pour améliorer encore l'efficacité et la précision de la détection.

Les progrès continus de cette technologie fourniront un soutien technique essentiel à la mise en œuvre de la Convention mondiale sur les plastiques, contribuant ainsi à la gouvernance scientifique mondiale de la pollution par les microplastiques.