Analytical Solutions for Microplastics

Význam tématu

Malé plastové částice (<5 mm), tzv. mikroplasty, představují rostoucí riziko pro mořské ekosystémy i lidské zdraví prostřednictvím bioakumulace přidaných látek a adsorbovaných kontaminantů. Spolehlivá, reprodukovatelná a škálovatelná analytika je proto nezbytná pro monitoring, posuzování rizik, standardizaci metod a podporu opatření v oblasti odstraňování, recyklace a regulace plastů v životním prostředí.

Cíle a přehled studie / článku

Dokument představuje soubor analytických řešení (převážně přístrojů a postupů Shimadzu) pro komplexní zpracování vzorků obsahujících mikroplasty: od odběru a automatizované přípravy, přes počítání a morfologii částic, až po materiálovou identifikaci a kvantifikaci organických i anorganických látek spojených s mikroplasty. Hlavním cílem je nabídnout praktické workflow pro různé typy vzorků (povrchové vody, sedimenty, organické tkáně, silniční nánosy) a porovnat výhody jednotlivých technik (neinvazivní FTIR/IR mikroskopie, destruktivní Py‑GC‑MS, obrazová analýza, termická analýza apod.).

Použitá metodika a instrumentace

Souhrn použitých metodických kroků:

• Odběr vzorků: neuston sítě pro moře, odběry z říčních mostů, sběr sedimentů a biotických vzorků.
• Příprava: automatizovaná příprava MAP‑100 zahrnující enzymatickou/chemickou digestci organického materiálu (H2O2), separaci podle hustoty (NaI) a filtraci (rozsah 0.3–5 mm pro MAP‑100; pozor na vysoký podíl písku/mulče).
• Obrazová a velikostní analýza: dynamický systém iSpect DIA‑10 podle ASTM D8489 (5–100 µm) pro počty, velikostní rozdělení a tvarovou charakterizaci.
• Spektroskopická identifikace: FTIR (IRSpirit/IRTracer/IRXross) s QATR‑S (ATR), AIMsight/AIRsight infračervené mikroskopy s vysokorychlostním mapováním a programy pro analýzu částic; Raman (v AIRsight) pro sub‑10 µm částice.
• Destruktivní materiálová analýza: Pyrolytická GC‑MS (EGA/PY‑3030D + GCMS‑QP2020 NX / QP2050) s kalibracemi založenými na MP standardech a softwaru F‑Search MPs 2.0.
• Termální analýza: DSC (DSC‑60 Plus) pro stanovení poměrů komponent v blendovaných polymerech (výpočet z tepla tání nebo kalibrační křivky).
• Elementární analýza: energeticky disperzní rentgenová fluorescenční spektrometrie (EDX‑8000/EDX‑8100) pro měření kovových povlaků (Cu apod.).
• Analýza adsorbovaných toxikantů: GC‑MS/MS pro PAH a LC‑MS/MS (LCMS‑8060RX) pro PFAS na extraktech mikroplastů.
• Příprava homogenizovaných vzorků pro Py‑GC‑MS: kryogenní mlýn (IQ MILL‑2070) a použití SiO2 jako pomocného materiálu.

Použitá instrumentace

Vybrané přístroje a příslušenství zmíněné v textu:

• MAP‑100 Microplastic Automatic Preparation Device
• IRSpirit‑X / IRSpirit‑TX / IRTracer‑100 / IRXross FTIR systémy
• QATR‑S (Single‑reflection ATR), Quest (diamond prism)
• AIMsight / AIRsight infračervené mikroskopy, PF (Particle Filter) holder, širokoúhlá kamera
• Pyrolyzer EGA/PY‑3030D (Frontier) + GCMS‑QP2020 NX nebo GCMS‑QP2050
• F‑Search MPs 2.0 software pro Py‑GC‑MS kvantifikaci
• iSpect DIA‑10 Dynamic Particle Image Analysis System
• DSC‑60 Plus (differential scanning calorimeter)
• IQ MILL‑2070 kryogenní mlýn
• EDX‑8000 / EDX‑8100 rentgenové fluorescenční spektrometry
• GCMS‑TQ8040RX (GC‑MS/MS) a LCMS‑8060RX (LC‑MS/MS) pro toxikologické analýzy

