红外两种积分方法

目前微塑料定性定量探测技术主要有拉曼光谱技术（Raman）、傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、裂解气相色谱-质谱联用技术（Pyrolysis-GC/MS）等，其中Raman和FTIR已成为最常用的两种鉴别方法，这与其技术特点是分不开的。1.拉曼光谱技术（Raman）是基于拉曼散射效应，光照射在微塑料样品上后，大部分光子被样品分子直接散射出来，散射光频率不变，小部分光子和样品分子发生碰撞和能量转移，改变了分子的振动方式，导致样品散射出了其他频率的光，它与原入射光的频率差值又称“拉曼位移”。“拉曼位移”的程度与分子结构密切相关，因而可以起到类似“指纹”的作用，通过光栅光谱仪等设备可以提取出样品拉曼特征谱峰的位置和强度，然后与标准物质的光谱数据库进行比对，就可以确定样品的成分。在微塑料分析时，经常将拉曼光谱技术与光学显微镜组合，构成显微拉曼测量系统（Micro-Raman），这样不仅可以获取样品的拉曼光谱，还可以绘制整个样品区域图像，从而快速确定微塑料的种类、形貌、尺寸及数目。图4是显微拉曼系统结构示意图，它主要由激光器、显微镜和光探测器等组成。用于微塑料测定时，常用的激光波长有785nm，532nm或1064nm；因为样品的拉曼光谱信号往往很弱，光探测器需使用带制冷功能的高灵敏度光谱仪。测量时，激光器出射光经过调制或过滤，进入显微镜后，被物镜聚焦到样品上，样品散射出的拉曼光谱信号被显微镜头收集，再经过分束器和二向色镜过滤进入光谱仪的探测器中，变成电信号后由电脑记录和分析。样品的形貌、尺寸等信息可由显微镜上自带的CCD（或CMOS等）图像传感器获取。图4：拉曼系统测量原理示意图。图片来源：Raman Spectroscopy, ScienceFacts在微塑料分析方面，Raman光谱技术优势很多，对样品无破坏性或微损，抗水分子干扰能力强，对样品预处理要求简单，并且可以分析深色或不透明的塑料样品。此外拉曼光谱的空间分辨率较高，在鉴定粒径小于20um的微塑料颗粒碎片方面优势明显。该技术的主要缺点在于拉曼光谱属于弱信号，信噪比较低。另外样品中杂质的荧光会产生干扰，严重时会彻底淹没待检特征光谱信号，影响了测量速度和检测限。2.傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）是基于迈克尔逊干涉仪和分子吸收光谱原理。红外光源发出的连续光被干涉仪内的分束器分为两束，一束到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经过定镜和动镜反射后再回到分束器上汇合后射出。动镜以恒定速度前后移动，导致两束光之间存在光程差而发生干涉。射出的干涉光穿过样品池，照射在样品上，样品分子或其官能团会发生振动能级跃迁，吸收与其振动频率相同的红外光能量，使得几个特定波段的红外光能量被削弱，出射光束携带了样品的特征吸收信息，并被光电检测器转为电信号传输到电脑上，然后采用傅里叶变换算法对信号进行解析，最终提取出样品的吸收光谱信息。因为不同种类的微塑料会有不同的光谱吸收峰结构，可以起到类似“指纹”的作用，故可以像拉曼光谱分析一样，将其与标准物质的光谱数据库进行比对，就可以确定样品的成分。其测量系统如图5所示。如若样品比较透明、轻薄，可以采用简便的透射模式测量，不过需要红外滤片配合；如若样品比较厚或不透明，则可采用反射或衰减全反射（ATR）模式来获取样品特征光谱信息[5]。此外FTIR也可以与光学显微镜联用，进一步获取样品的图像特征。图5：FTIR测量系统示意图。图片来源：In: Park, T. (eds) Bioelectronic Nose. Springer, Dordrecht.在微塑料分析方面，FTIR技术有和Raman技术相同的优点，比如对样品无破坏性，样品预处理要求简单，测量准确等。但不同于Raman技术，FTIR技术无需衰减严重的色散分光，光能量利用率高，光通量大，信号强度高，测量速度快，这是FTIR技术的独特优势。FTIR技术也有一些缺点，样品测试极易受水分子干扰，样品必须保持严格干燥；同时对于形状不规则或厚度过大样品，FTIR技术会因折射误差等原因造成红外光谱图解析困难。