微/納米塑料：
微塑料的定義為長(zhǎng)度小于5 mm的塑料碎片。進(jìn)入環(huán)境之前小于5 mm的碎片稱(chēng)為初生微塑料，進(jìn)入環(huán)境后發(fā)生降解而產(chǎn)生小于5 mm的碎片稱(chēng)次生微塑料。目前微塑料已經(jīng)遍布于每一個(gè)角落，甚至在人類(lèi)身體中也發(fā)現(xiàn)了微塑料。據(jù)估計(jì)，2014年有15至51萬(wàn)億件微塑料(重量在9.3至23.6萬(wàn)噸之間)存在于世界海洋中【1】。微塑料可以進(jìn)一步降解為尺寸在100至1000 nm的納米塑料。雖然微/納米塑料的影響仍在被進(jìn)一步研究，但納米塑料被認(rèn)為對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的健康構(gòu)成了更大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榧{米塑料可以穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入周邊組織及循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生細(xì)胞和分子層面上的毒性效應(yīng)。
微/納米塑料的常規(guī)分析方法：
由于微/納米塑料的尺寸較小, 在微/納米塑料的材料組成、分布及對(duì)環(huán)境和生物的影響等方面研究相對(duì)較少。當(dāng)研究的微塑料的尺寸大于10 μm，可以選擇傅里葉紅外光譜(ftir)。當(dāng)尺寸降至10至1 μm，ftir在空間分辨率上就存在了一定的限制，拉曼光譜(raman)可以替代ftir研究更小尺寸的微塑料，盡管相較于ftir，其存在一些例如背景熒光、低信號(hào)、成像時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)【2】。
光誘導(dǎo)力顯微鏡：
photo-induced force microscope, pifm可以實(shí)現(xiàn)10 nm以下空間分辨的光譜采集與紅外化學(xué)成像，非常適合用來(lái)表征微/納米塑料的組成與分布。其大致原理和結(jié)構(gòu)圖如下：一束脈沖激光激發(fā)至樣品和針尖，樣品吸收特定波長(zhǎng)的激發(fā)光后與針尖形成偶極與偶極(電子云與電子云)的交互即樣品吸收特定紅外波長(zhǎng)后所產(chǎn)生的偶極矩變化。探針懸臂通過(guò)振幅或頻率調(diào)制可以獲得表面形貌圖、pifm光誘導(dǎo)力圖/紅外化學(xué)成像(材料分布)、光譜采集(材料組成)。
光誘導(dǎo)力顯微鏡測(cè)量微/納米塑料的優(yōu)勢(shì)：
對(duì)于微/納米塑料的尺寸和化學(xué)成分進(jìn)行歸類(lèi)。
識(shí)別有機(jī)和無(wú)機(jī)納米顆粒，最小可測(cè)量5 nm的顆粒。
能夠“透視”生物污染物薄層以識(shí)別隱含的納米顆粒。
光譜數(shù)據(jù)可以與ftir進(jìn)行比對(duì)。
的靈敏度，無(wú)熒光干擾。
制樣簡(jiǎn)單，無(wú)損測(cè)量。
光誘導(dǎo)力顯微鏡在微/納米塑料領(lǐng)域的應(yīng)用案例：
以下為包含四種不同納米顆粒的樣品案例分析，顆粒分別為ptfe、pmma、ps 和金。納米顆粒滴鑄在聚賴(lài)氨酸化襯底上。如下圖所示，我們先對(duì)樣品進(jìn)行初步的形貌測(cè)量以獲得二維和三維的形貌圖(topography)，從而確定測(cè)量區(qū)域。而普通的(光學(xué))顯微鏡則無(wú)法識(shí)別下圖中的那些小顆粒。
然后我們?cè)谛蚊矆D上選擇不同的顆粒進(jìn)行光譜采集，下圖顯示了光譜采集的位置。將光誘導(dǎo)力(pif-ir)光譜與ftir光譜進(jìn)行比對(duì)后，可以識(shí)別不同顆粒的化學(xué)成分，其中綠色的光譜為ptfe，紅色的光譜為ps，藍(lán)色的光譜為pmma。
在確定完顆粒的化學(xué)成分后，我們利用不同顆粒的紅外特征吸收對(duì)它們的分布進(jìn)行成像。如下圖所示，激光器分別選取1732 cm?1, 1158 cm?1, 1493 cm?1來(lái)確定pmma, ptfe, ps的分布。確定金納米顆粒的分布更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻饹](méi)有紅外特征吸收。然而由于電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，當(dāng)針尖位于金上方時(shí)會(huì)產(chǎn)生更高的光誘導(dǎo)力(pifm)信號(hào)。由于其它三種顆粒在1800 cm-1沒(méi)有紅外特征吸收，因此我們選擇用1800 cm?1來(lái)確定金納米顆粒的分布。
接下來(lái)，我們對(duì)于納米顆粒的大小進(jìn)行分析。如下圖所示，我們選取了四個(gè)不同種類(lèi)顆粒的橫截面?？紤]到探針的曲率半徑會(huì)擴(kuò)大顆粒的橫向尺寸，對(duì)于球形顆粒，高度測(cè)量更接近顆粒的橫向尺寸。因此，我們選用高度測(cè)量來(lái)分析顆粒的大小，其中ptfe、pmma、ps和金納米顆粒的尺寸分別為190 nm, 40 nm, 70 nm, 10 nm。
最后我們把不同納米顆粒的分布以不同顏色進(jìn)行標(biāo)注并統(tǒng)一疊加在形貌圖上，其中藍(lán)色代表pmma，紅色代表ps，綠色代表ptfe與金，從而以一張圖的形式直觀展示了納米顆粒的形貌、尺寸、成分與分布情況。該樣品測(cè)試案例很好的說(shuō)明了光誘導(dǎo)力顯微鏡對(duì)于復(fù)雜納米顆粒體系的分析能力，可以識(shí)別與測(cè)量微/納米塑料以及其它有機(jī)與無(wú)機(jī)納米顆粒的成分與尺寸【3】，具有其它儀器的空間分辨率【4】。也預(yù)示著光誘導(dǎo)力顯微鏡將在地球化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境生物化學(xué)、環(huán)境法醫(yī)學(xué)、海洋化學(xué)【5】【6】等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。
參考文獻(xiàn)：
1.sebille, erik van. far moremicroplastics floating in oceans than thought. the conversation.retrieved 2021.07.07.
2.c. f. araujo et al., identification of microplasticsusing raman spectroscopy: latest developments and future prospects, waterresearch 142, 426 (2018).
3.junghoon jahng et al., direct chemicalimaging of ligand-functionalized single nanoparticles by photoinduced forcemicroscopy, j. phys. chem. lett. 2020, 11, 14, 5785–5791.
4.for more application notes on inorganics andbiological samples, visit applications/.
5.iris c. ten have et al., photoinduced forcemicroscopy as an efficient method towards the detection of nanoplastics, chem.methods 2021 volume1, issue5.
6.jingbo nan et al., the nanogeochemistry ofabiotic carbonaceous matter in serpentinites from the yap trench, westernpacific ocean, geology (2021) 49 (3): 330–334.
vista oneplatform:
visible~ ir chemical imaging and spectroscopy, e-field imaging, photovoltage/currentimaging with sub-10 nm spatial resolution.
alsobeing combined with confocal raman, pl imaging and other kinds of far fieldspectroscopy and optical microscopy.