Klasifikace mikroplastů pomocí KnowItAll
- foto: Wiley: KnowItAll Microplastic Classification
Autoři: Michelle D'Souza, Ph. D., Graeme Whitley, Natalie Clines, Keith Kunitsky, Gabrielle Bethancourt-Hughes, Zille Huma (Wiley Science Solutions)
Mikroplasty jsou všude [1-3]. Studie zjistily, že mají hluboký dopad na životy všech druhů. Klasifikaci/identifikaci environmentálních vzorků je v poslední době věnována velká pozornost. Jednou z oblíbených metod je použití technologií IR/Ramanovy spektroskopie [2,4,5]. Tyto technologie mají prokázanou účinnost při analýze polymerů, jakožto původců mikroplastů. Není však snadné shromáždit vzorky pro vytvoření spolehlivých referenčních spektrálních databází pro porovnání neznámých vzorků. Organizace zabývající se spektrální analýzou jsou pod tlakem, aby poskytly rychlý, snadný a levný nástroj, který by tuto výzvu splnil.
Vizuální srovnání typických IČ spekter mikroplastů [4,5] se spektry mateřských polymerů, která jsou k dispozici v KnowItAll IR Spectral Library [ 6,7], nás vede k přesvědčení, že IČ spektra mikroplastů vykazují podobné vlastnosti. Proto byla pomocí patentované technologie Overlap Density Heat Map (ODHM) odvozena "klasifikační spektra". Naše studie naznačuje, že tato klasifikační spektra lze použít pro klasifikaci neznámých mikroplastů. V kombinaci s rozsáhlými databázemi KnowItAll IR, které nabízí společnost Wiley, lze mikroplasty identifikovat.
Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů - úvod
Výzkum také ukázal, že Ramanova spektra mikroplastů lze porovnat se spektrem mateřských polymerů [2]. Pro identifikaci mikroplastů doporučujeme použít KnowItAll Raman Spectral Library [6,7], která je nejrozsáhlejší kolekcí na světě.
Metoda
IR
IR spektrální databáze pro klasifikaci mikroplastů byla vytvořena pomocí patentované technologie ODHM. V současné době obsahuje tyto třídy a je rozšiřitelná:
- Polyethylen (IR a ATR-IR)
- Polyakrylát (IR)
- Polyamid (IR a ATR-IR)
- Polykarbonát (IR a ATR-IR)
- polypropylen (IR a ATR-IR)
- Polystyren (IR a ATR-IR)
- Polyvinylchlorid (IR a ATR-IR)
- Chlorovaný polyvinylchlorid (IR)
- Polyester (IR)
Pro vyhodnocení klasifikační IR databáze mikroplastů byly získány soubory dat pro testování mikroplastů (IR a Raman) z otevřených zdrojů, jako je US EPA [8], University of Southampton [9] a OpenSpecy [10]. Schopnost separace a klasifikace tříd mikroplastů byla podrobena studiu. Dále byla také zkoumána možnost použití klasifikačních spekter v kombinaci se skutečnými spektry z databáze plastů.
Raman
Zkoumali jsme různé třídy Ramanových spekter plastů a dospěli jsme k závěru, že je obtížné sestavit klasifikační spektra pro každou třídu plastů. Vzhledem k tomu, že sbírka Ramanových spekter Wiley je relativně malá a levná, lze pomocí stávající sbírky Ramanových dat identifikovat mikroplasty [8].
Výsledky a diskuse
IR klasifikace mikroplastů a rozdělení tříd
K porovnání spekter mikroplastů ze tří testovacích souborů dat s databází pro IR klasifikaci mikroplastů byl použit korelační algoritmus. Ze spektrálního porovnání byly vyloučeny píky oxidu uhličitého a vodní páry existující ve spektrech vzorků. Shody byly posuzovány podle dobrého zarovnání píků a také podle hodnot indexu kvality hitů (HQI). Níže jsou uvedeny výsledky těchto studií.
US EPA Dataset
IR: 89 spekter a 11 typů Raman: 60 záznamů
Pro každou třídu mikroplastů existují replikované IR vzorky; vybrali jsme jeden příklad, který uvádíme. Pozorovali jsme dobré hodnoty HQI a zarovnání píků mezi jednotlivými hity (tabulka 1). U druhé třídy hitů jsme pozorovali dobrou separaci, ale špatné zarovnání píků. (https://catalog.data.gov/dataset/isotope-ratio-massspectrometry- irms-and-spectroscopic-techniques-for-microplastic-charact)
Tabulka 1 - Soubor dat EPA pro testování spektra pro klasifikaci mikroplastů Wiley: KnowItAll Microplastic Classification: Tabulka 1 - datová sada EPA pro testování klasifikačních spekter mikroplastů
U. of Southampton
IR - 2 675 spekter
Žádné ze spekter vzorků nebylo označeno pro konkrétní třídu. V případě opakovaných odběrů vzorků jsme pro testování vybrali jedno z opakovaných spekter. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 2.
Tabulka 2 - Vzorky Southamptonu pro testování spekter pro klasifikaci mikroplastů. Wiley: KnowItAll Microplastic Classification: Tabulka 2 - Southamptonské vzorky pro testování klasifikačních spekter mikroplastů.
Open Specy
IR/ATR-IR - 636 spekter
Většina spekter v této databázi je ATR-IR. Mnohá spektra vzorků jsou si navzájem podobná. Pro tyto případy jsme vybrali jedno spektrum za účelem testu. Jak je zobrazeno v tabulce 3, spektra byla účinně klasifikována.