对于粒径小于20µm的小塑料颗粒，FTIR技术也易受周围粒子或者环境的干扰，测定效果一般。微塑料在人体内的检测与发现近年来，Raman和FTIR技术在帮助人们鉴定人体内塑料方面进展迅速，取得了一系列新发现，下面是几个案例。2021年，北京大学的研究团队，从北京体育大学的青年学生志愿者中，采集了24份粪便样品，使用光学FTIR技术对样品开展检测，结果有23份检测出了8种微塑料，其中聚丙烯（PP）的相对质量丰度比占到61.0%，检出的微塑料尺寸在20-800um之间。相关研究论文标题引用了一条西方谚语-“You are what you eat”，也是一个形象的提醒，检出的微塑料与大家饮用的瓶装水和饮料有关。2022年，南京大学和南京医大的研究团队从50名健康人和52名炎症性肠病（IBD）患者中获取了粪便样品，然后使用显微拉曼光谱技术开展了检测，发现健康者与肠炎患者的粪便中都有微塑料，其中PET和PA的拉曼特征峰出现次数最多[7]。图6是测试结果，测出的微塑料颗粒形状多为薄片、纤维、碎块和球状，其中薄片和纤维状微塑料占比超过80%，成分以PET（多用于瓶子和食品容器）和PA（多用于食品包装和纺织品）塑料为主。需要注意的是，研究发现，常喝瓶装水、常吃外卖食品、或经常暴露在灰尘中的患者，其粪便中含有更多的微塑料。肠炎患者的粪便中的微塑料含量是健康者的1.5倍，意味着微塑料在肠炎患者肠道内有更多的堆积，可能加重了炎症。更进一步的，2022年荷兰阿姆斯特丹自由大学研究团队采用裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）技术，首次在人类活体血液中检测出微塑料颗粒，平均浓度为1.6ug/ml。图6：受试者粪便内微塑料。图片来源：Environmental Science & Technology 56.1 (2021): 414-421.不仅是血液，最近人们在人类胎盘和母乳中也检出了微塑料。2020年来自意大利Marche大学团队联合当地医院妇产科采集了6位正常怀孕并分娩的健康女性的胎盘样品[9]，并选择了其中4%的区域，进行染色加工等预处理，然后该团队使用785nm激光器为光源，结合显微镜，测量了样品的微区拉曼光谱，结果首次在胎盘的胎儿侧、母亲侧以及胎盘膜中检测到了12个微塑料颗粒的存在，其尺寸小于10um，鉴定出塑料的成分为常见的乙烯和聚丙烯等。为避免胎盘受到污染，样品采集与分析过程中，该团队全程采取了零塑料措施。2022年，该团队再接再厉，继续发挥拉曼光谱技术的威力，以母乳为研究对象，结果首次在健康人体母乳样本中也发现了微塑料，其成分特征光谱和显微图片如图7所示，光谱图中横坐标代表波数（cm-1），纵坐标代表相对强度值（Counts）。研究人员将测量得到的波峰的位置与标准数据库中的波峰对比，确认出这些塑料与日常生活中常见的PE等塑料一样。其进入人体的途径与母体皮肤和呼吸接触的油漆、染料、塑料粘合剂、灰泥、化妆品以及个人护理等产品密切相关。图7：微塑料颗粒特征拉曼光谱。图片来源：Polymers 14.13 (2022): 2700.上述研究让我们清晰地感觉到，微塑料可以滞留在人体内，并进一步突破屏障，进入血液并被输运到全身各处，甚至可以进入人体胎盘和乳汁！ 同时，上述研究也展示了Raman和FTIR技术在研究微塑料方面的价值。两种光谱技术各有千秋。在未来，如将两种技术进行有机组合，互补其优势，将可以进一步发挥其威力，对探索人体内的微塑料提供更全面、更深入的帮助。

在最新一期美国化学会《蛋白质组研究杂志》上，研究人员详细介绍了一种更为准确的极端微生物鉴定方法，这种方法是基于蛋白质片段而不是遗传物质。该研究从智利的高海拔湖泊中发现了两种新的耐寒细菌，其中一种细菌生活在类似于早期火星的环境里。尽管人类倾向于避免在极热、极冷或高海拔地区定居，但一些微生物已经适应了在这种恶劣的地方生活。这些极端微生物引起了天体生物学家的兴趣，因为这有助于他们在其他行星上寻找生命。研究人员目前使用单基因测序来识别地球上微生物的DNA。然而，这种方法无法区分一些密切相关的极端微生物物种。因此，研究团队转而通过运用其蛋白质特征而不是基因序列来识别极端微生物。团队对取自智利高原安第斯湖（海拔3700米）的5个水样进行试验。