Guía para la identificación de microplásticos por espectroscopía FTIR y Raman
Introducción
La presencia de microplásticos en el medio ambiente y en nuestra cadena alimentaria es motivo de creciente preocupación. Esto ha llevado a un aumento de las pruebas para detectar la presencia de microplásticos en una variedad de muestras, incluidas agua embotellada, de mar y agua dulce, lo que ha dado lugar a una legislación más estricta para limitar la cantidad de plásticos que ingresan al ecosistema. Las espectroscopias de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) y Raman se han utilizado durante mucho tiempo para el análisis de polímeros y, por lo tanto, es natural que sean las técnicas de facto para identificar microplásticos. Esta nota proporciona una descripción general de las técnicas FTIR y Raman aplicadas a la identificación de microplásticos.
Microplásticos: materiales comunes
Un microplástico es una pequeña pieza de plástico de menos de 5 mm de tamaño. En la Tabla 1 se proporciona una lista de polímeros comunes que se encuentran en los microplásticos.
De estos materiales, el polipropileno y polietileno prevalecen particularmente en el medio ambiente debido a su producción en grandes cantidades para aplicaciones de empaques. Las bolsas plásticas están hechas de polietileno, mientras que el polipropileno se usa para envoltorios de dulces y tapas de botellas. Estos polímeros flotan tanto en agua dulce como salada, lo que les permite viajar largas distancias desde la fuente inicial de contaminación.
Los espectros de infrarrojo y Raman del polietileno y polipropileno se muestran en las Figuras 1 y 2, respectivamente. Aunque tanto el polietileno como el polipropileno son poliolefinas simples, pueden identificarse y distinguirse fácilmente por instrumentos FTIR y Raman, que son técnicas comúnmente utilizadas en las industrias de polímeros y plásticos. Los otros polímeros enumerados en la Tabla 1 también son identificables por sus espectros IR y Raman.
Microplásticos: abarcan una amplia gama de tamaños
Para ser clasificado como un microplástico, la pieza de plástico en cuestión debe ser pequeña. ¿Cuán pequeño? La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) define un microplástico como aquel que tiene menos de 5 mm de largo. Muchas partículas de interés son más pequeñas que esto, típicamente entre 100 μm y 1 μm. Esto representa un gran rango de tamaños; desde objetos que son fácilmente visibles a simple vista hasta pequeñas partículas o fibras que solo pueden observarse con un microscopio de alta calidad.
Algunos microplásticos están diseñados deliberadamente para ser pequeños. Estos se denominan microplásticos “primarios”. Los microplásticos primarios son un objetivo para el control legislativo. Un ejemplo es la prohibición estadounidense de microesferas en productos de cuidado personal, promulgada bajo la Ley Aguas Libres de Microesferas de 2015. Otros microplásticos comienzan como artículos más grandes que se descomponen en partículas más pequeñas en el medio ambiente. Estos se designan como microplásticos secundarios. Tanto los microplásticos primarios como los secundarios son motivo de preocupación en el medio ambiente debido a su posible impacto en la vida marina.
Las preocupaciones en torno a la amenaza que representan los microplásticos para la salud de los organismos a lo largo de la cadena alimentaria, incluyen la ingestión por parte de organismos marinos, por ejemplo, zooplancton, la presencia de materiales tóxicos utilizados en la fabricación de los plásticos, por ejemplo, bisfenol-A, y el transporte de contaminantes orgánicos persistentes (COP) por parte de las partículas microplásticas. Si bien tanto FTIR como Raman pueden identificar una larga lista de materiales plásticos, varias opciones entran en juego al abordar el rango de tamaños de partículas. Mientras el tamaño de la partícula disminuye, aumenta la sofisticación y el costo del equipo necesario para su análisis. Por lo tanto, la primera consideración a tener en cuenta debe ser el tamaño de los microplásticos a estudiar, cuando se selecciona la plataforma analítica adecuada. Estas consideraciones y más se discutirán a lo largo de este documento, brindando una descripción general y una guía general sobre los instrumentos espectroscópicos para el análisis de microplásticos.