Tabulka 3 - Vzorky OpenSpecy pro testování spekter pro klasifikaci mikroplastů. Wiley: KnowItAll Microplastic Classification: Tabulka 3 - vzorky OpenSpecy pro testování spekter pro klasifikaci mikroplastů.
Příklady použití Spektroskopické edice KnowItAll pro klasifikaci a identifikaci neznámých mikroplastů:
Vzhledem k naléhavé potřebě analýzy mikroplastů zařazujeme do KnowItAll Spectroscopy Edition databázi spekter pro klasifikaci mikroplastů, aby uživatelé mohli okamžitě ovlivnit tuto důležitou oblast výzkumu, která je kritická pro naše životní prostředí.
Obrázek 1. IR - EPS.0_Mikroplasty Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 1. IR - EPS.0_Microplastic
Obrázek 2. IR - Čirá modrá láhev na vodu_Mikroplast. Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 2. IR - Čirá modrá láhev na vodu_Mikroplast
V tomto případě spektrum vzorku nejlépe odpovídá spektru komerčního polymerního výrobku. Polymer však nelze snadno identifikovat. Shoda klasifikačního spektra nastala až u šestého hitu, který klasifikuje neznámý mateřský polymer jako polyester.
Obrázek 3a. IR - Hnědé víko_Mikroplast Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 3a. IR - hnědé víko_Mikroplast
Obrázek 3b. IR - detail obrázku 3a - hnědé víko_Mikroplast Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 3b. IR - detail obrázku 3a - hnědé víko_Mikroplast
Přiřazení neznámého vzorku ke komerčním názvu opět znamená jen velmi málo. Spektrum vzorku mikroplastu klasifikuje mateřskou sloučeninu v tomto příkladu jako polyethylen.
Obrázek 4. Raman - HDPE Bead_Microplastic Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 4. Raman - HDPE Bead_Microplastic
Vzorky mikroplastů lze pomocí Ramanovy spektrální databáze Wiley identifikovat hospodárně a přesně.
Obrázek 5a. Raman - PS Clear_Microplastic Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 5a. Raman - PS Clear_Microplastic
Obrázek 5b. Raman - špatná základní linie Wiley: KnowItAll Klasifikace mikroplastů: Obrázek 5b. Raman - špatná základní linie
Původní vzorek mikroplastů má špatnou základní linii (obrázek 5b), ale to není problém pro funkci KnowItAll Optimized Correction (Obrázek 5a).
Závěr
Zjistili jsme, že IR/ATR-IR klasifikace mikroplastů pomocí klasifikačních spekter je účinnou metodou pro klasifikaci neznámých vzorků mikroplastů v IR oblasti. Výsledky vyhledávání poskytují dostatečné oddělení hodnot HQI mezi jednotlivými třídami, aby měl odborník v praxi důvěru v klasifikaci. "Klasifikační IR databáze mikroplastů" poskytuje výsledky okamžitě.
Klasifikační IR databáze mikroplastů je k dispozici v rámci aktualizačního balíčku pro KnowItAll Spectroscopy Edition pro rok 2021 a je k dispozici jako nová funkce pro všechny stávající předplatitele. Díky tomu mohou všichni uživatelé účinně a efektivně řešit znečištění mikroplasty. Odborníci z praxe, kteří potřebují provádět komplexnější identifikaci mikroplastů, by měli zvážit přidání předplatného k rozsáhlejším kolekcím IR a Raman.
[1] National Oceanic and Atmospheric Administration. What are microplastics? (accessed 9 September 2021).
[2] Sh.R. Pozdnyakov, E.V. Ivanova, A.V. Guzeva, E.P. Shalunova, K.D. Martinson, D.A. Tikhonova. (2020). Studying the concentration of microplastic particles in water, bottom sediments and subsoils in the coastal area of the Neva Bay, the Gulf of Finland. Water Resources 47(4): 599–607.
[3] S. Selvam, A. Manisha, S. Venkatramanan, S.Y. Chung, C.R. Paramasivam, C. Singaraja. (2020). Microplastic presence in commercial marine sea salts: A baseline study along Tuticorin Coastal salt pan stations, Gulf of Mannar, South India. Marine Pollution Bulletin 150: 110675.
[4] M.G.J. Löder and G. Gerdts (2015). Methodology Used for the Detection and Identification of Microplastics— A Critical Appraisal. In: Bergmann M., Gutow L., Klages M. (eds) Marine Anthropogenic Litter. Springer, Cham.
[5] S. Tagg, J.P. Harrison, Y. Ju-Nam, M. Sapp, E.L. Bradley, C.J. Sinclair, J.J. Ojeda. (2017). Fenton’s reagent for the rapid and efficient isolation of microplastics from wastewater. Chem. Commun. 53: 372-375.
[6] KnowItAll Software (version 2021). John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ (2021). [Computer Software]
[7] KnowItAll IR & Raman Spectral Libraries. John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ (2021). [Computer Software]
[8] Isotope ratio mass spectrometry (IRMS) and spectroscopic techniques for microplastic characterization. (2021) U.S. EPA Office of Research and Development (ORD). https://catalog.data.gov/dataset/isotope-ratio-mass-spectrometry-irms-and-spectroscopic-techniques-for-microplasticcharact [Dataset]
[9] Stead, Jessica, Laura (2021) Data: FTIR spectra for particles in subsampled water samples from Southampton Water and analysed for microplastic content. University of Southampton doi:10.5258/SOTON/D1892 [Dataset]
[10] Cowger W, Steinmetz Z, Gray A, Munno K, Lynch J, Hapich H, Primpke S, De Frond H, Rochman C, Herodotou O (2021). “Microplastic Spectral Classification Needs an Open Source Community: Open Specy to the Rescue!” Analytical Chemistry, 93(21), 7543–7548. [Dataset]
