Os microplásticos (MPs), como poluentes ambientais globais, abrangem tamanhos de partículas de nanoescala até 5 mm, com formas variadas e fácil absorção de outros poluentes para formar sistemas compostos de poluição. Os meios de teste tradicionais são generalizados por limitações como "análise de fragmentação morfológica-componente" e "tratamento destrutivo de amostras", dificultando o atendimento às necessidades de pesquisa multidimensional de microplásticos. A Micro-Raman Spectroscopy, com sua resolução espacial submicrônica, capacidade de reconhecimento de impressões digitais de vibração molecular e propriedades resistentes à interferência da água, tornou-se a tecnologia central para a análise de cadeia completa de microplásticos.

I. Princípio técnico: decodificação a nível submicrônico de impressões digitais de vibração molecular

O núcleo do espectro de microraman é a captura de informações de vibração molecular de microplásticos por meio da "dispersão não elástica de fótons e moléculas", combinada com o design óptico de alta resolução para alcançar a dupla função de "reconhecimento de componentes + posicionamento espacial", seu sistema técnico pode ser dividido em duas partes do mecanismo de dispersão de luz e do processo de decodificação espectral.

1.1 Mecanismo de dispersão de luz e design de hardware central

Quando um laser de comprimento de onda específico (comumente usado 532 nm ou 785 nm) irradia microplásticos, a energia fotônica interage com o nível de energia da vibração molecular, gerando um desvio de energia (ou seja, "deslocamento de Raman"), e as diferenças estruturais moleculares entre os microplásticos de diferentes materiais formam um "espectro de impressão digital de Raman" único (como ilustrado na Figura 1a). Para obter uma detecção de alta sensibilidade, o sistema otimiza o desempenho através de três principais projetos de hardware:

·Módulo laser de comprimento de onda duplo: o laser de 532 nm é adequado para amostras de fundo de baixa fluorescência (por exemplo, partículas de PE no solo); O laser de infravermelho próximo de 785 nm inibe significativamente a fluorescência espontânea de tecidos biológicos e reduz o dano térmico às amostras a ** <0,5 °C** para a detecção de microplásticos em organismos.

·Sistema de vias ópticas confocais: a combinação de um orificio de agulha de 20 μm com uma lente de 50× (NA = 0,9) pode filtrar eficazmente a dispersão de luz, alcançando uma resolução horizontal de 1 μm e uma resolução axial de 3 μm para localizar com precisão a posição espacial do microplástico.

·Tecnologia de detecção EM-CCD: O detector de refrigeração (temperatura de funcionamento - 70 °C) eleva a relação sinal-ruído do sistema para **>80 dB**, com uma precisão de detecção de número de ondas de até 0,1 cm DeteDetecDetecção de microplásticos de baixa concentração.

1.2 Descodificação espectral e extração de informações multidimensionais

Processos inteligentes de coleta e processamento de dados permitem a análise de informações multidimensionais de "partículas individuais" a "amostras macro":

·Análise de alvo de ponto único: Integração de 10 s sob uma mancha de 50 μm2, em combinação com o algoritmo de suavização de Savitzky-Golay para eliminar o ruído, permitiu uma precisão de 94% (n = 200) no reconhecimento de picos característicos de microplásticos comuns, como PE (2845 cm-¹) e PVC (638 cm-¹).

·Imagem de mapeamento espacial: varredura de 2 μm de comprimento de amostras de membrana de filtro de 47 mm para gerar um termomapa de distribuição química de microplásticos (como ilustrado na Figura 2b) e cálculo sincronizado de parâmetros de distribuição de tamanho de partícula (como no caso real, D10 = 5 μm, D50 = 32 μm).

·Combinação multimodal: módulo de microinfravermelho (μ-FTIR) integrado para a detecção sincronizada de "dispersão de Raman + absorção de infravermelho" na mesma área, que compõe a área cega de identificação de uma única tecnologia espectral (por exemplo, Raman sensível a ligações não polares e infravermelho sensível a ligações polares).

