노출 된 정체성 :라만 현미경 하의 미세 유전자

미세한 오염 문제는 과학자와 사회의 심각한 관심을 높이고 있습니다. 1 미크론에서 5 밀리미터 크기의 작은 플라스틱 조각, 음식과 음료를 포함한 다양한 지상 및 수생 환경, 해양 유기체 및 심지어 소비자 제품으로 향하는 미세 플라스틱.

미세 유전자는 실제 위협입니까?

미세 플라스틱 노출에 의한 위험은 지속적인 논쟁의 대상입니다. 가능한 부작용은 용량과 크기 의존적이기 때문에 일부는 현재 생태계에서 미세 플라스틱의 낮은 농도가 안전하고 즉각적인 조치를 보장하지 않는다고 주장하기 때문입니다. 그러나 실제 노출 수준은 현재 추정치보다 클 수 있습니다. 이러한 추정치는 많은 미세 플라스틱 인구를 정기적으로 무시하는 연구를 기반으로하기 때문에 매우 작은 것입니다.

매우 작은 미세 플라스틱 (1 - 50 미크론)은 장벽을 관통 할 가능성이 높기 때문에 가장 위험합니다. 최근의 검토에 따르면, 미세 형성 식별 연구의 3 분의 1은 입자가 플라스틱인지 자연 기원인지 여부를 감지하기 위해 육안 검사에만 의존하며, 입자 크기가 감소함에 따라 점차 실패하는 전략이며 500 미크론보다 작은 입자에는 권장되지 않습니다. 다행스럽게도, 연구의 거의 절반은 적외선 분광법을 사용하는데, 이는 15-20 미크론 이하의 입자의 중합체 조성을 결정할 수있는 화학적 식별 기술을 사용합니다. 그러나 20 미크론보다 작은 미세 플라스틱을 설명하는 것이 중요합니다.

라만은 소형 미세 유전자가 레이더 아래에 미끄러지지 않도록합니다

FTIR의 대안 인 Raman Spectroscopy는 1 미크론까지의 공간 분해능을 제공하며, 광학 현미경 (라만 현미경)에 결합 할 때 크기에서 20 마이크론에서 미세 유전자를 식별하는 유일한 권장 방법입니다. Seets and Freshwater 보고서의 미세 균형 분석에서 발견 된 미세 혈당에서 발견되는 미세 혈당에서 발견 된 미세 수수체의 크기는 40 마이크로 보고서에 있습니다. 크기가 감소함에 따라 인구는 빠르게 증가합니다 (그림 1). 또 다른 냉정한 예는 Darena Schymanski와 동료의 작품으로, 생수에 존재하는 미세 유전자를 분석하여 그 중 80%가 <20 미크론 카테고리에 속하며 FTIR 분석에 의해 완전히 놓칠 것임을 발견했습니다. 그런 다음 미세 유체 농도의 대표적인 추정치를 달성하기 위해 라만 기술이 필요하지만 현재 미세 형성 식별 연구의 13% 만 라만 현미경을 사용한다는 것은 분명합니다.

개선을위한 공간

FTIR과 Raman은 많은 긍정적 인 특징을 공유합니다. 둘 다 상대적으로 저렴하고 비파괴 적이며 소량의 샘플이 필요합니다. 더 높은 공간 해상도에도 불구하고, 라만은 FTIR에 비해 부분적으로 신호 품질이 좋지 않아 인기가 없다. 한편으로, 라만 신호는 본질적으로 약합니다. 샘플을 폭격하는 광자의 작은 부분 (10) 만 실제로 라만 신호로 변환되기 때문입니다. 따라서, 양질의 라만 스펙트럼은 동일한 샘플의 FTIR 스펙트럼보다 더 긴 분석 시간이 필요합니다. 또한, 유기 불순물, 채색 제 및 기타 첨가제로부터의 형광이 발생하면 기본 폴리머의 라만 신호가 동일시를 방지하는 종종 스펙트럼 기준선이 발생합니다. 이러한 단점을 극복하고 라만 현미경을 대규모 사용에 더 매력적으로 만들기 위해, 미세 유체 식별 분야의 연구원들은 최근의 검토에 요약 된 바와 같이 다양한 흥미로운 솔루션을 제안했습니다.

소음 위로 상승

유기 불순물 (및 일부 유기 염료)으로부터 형광 스템을 감소시키기위한 일반적인 절차는 분석 전에 소화 단계 (산, 염기, 산화제…)에서 이들을 제거하는 것입니다. 그러나, 소화가 미세 플라스틱에서 일반적으로 발생하는 모든 형광 제조 제를 제거하지는 않습니다. 이러한 경우, 영리한 솔루션은 Ghosal과 동료들이 제안한 절차 일 수 있으며, 형광 배경을 제거하고 그림 2에서 예시 된 바와 같이 자동화 된 알고리즘을 사용하고 기본 중합체 스펙트럼을 드러내는 것입니다. 라만 신호의 내재 된 약점에 대해서는 전자 배가와 함께 검출기의 사용을 향상시킬 수있는 신호를 향상시킬 수 있습니다. 신호 대 노이즈 비율.