Análisis de partículas desde 5 mm hasta 100 micras
Las partículas en el rango de 5 mm a 100 micrones son visibles a simple vista y pueden, con mano firme, ser manipulado con pinzas. Como estos son fáciles de ver y manipular, el sistema espectroscópico requerido para su análisis es relativamente simple. Con mucho, la técnica espectroscópica más común para el análisis de polímeros es un Espectrómetro FTIR acoplado con un accesorio de reflexión total atenuada (ATR). El ATR permite obtener el espectro IR de un material simplemente presionando la muestra contra un cristal transparente, comúnmente de diamante. La luz infrarroja pasa a través del cristal hacia la muestra, donde la energía es absorbida por la muestra y la luz se refleja de nuevo en el cristal para generar un espectro. En la Figura 3 se muestra un espectrómetro FTIR Thermo Scientific™ Nicolet™ Summit equipado con un ATR Thermo Scientific™ iD7 de diamante. El diamante tiene un par de mm de diámetro y no necesita estar completamente cubierto por la muestra, lo que lo hace ideal para el análisis de muestras en este rango. Se debe tener cuidado porque con una medición por ATR, se detectarán materiales que están en la superficie de la muestra. Esto es ventajoso si es de interés un revestimiento superficial, tal como una toxina absorbida. Sin embargo, si una muestra se ha desgastado (superficie irregular), esto puede interferir con su identificación. Si esto ocurre, la superficie debe eliminarse antes del análisis mediante rebanado o pulido.
El accesorio de ATR que se muestra en la Figura 3 no permite ver la muestra después de haberla colocado entre el brazo ATR y el cristal de diamante. Esto no presenta ningún problema cuando se trata de muestras en el rango de 5 mm a 1 mm. Sin embargo, para muestras más pequeñas que esta, es preferible poder ver la muestra en el accesorio y posterior medición. Hay accesorios ATR disponibles que pueden proporcionar visualización y ampliación, lo que facilita el análisis de muestras en el rango de 1 mm a 70 micras. Un ejemplo de dicho accesorio es el Czitek SurveyIR®, que se muestra en la Figura 4.
Un espectrómetro FTIR con un accesorio ATR es fácil de usar y relativamente económico. Además, el tamaño compacto del espectrómetro Nicolet Summit permite moverlo cerca de donde se recolectarán y estudiarán los microplásticos. Esto puede ser una ventaja en los estudios ambientales realizados fuera del laboratorio.
Análisis de partículas desde 100 micras hasta 1 micra
Cuando el tamaño de la partícula cae muy por debajo de 100 micrones, se requiere un mayor aumento. Aquí hay dos opciones; microscopía IR y microscopía Raman (ambas técnicas también se conocen como microespectroscopía).
Microscopía Infrarroja
La microscopía infrarroja permite la identificación de partículas de hasta 10 micrones o menos. Hay varias opciones disponibles con respecto a la técnica de muestreo y el grado de automatización deseado para el análisis.
Las técnicas de muestreo utilizadas en microscopía infrarroja incluyen transmisión, reflexión y ATR. Transmisión generalmente da como resultado espectros de mejor calidad, pero a menudo requiere que la muestra se presione o se procese de otra manera para que tenga menos de 100 micrones de espesor y así permitir que la luz infrarroja pase a través de la muestra. La reflexión es, en principio, la técnica más sencilla, ya que no requiere preparación de la muestra ni interacción entre el microscopio y la muestra. Sin embargo, puede dar como resultado espectros distorsionados, lo que puede complicar la identificación de los componentes del polímero. La medición de la muestra con ATR funciona como se describe en la sección anterior. Una desventaja de usar ATR con microscopía, es la posibilidad de contaminación cruzada entre mediciones consecutivas debido a que el accesorio ATR entra en contacto con la muestra. Esto no es un problema con los sistemas ATR manuales donde el cristal se limpia fácilmente entre mediciones. Sin embargo, en los sistemas de microscopios automatizados, en los que el ATR entra en contacto repetido con la muestra sin limpiarse entre mediciones, el arrastre de muestras puede presentar un problema. Por lo tanto, la elección de la técnica de muestreo depende en gran medida de la naturaleza de la muestra.
