두 개의 라만 분광기를 동시에 획득한 광학 광열 적외선 분광기

Feb 02, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18785(2022) 이 기사 인용

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최근에는 미세플라스틱 입자 검출 및 식별에 대한 충족되지 않은 요구를 충족시키기 위해 FTIR(푸리에 변환 적외선) 또는 라만 현미경을 기반으로 하는 진동 분광 기술이 제안되었습니다. 참조 폴리머의 스펙트럼을 시스템 간 비교하면 장비 간의 재현성과 신흥 양자 캐스케이드 레이저 기반 광학 광열 적외선(O-PTIR) 분광학의 장점을 평가할 수 있습니다. 우리 연구에서는 비접촉 반사 모드에서 O-PTIR 현미경을 사용하여 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 실리콘, 폴리락타이드산 및 폴리메틸메타크릴레이트 등 9개 플라스틱의 IR 및 라만 스펙트럼을 동시에 획득했습니다. 포괄적인 밴드 할당이 제시되었습니다. 우리는 적중 품질 지수(HQI)를 기반으로 독립형 감쇠 전반사 FTIR 및 라만 분광계와 O-PTIR의 일치 여부를 확인하고 Raman 및 IR-HQI를 모두 사용하는 2차원 식별(2D-HQI) 접근 방식을 도입했습니다. 마지막으로, 알려진 재료로부터 습식 분쇄를 통해 미세 플라스틱 입자를 테스트 샘플로 준비하고, O-PTIR 데이터를 수집하여 2D-HQI 식별 접근 방식을 적용했습니다. 우리는 이 프레임워크가 환경, 영양 및 생물학적 매트릭스에서 미세 플라스틱 입자의 향상된 물질 식별을 제공한다고 결론지었습니다.

재현 가능한 미세플라스틱(MP) 식별 및 정량화를 위한 필수 단계는 다양한 실험실 및 장비에 대한 연구를 비교하는 것입니다. 최근 몇 년 동안 연구는 진동 분광학2을 기반으로 한 수동 분석을 통해 의심되는 입자 중 1.4%만 합성 폴리머1로 정확하게 식별하는 육안 ​​검사에 의존하는 것에서 자동화된 측정 접근 방식3,4로 발전했습니다. 진동 분광법을 기반으로 라만 및 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법과 같은 기술은 다양한 폴리머 유형5,6,7,8,9,10을 결정하고 구별합니다. 그럼에도 불구하고 FTIR 분광법에만 의존하면 라만 분광법11에 비해 32%의 과소평가가 발생할 수 있으며 이는 기존 FTIR의 제한된 공간 분해능으로 인해 발생할 가능성이 높습니다. 분석 기술의 발전과 MP 연구에 대한 관심이 높아지면서 신뢰할 수 있는 검출 방법에 대한 필요성과 표준화에 대한 필요성이 높아지고 있습니다12,13,14,15,16. 기계 학습과 같은 최신 분석 방법은 MP의 스펙트럼 데이터에 적용되었으며 식별 오류를 최소화하고 데이터 분석의 정확성을 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 국제 표준 기구는 MP 탐지 및 분석 방법에 대한 지식과 방법론을 요약합니다20.

IR과 라만 분광법은 어느 정도 보완적인 방법입니다. IR 분광법은 쌍극자 모멘트의 변화에 ​​따른 분자 결합의 진동을 목표로 합니다. IR 활성 진동은 중간 IR 방사선을 흡수하여 여기될 수 있습니다. 예를 들어, 플라스틱 폴리머의 C–H, C–O 및 C=O 그룹은 진동 중에 영구 쌍극자 모멘트를 변경하여 IR 감지에 적합합니다. 일부 분자 그룹은 평형 상태에서 쌍극자 모멘트를 갖지 않지만 쌍극자가 유도되어 IR 활성을 만들 수 있습니다. 이는 예를 들어 CO2의 반대칭 신장 진동의 경우입니다. FTIR 스펙트럼은 전송 및 반사 모드에서 획득할 수 있으며 둘 다 비접촉식 작동이 가능합니다. ATR(감쇠 전반사) 모드에서는 소멸 필드의 낮은 전파 범위로 인해 내부 반사 요소와 긴밀한 접촉이 필요합니다. 5.9μm 파장에 해당하는 1700cm−1 부근의 지문 범위에서 눈에 띄는 C=O 밴드의 IR 파장과 0.4~0.8 범위의 일반적인 완전 반사 IR 대물 렌즈의 개구수(NA)의 경우 분해능 한계 범위는 다음과 같습니다. 현미경의 Abbe 회절 한계 방정식에 따르면 7.4 ~ 3.7 µm입니다. 이는 가시 스펙트럼 범위의 여기 파장으로 인해 라만 분광법보다 한 단계 더 거친 크기입니다. IR 분광법을 사용하면 호환되는 기판6,21의 반사율 또는 투과율 모드에서 20μm 이상의 미세 입자를 감지할 수 있습니다. 초점 평면 배열(FPA) 검출기를 갖춘 FTIR 현미경을 사용하면 회절 제한 공간 해상도22,23로 확장된 관심 영역의 이미지를 수집할 수 있습니다. 중적외선 양자 캐스케이드 레이저(QCL)의 출현으로 QCL의 고강도, 고휘도, 좁은 대역폭 및 조정 가능성을 활용하는 새로운 IR 장비가 개발되었습니다. 이러한 기능은 FTIR 현미경 이미징보다 훨씬 빠른 대형(480 × 480 픽셀) 비냉각식 마이크로볼로미터 어레이를 사용하여 광시야 현미경 이미징을 가능하게 합니다. 이 방법을 사용하면 4.2μm24의 픽셀 해상도로 36분 안에 144mm2의 영역에서 MP를 측정할 수 있습니다. 또 다른 접근 방식은 완전 자동화된 작업 흐름으로 신속한 화학 이미징을 위해 mid-IR QCL을 열전 냉각식 단일 채널 감지기와 결합합니다. 이 접근법은 미세플라스틱 검출을 위한 FPA-FTIR 이미징과 비교되었습니다15. 이러한 FTIR 및 새로운 QCL 기반 시스템은 샘플의 투과 또는 반사 IR 방사선을 직접 감지하므로 위에서 설명한 마이크로미터 범위의 분해능 외에도 Mie 산란 및 변칙적 분산 효과로 인해 어려움을 겪는 직접 IR 접근 방식이라고 할 수 있습니다. 특히 가장 유용한 스펙트럼 지문 범위인 800~1800cm−1에 해당하는 IR 파장 12~5.5μm 근처의 샘플 크기의 경우.