머신이 더러운 작업을 수행하도록하십시오

마이크로 라맨 (또는 마이크로 피어)을 사용한 미세 플라스틱의 대규모 모니터링이 현실이되기 전에, 큰 도전을 극복해야합니다. 분석 할 대량의 입자를 다루는 방법과 그 결과 스펙트럼의 수를 다루어야합니다. 명백한 대답은 자동화입니다. 완전 자동화 된 분석에서 미세 플라스틱을 함유하는 필터 (비 플라스틱 재료와 함께)는 현미경 아래에 배치 된 다음 이미지 처리 소프트웨어는 입자를 찾아 전동 단계가 라만 레이저 아래에 선택된 입자를 배치합니다. 샘플의 스펙트럼은 충분한 일치가 발견되고 입자가 식별 될 때까지 상업적 폴리머의 기준 스펙트럼 라이브러리에 대해 수집되고 빠르게 비교됩니다. 연산자는 다른 작업을 자유롭게 수행 할 수 있습니다. 유사한 전략에 따라 Laura Frère와 동료들은 3 시간 이내에 110 개의 입자를 분석했으며, 그 중 75%가 성공적으로 확인되었습니다 (71%는 플라스틱 특성이었고 4%는 무기 입자였습니다). 나머지 25%는 형광의 간섭, 스펙트럼의 중합체의 존재 또는 참조 데이터베이스 내에서 스펙트럼 일치를 찾을 수없는 안료의 존재로 인해 식별 할 수 없었습니다.

데이터베이스 확장

자동화 된 스펙트럼 식별 (라이브러리 일치)이 성공하기 위해서는 기준 라이브러리가 원시적 폴리머의 스펙트럼뿐만 아니라 일반적인 플라스틱 첨가제, 채색 제, 필러 등의 스펙트럼을 포함하여 포괄적이어야합니다. 이상적으로는, 데이터베이스에는 종종 중합체에서 발견되는 미세 휴게제의 기준 스펙트럼을 포함하여 종종 중합체에서 발생하는 미세 휴게제의 기준 스펙트럼을 포함하여 종종 마이크로 플라스틱의 기준 스펙트럼이 포함되어 있어야합니다. 중합체. 불행히도, 상업용 라이브러리에는 풍화 된 미세 유전자의 기준 스펙트럼이 포함되어 있지 않으므로 연구자들이 자체적으로 수집하여 수동으로 사용자 정의 데이터베이스에 추가해야합니다. 이 프로세스는 엄청나게 시간이 많이 걸리고 부하를 배포하고 반복을 피하는 현명한 방법은 라만 스펙트럼의 오픈 소스 데이터베이스를 만드는 것입니다. 이런 종류의 프로젝트는 Curatr의 형태 인 Curatr의 형태로 이미 존재합니다. 승인 된 큐레이터는 스펙트럼을 업로드 할 수있는 웹 애플리케이션이 있으며, 그런 다음 라이브러리 일치 소프트웨어와 호환되는 형식으로 변환하여 모든 사용자가 자유롭게 다운로드하여 사용할 수 있습니다.

미세 형성 식별을위한 미래 경로

최적화를위한 충분한 공간이 여전히 많지만, 기존의 (자발적) 라만 분광법의 본질적으로 약한 신호는 흐르는 마이크로 플라스틱의 초고속 실시간 모니터링에서의 구현에 큰 장애물이다. 이러한 노력은 더 빠른 기술이 필요하며 대답은 자극 된 라만 분광법 (SRS)에있을 수 있습니다. SRS는 샘플에 중점을 둔 두 개의 레이저 빔을 사용하여 자발적인 라만 신호보다 높은 순서가 높은 신호를 생성하므로 획득 시간이 크게 줄어 듭니다. Liron Zada와 동료들은 환경 미세 플라스틱의 탐지에 SRS를 최초로 적용한 사람이었습니다 (그림 3). 원칙의 증거로서, 저자는 입자 사전 선택없이 1 CMOF 필터 영역을 스캔했으며, SRS는 총 4.5 시간의 총 분석 시간을 달성하는 반면, 자발적 라만 산란을 사용하는 동일한 스캐닝 절차는 116 일이 걸립니다. 자동화 된 입자 검색과 SRS를 결합하면 프로세스 속도가 크게 높아질 수 있습니다.

유망한 연구의 또 다른 길은 Chi Zhang과 동료들에 의해 수행 된 것처럼 빠르게 움직이는 입자의 검출을 위해 유량 원소를 SRS와 결합하는 것인데, 이는 맞춤형 신호 증폭기가 단지 5 마이크로 초 단위로 SRS 스펙트럼을 수집 할 수있게한다. 폴리스티렌 및 폴리 스티렌 및 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) 비드 (10 미크론) 중에서도 11,000 비드의 속도로 물에서 흐르는 유량-사이토 트리 -SRS 장치는 초당 11,000 비드의 속도로 구별되었다. 실시간 분석의 또 다른 흥미로운 예는 Liao와 동료들이 제안한 핸드 헬드 SRS 현미경으로, 초당 8 프레임의 속도로 이미징을 허용합니다.

라만 기술이 더 빠르고, 더 민감하고, 고 처리량을 대규모로 처리 할 수있게함에 따라, 미세 플라스틱의 실시간 모니터링은 현실이 될 가능성이 높습니다.

이러한 결과는 최근 저널 Water Research에 발표 된 Raman Spectroscopy :최신 개발 및 미래 전망을 사용한 미세 플라스틱 식별이라는 제목의 기사에 설명되어 있습니다.  이 작품은 Catarina F. Araujo, Mariela M. Nolasco, Antonio M.P.가 수행했습니다. Ribeiro 및 Paulo J.A. Universidade de Aveiro의 Ribeiro-Claro.

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