Mikrodrobiny plastiku (MP) to wysoce niejednorodna grupa cząstek, które różnią się znacznie pod względem wielkości, kształtu, koloru, gęstości, składu chemicznego i innych właściwości fizycznych, co sprawia, że ich identyfikacja i kwantyfikacja są szczególnie trudne1. W badaniach MP zastosowano różne metody analityczne, od technik wizualnych, takich jak mikroskopia świetlna2 po bardziej zaawansowane podejścia chemiczne, takie jak piroliza chromatografia gazowa3. Mikroskopia świetlna jest powszechnie stosowaną metodą charakteryzowania większych MP (zwykle 0,5-5 mm) ze względu na swoją prostotę, szybkość i opłacalność1. Umożliwia wizualną identyfikację i kwantyfikację cząstek podobnych do tworzyw sztucznych, dostarczając jednocześnie informacji na temat morfologii i struktury powierzchni2. Jednak technika ta nie dostarcza informacji chemicznych o składzie chemicznym i opiera się na wiedzy specjalistycznej analityka. Błędna identyfikacja jest dobrze udokumentowanym ograniczeniem analizy wizualnej, z raportowanymi wskaźnikami błędów wahającymi się od 20% do 70%, szczególnie w przypadku małych, przezroczystych cząstek. Takie błędy mogą znacznie zawyżać stężenia MP w próbkach środowiskowych4.
Z drugiej strony, chromatografia gazowa pirolityczna (GC) w połączeniu ze spektrometrią mas (MS) może dostarczyć szczegółowych informacji o składzie chemicznym MP poprzez analizę produktów degradacji termicznej3. W połączeniu z etapem desorpcji termicznej może również wykrywać dodatki do tworzyw sztucznych podczas tej samej analizy5. Jednak metoda ta wymaga ręcznej wstępnej selekcji cząstek podobnych do tworzyw sztucznych i ich starannego umieszczenia w systemie pirolizy, co skutkuje niską przepustowością próbki1.
Aby przezwyciężyć ograniczenia tradycyjnych metod, coraz bardziej niezbędne stają się zautomatyzowane techniki, które umożliwiają zarówno identyfikację, jak i kwantyfikację MP. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Ramana i Fouriera (FTIR) zapewnia dokładną identyfikację polimerów dzięki unikalnym spektralnym odciskom palców 6,7,8. Te metody spektroskopii oscylacyjnej wykrywają drgania molekularne wywołane przez światło, laser w przypadku Ramana i podczerwień w przypadku FTIR, tworząc widma odzwierciedlające określone struktury molekularne7. Obie techniki znacznie przyczyniły się do postępów w wykrywaniu i charakterystyce małych cząstek MP (<300 μm) w różnych matrycach środowiskowych8. Zmniejszają liczbę wyników fałszywie dodatnich poprzez chemiczne potwierdzanie cząstek podobnych do tworzyw sztucznych, minimalizują wyniki fałszywie ujemne i są nieniszczące. W połączeniu z mikroskopią (mikrospektroskopią) techniki te umożliwiają identyfikację i kwantyfikację cząstek polimerowych mniejszych niż 0,3 mm (przy wykrywaniu μFTIR do ~10 μm i μRamana do ~0,3 μm)8. Każda metoda ma jednak ograniczenia: Raman oferuje wyższą rozdzielczość przestrzenną i lepszą detekcję dla niektórych polimerów (np. polistyrenu), ale jest bardziej podatny na interferencję fluorescencji i zazwyczaj wymaga dłuższego czasu akwizycji. Niemniej jednak mikrospektroskopia Ramana może wykrywać cząstki mniejsze niż 0,3 μm, pokrywając szerszy zakres rozmiarów mikroplastiku niż obrazowanie FTIR 8,9.
Podstawowym narzędziem do opisanych tu prac jest konfokalny mikrospektrofotometr Ramanowskiego dostępny w Laboratorium Obrazowania Molekularnego NAno-Ramanowskiego (NARMIL) SoMAS. Protokół został zoptymalizowany pod kątem wykrywania, identyfikacji i ilościowego określania mikrowielkości MP (<300 μm) na filtrach z próbek wody, które zwykle są wykluczane, gdy do pobierania próbek tworzyw sztucznych w przemyśle morskim używa się planktonu lub sieci mantowych. Konieczny jest również proces chemicznego utleniania, aby zmniejszyć obecność pozostałości innych niż plastik (śmieci organiczne). Minimalizuje to zakłócenia analityczne przed analizą mikrospektroskopową Ramana i, co ważne, zapobiega zatykaniu się porów filtra, umożliwiając filtrację większych objętości wody. Za pomocą tej technologii możliwe jest wykrywanie cząstek MP we frakcji o wielkości od submikronów do milimetrów zebranych na filtrach z próbek wody, a także umożliwia obliczanie określonych stężeń MP, wielkości cząstek i mas.