Cenário de aplicação: análise da poluição de toda a cadeia de mídia de microplásticos

Com as vantagens de "detecção sem danos", "anti-interferência" e "alta resolução", a tecnologia de microraman cobre a análise de cadeia completa "rastreabilidade ambiental - risco biológico - segurança alimentar" da poluição por microplásticos, com os seguintes cenários de aplicação típicos:

2.1 Análise de rastreabilidade de meios ambientais

Para diferentes substratos ambientais como água do mar, solo e atmosfera, através da otimização dos métodos de pré-tratamento, a detecção eficiente e a rastreação de componentes de microplásticos podem ser alcançados. Parâmetros e casos específicos podem ser encontrados na Tabela 1:

2.2 Avaliação de risco de tecidos biológicos

Concentrando-se na bioacumulação e efeitos toxicos dos microplásticos, a tecnologia permite “localização in vivo + análise toxicológica”:

·Estudo de exposição humana: Em 2024, uma equipe da Universidade de Pequim usou um laser de 785 nm para evitar interferências de biofluorescência e detectou 12 microplásticos de PE (<10 μm) no tecido da placenta humana, confirmando que os microplásticos podem ser transmitidos para o feto através da mãe.

·Análise de toxicidade unicelular: o sistema AIRsight rastreia as partículas de PS (poliestireno) dentro dos macrófagos (picos caracterizados de 1002 cm-1) e analisa o grau de dano dos microplásticos à estrutura da membrana celular através de mudanças de deslocamento na faixa de proteamida I (1650 cm-1).

2.3 Controle da segurança alimentar

Soluções de teste de precisão para a contaminação por microplásticos nos materiais em contato com alimentos e nos próprios alimentos:

·Detecção de volume de migração: simulação de um cenário de utilização de garrafas de PP (polipropileno), detecção de partículas de microplástico de 2-8 μm no líquido simulado e cálculo de volume de migração em conformidade com o limite regulamentar da UE n.º 10/2011 (0,01 mg/kg).

·Análise de poluição composta: a identificação simultânea de PE (2845 cm-¹) em amostras de frutos do mar e Phi adsorvidos (1004 cm-¹) por meio de técnicas de co-localização revela o mecanismo de formação de poluição composta por meio de "acumulação π-π".

Vantagens tecnológicas e desafios existentes

3.1 Vantagens principais: comparação de desempenho com as principais tecnologias de teste

Em comparação com as técnicas tradicionais como microinfravermelho e termolítica GC-MS, o microraman tem vantagens significativas em termos de resolução espacial, proteção da amostra, etc. Veja a Tabela 2:

Progressos de vanguarda e direções futuras

4.1 Inovações tecnológicas de detecção

·Raman melhorado (TERS)Usando o microscópio de força atómica (AFM) com Raman, a resolução10 nmAnalisar com sucesso a distribuição de grupos de função superficial (tais como hidroxilo, carboxilo) de partículas nano-PS de 50 nm, fornecendo novas ferramentas para a pesquisa de nanoplásticos.

·Análise espectral auxiliar de IABaseado no modelo de aprendizagem profunda ResNet-50, com treinamento de dados de espectro Raman de mais de 10.000 microplásticos, 12 microplásticos comuns, como PE, PP e PVC, são classificados com precisão97.3%e reduzir o tempo de análise de 30 minutos para 2 minutos (como ilustrado na Figura 5c).

4.2 Expansão do sistema de aplicações

·Monitoramento em tempo realDesenvolvimento de uma sonda Raman submarina2000 m profundidade do marDetecção em tempo real de microplásticos no ambiente, sem coleta de amostras, para monitoramento a longo prazo de grandes corpos de água, como oceanos e lagos.

·Uso conjunto da omica espacialCombinando espectroscopia de Raman e técnicas de espectroscopia de massa, a análise da interface interativa entre microplásticos e micróbios revela o mecanismo molecular pelo qual os micróbios formam biofilmes na superfície de microplásticos, fornecendo uma base teórica para a reparação da poluição.

V. Conclusões e perspectivas

A tecnologia de espectroscopia de microraman, combinada com o “reconhecimento molecular de impressões digitais” e a “análise espacial submicrônica”, tornou-se uma ferramenta revolucionária para a pesquisa da poluição por microplásticos. O foco no futuro é em três direções:

1. Desenvolver o sistema integrado multimodal "Raman - Infravermelho - Eletroscópio", realizando a análise de "Composição - Morfologia - Estrutura" em uma parada única; Promover a construção de um sistema global unificado de padrões de teste para resolver o problema da comparabilidade dos resultados de diferentes laboratórios; Aprofundir a aplicação da inteligência artificial na análise de amostras de substâncias complexas (como tecidos biológicos, água do mar altamente salgada) para melhorar ainda mais a eficiência e a precisão da detecção.

Os avanços contínuos nesta tecnologia proporcionarão apoio tecnológico essencial para a implementação da Convenção Global sobre os Plásticos e contribuirão para a governança científica da poluição global por microplásticos.