他们培养了66种微生物，然后分析两种方法中哪一种可以更好地识别极端微生物。传统的基因测序要将每个样本中16s rRNA基因（基于序列的微生物分析的典型基因）的核苷酸与数据库进行比较，而新的蛋白质分型技术分析了肽的蛋白质片段并获取了肽特征，团队使用肽特征即可从蛋白质组数据库中识别微生物。传统基因测序技术未能识别66种微生物中的3种微生物，因为它们的遗传信息不在可用数据库中。而蛋白质分型技术成功鉴别出了两种潜在的新型极端微生物。研究结果表明，新技术是从小生物样品中鉴定极端微生物的更完整的解决方案。研究人员表示，这一技术有朝一日可帮助人们寻找和识别外星生命，并更好地探索地球上的生物多样性。通常，检测基因序列就能发现生物之间的微小差异，但这种方法无法有效区分密切相关的极端生物物种。毕竟，这些我们并不熟悉的物种中的遗传信息未必存在于数据库中。此次研究人员使用了新的蛋白质分型法，通过分析肽特征来区分不同的极端微生物。肽是蛋白质的构成单元，也是机体实现各种复杂的生理活性不可或缺的参与者。鉴定出这类微生物，为找到那些生活在极热、极寒、极旱等环境中的外星生命提供了指引。【来源：科技日报】

近几年来，随着LED技术与全球植物工厂、垂直农场等现代设施农业的发展，植物照明市场迎来了新的发展机遇，成为众多照明厂商走差异化竞争之选。 图1 植物照明由于LED灯具有光效高、发热低、体积小、寿命长灯特点，因此非常受植物照明生产厂商的青睐。不同植物生长过程中对不同光谱的光需求量不同，为此所选的补偿光也有差异。。 图2 LED灯具植物工程可分为种植设备技术和植物工艺技术，其中植物照明光谱技术是种植设备技术和植物工艺技术的关键。好的光谱设计可保证种植工艺所要求的光质能达到高效利用。 图3 光谱制造商设计植物照明系统，通常根据植物所需的光质、光密度，然后对植物照明光源进行选择。植物灯光谱设计需要依据植物种植工艺要求而设计，植物灯光谱分析和设计能力对制造商市场竞争至关重要。而这些都需要精确的光源光谱分析方法和设备。 蓝菲光学40年光学测量生产设备经验，可提供精确的光源光谱分析方法和积分球光谱分析设备，有效的计算PAR/PPF/PPFD值。 图4 蓝菲光学积分球光谱分析仪不同植物或者同一植物不同时期吸收光谱不同，通过确定种植工艺确定植物照明光谱范围和峰值波长，植物照明的光谱和峰值波长均可通过蓝菲光学积分球光谱分析仪获得。蓝菲光学（Labsphere）illumia® Plus2积分球光谱分析仪积分球尺寸 25 cm -3 m可选，具有 2π 和 4π 几何方式。三种光谱仪可选、特定的应用模块在保证生产效率最大化的同时也保证了非常高的精确度、可重复性。图5 蓝菲光学积分球光谱分析仪结构图提高生产力改进后的积分球设计允许待测灯在点亮的情况下放进，保证更高的效 率、缩短测量时间。 新增了兼具功能性与简易性的电控模块，符 合 IES LM-79-19、IES LM-78 等相关标准。图6 蓝菲光学积分球光谱分析仪系统图Integral® 软件驱动设备搭配的 Integral® 软件支持任何平台、任何设备、 任何地点、多种语言。符合 LM-45 标准要求进行稳定，自动执行校准程序。 符合 LM-79-19 和 LM-78 测量方法和行业标准颜色计算。 图7 Integral软件图概念：太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射（PAR，photosynthetically active radiation），波长范围400～700纳米，与可见光基本重合。标注单位有两种：一是用光合辐照度表示（w/m2），主要用于太阳光的光合作用的广义研究。二是用光合光子通量密度PPFD表示（umol/m2s），主要用于人造光源和太阳光对植物光合作用的研究。采用每秒辐射到植物表面的光子流量的这个方法表示辐射源的辐射能力，称为PPF_PAR法。PPF光合光子通量（Photosynthetic Photon Flux）是指波长在400-700nm波段里，人造光源每秒辐射出光子的微摩尔数量，单位umol/s。PPFD光合光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density）是每平方米每秒光源辐射出的微摩尔数量，单位umol/m2s。