Los grados de automatización disponibles en un microscopio infrarrojo, van desde un simple análisis de apunta y dispara de un solo punto, hasta imágenes completamente automatizadas que cubren un área más grande de la muestra y miden múltiples partículas.
La Figura 5 muestra el Microscopio Infrarrojo Thermo Scientific™ Nicolet™ iN5 conectado al espectrómetro FTIR Nicolet iS20. Este es un microscopio IR de apuntar y disparar diseñado para una operación simple. Ejemplos de espectros de microesferas, un microplástico primario en productos de consumo, que se obtuvieron usando este sistema, se muestran en la Figura 6.
Los análisis de apuntar y disparar o de un solo punto, son ideales para situaciones en las que solo se debe ubicar y analizar una pequeña cantidad de partículas. El costo de este sistema es relativamente bajo, fácil de usar y aprender. Sin embargo, si se van a analizar grandes cantidades de partículas, es deseable cierto nivel de automatización.
La filtración se utiliza con frecuencia como paso final en el aislamiento de microplásticos de su matriz. Muchas partículas pueden ser capturadas en la superficie de un filtro donde analizar estas partículas filtradas una por una es un proceso laborioso. Por lo tanto, es deseable cierto nivel de automatización al analizar partículas a través de la superficie del filtro. La recopilación y el análisis de datos se pueden automatizar mediante el uso de un microscopio equipado con una platina motorizada y el software asociado. El Microscopio FTIR de Imágenes Thermo Scientific™ Nicolet™ iN10 MX, que se muestra en la Figura 7, proporciona este útil nivel de automatización.
Hay dos enfoques principales para recopilar datos de partículas distribuidas en un filtro. El primero es el análisis de partículas discretas. En este enfoque, el análisis se realiza en la imagen de video del filtro para ubicar las posiciones de las partículas. Luego, el sistema recopila automáticamente los espectros de cada ubicación y luego identifica cada partícula de su espectro.
El segundo enfoque son las imágenes. En este caso, se recopila una imagen infrarroja de toda la región de interés, en la que cada píxel contiene un espectro infrarrojo. Esto proporciona una “imagen” química del filtro. El análisis automatizado de esta imagen por software puede producir información sobre la identidad, el número y el tamaño de las partículas individuales. Dicho análisis se muestra en la Figura 8. Aquí, se identifican dos tipos de partículas a partir de sus espectros IR. El análisis de imágenes proporciona información sobre el número y las dimensiones de estas partículas. Si bien, en principio, esta es una solución elegante, existen algunos inconvenientes en comparación con el análisis de partículas discretas. La primera es que la imagen puede contener una cantidad sustancial de datos redundantes. Puede haber solo un pequeño porcentaje del conjunto de datos de la imagen que contiene información sobre las partículas, siendo el resto el filtro. Como la imagen contiene al menos cuatro dimensiones de datos (posición x, posición y, longitud de onda espectral y absorción), el tamaño del “cubo de datos” que contiene muchos miles de espectros puede ser excesivo. El segundo factor es que los detectores de matriz utilizados para la formación de imágenes, son más caros que los detectores simples de un solo punto utilizados para el análisis de partículas discretas. El enfoque elegido depende de la situación de 1.) cuántas partículas se van a analizar, 2.) en qué período de tiempo y 3.) qué tan grande es el área. Afortunadamente, el microscopio IR Nicolet iN10 MX ofrece opciones para todos los modos de muestreo y automatización.