Hlavní výsledky a diskuse

• Automatizovaná příprava (MAP‑100) výrazně snižuje pracovní náročnost, zvyšuje reprodukovatelnost a zlepšuje bezpečnost manipulace s korozivními činidly; v reálných vzorcích odstraní většinu organických a anorganických nečistot a umožní získat spektroskopicky "čistší" spektra.
• FTIR s databází UV‑poškozených plastů výrazně zlepšuje identifikaci degrado­vaných částic; příklady ukázaly vysoko skóre shody pro PE a PP exponované UV.
• High‑speed mapping a PF‑holder umožňují u IR mikroskopie rychlé a přesné mapování částic menších než 100 µm – doba měření se zkrátila až osminásobně v konkrétním příkladu.
• Obrazová analýza (iSpect DIA‑10) dle ASTM D8489 poskytuje rychlé kvantitativní údaje o počtech, velikostním rozdělení a tvaru částic v rozmezí 5–100 µm; vhodná pro screening a sledování trendů.
• Py‑GC‑MS s kalibrací na MPs referenčním materiálu vykázal výbornou linearitu (R2 ≥ 0.995) pro 12 běžných polymerů; umožnil kvantifikovat směsi bez izolace jednotlivých frakcí (příklad: silniční nánosy – převaha PE; významný podíl SBR z opotřebení pneumatik).
• Komparace FTIR vs. Py‑GC‑MS: FTIR poskytuje početní a typovou informaci (častěji v % z počtu), Py‑GC‑MS umožňuje přesněji kvantifikovat hmotnostní podíl jednotlivých polymerů (rozdílné výsledky počtu vs. hmotnosti ilustrují kompozitní povahu vzorku).
• DSC je vhodné pro odhad složení blendů pomocí tepla tání; pokud topné píky překrývají, lze použít aproximaci nebo kalibraci z čistých materiálů (přesnost závisí na separovatelnosti píků).
• Adsorpční studie ukázaly, že PAH se preferenčně vážou na PP a PE; u PFAS byl posteru závislý chování (některé látky se adsorbovaly výrazněji, jiné méně), což naznačuje význam povrchové chemie polymeru pro sorpci kontaminantů.
• EDX/XRF analýzy prokázaly přítomnost vysokých obsahů Cu v některých recyklovaných sítích (8–15 wt%), což má dopady na recyklovatelnost a potenciální toxicitu.

Přínosy a praktické využití metody

• Integrované workflow (automatická příprava → obrazová analýza → FTIR/Raman → Py‑GC‑MS) umožňuje robustní monitoring mikroplastů v různých matricích, s jasným rozdělením mezi screeningem a kvantitativní analýzou.
• Automatizace skracuje čas a snižuje variability mezi operátory, což je zásadní pro porovnatelnost dat mezi laboratořemi a pro podporu standardizačních iniciativ.
• Py‑GC‑MS je vhodné pro komplexní, směsné a silně kontaminované vzorky, kde nelze snadno izolovat jednotlivé částice; FTIR/Raman zůstávají preferované pro neinvazivní identifikaci a prostorové mapování.
• Metody podporují praktická rozhodnutí: posuzování rizik (adsorpce toxikantů), hodnocení recyklovatelnosti (přítomnost kovových nátěrů), zdrojová identifikace (např. SBR z pneumatik) a podpora standardizačních testů (ASTM/ISO).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další standardizace metod (ASTM WK87463, ISO iniciativy) a jednotné protokoly pro odběr, přípravu a reporting dat.
• Rozvoj a rozšíření databází spekter pro UV/termicky degradované polymery a kombinace s chemometrickými/ML nástroji pro rychlejší a přesnější identifikaci.
• Integrace vysokorozlišovací obrazových metod s chemickou senzori­kou a automatizovanou analýzou dat (AI‑poháněné vyhledávání a kvantifikace částic).
• Vývoj citlivějších technik pro částice <1 µm a snížení LOD pro toxikanty adsorbované na mikroplastech; miniaturizace a přenositelné systémy pro in‑field screening.
• Zaměření na kvantifikaci toxikantů a bioaktivních aditiv v kontextu bioakumulace a transferu v potravinovém řetězci; vícedisciplinární přístupy spojující chemii, toxicologii a ekologie.