Microscopía Raman
Tanto la espectroscopia Raman como la FTIR son capaces de identificar microplásticos. Sin embargo, la espectroscopia Raman tiene tres ventajas únicas cuando se aplica a la microscopia. La primera es que utiliza láseres de longitud de onda submicrométrica como fuente de luz y, como tal, es capaz de resolver partículas de hasta 1 micra o menos. La microscopía FTIR utiliza luz infrarroja como fuente, lo que da como resultado un rango de longitud de onda que pierde la capacidad de identificar partículas muy por debajo de las 10 micras. La segunda es que, a diferencia de los sistemas IR, los microscopios Raman están construidos alrededor de microscopios de luz blanca de grado de investigación, que facilitan la visualización de las partículas. El tercero es la facilidad de muestreo. No es necesario elegir entre las técnicas de muestreo de transmisión, reflexión y ATR requeridas para las mediciones FTIR. El láser del sistema Raman se enfoca en la muestra y el espectro se adquiere simplemente recogiendo la luz dispersada.
Entonces, ¿por qué la microscopía Raman no siempre es la mejor opción para el análisis de microplásticos? Para equilibrar las ventajas, existen tres desventajas clave. El primero es el desconocimiento. La espectroscopia FTIR ha existido por más tiempo que la Raman como una técnica analítica común, y evolucionó con el crecimiento de la industria de polímeros. Debido a esto, hay una mayor cantidad de datos históricos sobre la espectroscopia IR que la espectroscopia Raman para el análisis de polímeros. Sin embargo, esta brecha está disminuyendo a medida que pasa el tiempo y ciertamente hay suficientes espectros de referencia disponibles para permitir la identificación de microplásticos comunes. La segunda desventaja es el costo, ya que debido a los costos de los componentes, los sistemas Raman de grado investigación son más costosos que sus equivalentes IR. El tercer inconveniente es la fluorescencia. Algunas muestras exhiben fluorescencia cuando son irradiadas por un láser. La fluorescencia puede anular la señal Raman analítica. Esto se puede mitigar de varias maneras, por ejemplo, mediante la selección de longitudes de onda de láser apropiadas, pero la fluorescencia de la muestra sigue siendo un problema en la microscopía Raman que no se encuentra en la FTIR. Dicho todo esto, la microscopía Raman sigue siendo la técnica de elección para partículas de menos de 10 micrones debido a la longitud de onda de la radiación usada en esta tecnología.
Como se discutió anteriormente, las opciones de muestreo para la microscopía Raman son generalmente triviales. A diferencia de la microscopía FTIR, donde la calidad del espectro depende de manera crítica de la técnica de muestreo, la microscopía Raman simplemente mide la luz láser dispersada por la muestra sin necesidad de un muestreo especial. Las consideraciones clave para la microscopía Raman están relacionadas con la elección del láser, que afecta la intensidad de la señal y la fluorescencia de la muestra.
Al igual que con la microscopía IR, la Raman ofrece una selección de opciones de automatización, desde el simple apuntar y disparar para el análisis de partículas discretas hasta la obtención de imágenes de alta velocidad. El microscopio Raman Thermo Scientific™ DXR3 que se muestra en la Figura 9, es un sistema de microscopía Raman totalmente automatizado. Al igual que con la microscopía IR, el costo, la complejidad y la sofisticación del análisis, aumentan con el grado de automatización requerido. El análisis de microplásticos en un filtro por Raman se muestra en la Figura 10.
Conclusiones
La espectroscopía FTIR y Raman son poderosas herramientas analíticas para identificar microplásticos en el medio ambiente y agua embotellada. Hay muchas soluciones disponibles, desde simples dispositivos de apuntar y disparar hasta sofisticados sistemas de imágenes. La elección del sistema depende del tamaño de las partículas, dónde se realizará el análisis y el grado de automatización. Esta información se resume en la guía de selección de instrumentos que se muestra en la Tabla 2.
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