Závěr

Publikované řešení demonstruje, že kombinace automatizované přípravy (MAP‑100), rychlé obrazové analýzy (iSpect DIA‑10), cílené spektroskopie (FTIR/AIMsight, AIRsight), destruktivní pyrolýzy (Py‑GC‑MS) a doplňkových technik (DSC, EDX/XRF, LC‑/GC‑MS/MS) poskytuje komplexní, prakticky použitelný rámec pro studium mikroplastů. Takové integrované workflow zlepšuje reprodukovatelnost, umožňuje detailní materiálovou a hmotnostní kvantifikaci a podporuje standardizační snahy a environmentální politiky.

Reference

1. Kühn S., Jamieson A., Keighley R., Egelkraut‑Holtus M. In every ocean, at every depth - microfibers and microplastics, Micro FTIR analysis of smallest particles from deep sea to polar ice. SHIMADZU NEWS. 2018.
2. Tomoya Kataoka, Yota Iga, Rifqi Ahmad Baihaqi, et al. Geometric relationship between the projected surface area and mass of a plastic particle. Water Research. 2024;261:122061.
3. ASTM D8489. Test Method for Determination of Microplastics Particle and Fiber Size, Distribution, Shape, and Concentration in Waters with High to Low Suspended Solids Using a Dynamic Image Particle Size and Shape Analyzer. ASTM International. 2023.
4. ASTM WK87463. New Test Method for Spectroscopic Identification and Quantification of Microplastic Particles in Water Using Infrared (IR) Spectroscopy. ASTM International. (pracovní dokument)
5. ASTM D8402. Standard Practice for Development of Microplastic Reference Samples for Calibration and Proficiency Evaluation in All Types of Water Matrices. ASTM International.
6. ASTM D8333. Standard Practice for Preparation of Water Samples with High, Medium, or Low Suspended Solids for Identification and Quantification of Microplastic Particles and Fibers Using Raman Spectroscopy, IR Spectroscopy, or Pyrolysis‑GC/MS. ASTM International.
7. Hartl M. G. J., Watson D., Davenport J. Biofouling in the Marine Aquaculture Industry, with Particular Reference to Finfish – Current Status and Future Challenges. Marine Estate Research Report (AQU/06/03). 2006.
8. Nikolaou M., Neofitou N., Skordas K., Castritsi‑Catharios I., Tziantziou L. Fish farming and anti‑fouling paints: a potential source of Cu and Zn in farmed fish. Aquaculture Environment Interactions. 2014;5:163–171.
9. Yasojima M., Mizuka H., Mine T., Takemori H., Takeuchi S., Yasui Y. Adsorption Characteristics of Chemical Substances on Microplastics. Proceedings of the 22nd Symposium of the Japan Society on Water Environment. 2019.
10. Yasojima M., Mizuka H., Mine T., Takemori H. Existence of Unknown Chemical Substances Adsorbed on Microplastics Immersed in Rivers and Adsorption Characteristics of Chemical Substances on Microplastics. Proceedings of the 56th Environmental Engineering Research Forum. 2019.
11. Shimadzu Corporation. Analytical Solutions for Microplastics (C10G‑E083B). First Edition June 2020; © Shimadzu Corporation 2026.