マイクロプラスチックは環境の健康と安全に関する懸念事項となっていますが、その長期的な影響については完全には理解されていません。マイクロプラスチックは、5mm未満のプラスチックごみとして定義され、海洋ごみの中で最も豊富に存在する形態です。マイクロプラスチックは一次と二次に分類されます。一次マイクロプラスチックには、繊維やビーズなどの小さな製造品が含まれます。二次マイクロプラスチックには、物理的、化学的、生物学的プロセスの組み合わせによって形成された断片が含まれます。
研究所は、環境サンプルから候補となるマイクロプラスチックを定期的に分析する能力を拡大する必要があります。分光技術はポリマーの識別に適しており、これにより起源の特定や生物学的影響の予測が助けられます。実験室のラマン分光計は、共焦点顕微ラマンや顕微フーリエ変換赤外分光計（FTIR）の代替として、ポリマー材料の迅速な識別に使用されます。しかし、非常に小さなサンプルは従来のラマン分析には適していません。このアプリケーションノートでは、顕微ラマン分光計を使用して非常に小さなマイクロプラスチック粒子を識別しました。
ラマン分光計は、さまざまな用途に対して多くの利点と適応性を持っています。顕微ラマンは、もう一つのマイクロプラスチック識別に頻繁に使用される技術であるFTIRよりも、小さな粒子（<100 μm）のサンプリングを容易にします。ラマンシステムは他のほとんどの技術よりもはるかに携帯性が高いため、現場で直接テストを行うことができます。
染料による干渉を除けば、ポリマーやプラスチックはラマン分析に適しています。図1は、1064 nmの励起で測定されたバルクポリエチレンおよびポリプロピレン材料のラマンスペクトルを示しています。プラスチックはそのスペクトル特性によって明確に区別できます。
この技術資料では、河口表面水から回収されたマイクロプラスチックの識別における携帯型顕微ラマン分光計の使用について探ります。
水サンプルは、アメリカのデラウェア湾の表層水から採取されました。これらはガラス瓶に移され、4%ホルムアルデヒドで固定されました。サンプル全体はステンレス製のふるい（5000、1000、および300 μm）でサイズ分別されました。
300および1000 μmのサンプルは90°Cで一晩乾燥されました。乾燥後、湿式過酸化物酸化および密度分離プロセスにより、消化された有機物からマイクロプラスチックが分離されました。
マイクロプラスチックは200 μmのニテックスメッシュに収集され、乾燥されました。これらのサンプルは実体顕微鏡で調べられ、各片にプラスチックの種類（断片、繊維、ビーズ、フィルム、フォーム、ゴム）が割り当てられました。その後、ラマン分光計によるプラスチックの識別が行われました。
表1. 実験パラメーター
| 装置 | 設定 | |
|---|---|---|
| i-Raman EX | レーザー出力 | <165 mW |
| BAC151 video microscope | 露出時間 | 30 s–3 min |
| BWID software | 平均 | 1 |
すべての測定には、1064 nmレーザー励起を備えたi-Raman® EX携帯型ラマンシステムが使用されました（仕様は表1を参照）。1064 nmレーザー励起は、着色されたマイクロプラスチックサンプルの785 nmレーザー励起によるスペクトル蛍光を軽減します。
50倍の対物レンズ（作動距離9.15 mm、スポットサイズ42 μm）を備えたBAC151Cビデオ顕微鏡を使用して、マイクロプラスチックを撮像しました。サンプルの焼損を避けるために、レーザー出力は最大の50%未満（<165 mW）に保たれました。BWID®ソフトウェアを使用して、プラスチックスペクトルのリファレンスライブラリに対してマイクロプラスチックの識別を行いました。
2次マイクロプラスチック
いくつかのマイクロプラスチックサンプルが分析されました。図2aは、マイクロプラスチックのサイズ範囲の大きい方に位置する青いマイクロプラスチックの断片を示しています（直径約4.5 mm）。この粒子の不規則な形状は、2次マイクロプラスチックである可能性が高いことを示しています。図2bは、青いプラスチック断片から収集されたラマンスペクトルです。
BWIDソフトウェアは、未知のスペクトルをリファレンス材料のライブラリと比較して、ヒット品質指数（HQI）という相関係数を生成します。計算にはスペクトルの一次導関数が適用されます。スペクトルライブラリ検索結果は、HQIが100から0（最良から最悪の一致）までの範囲でランク付けされます。BWIDはさまざまな商用スペクトルライブラリと共に使用でき、カスタムライブラリの構築もサポートしています。
BWIDは、図2aの青い断片をポリエチレン（PE）のリファレンススペクトルと一致させ、計算されたHQIは95.7（図3）であり、強いスペクトル相関を示しています。
1次マイクロプラスチック
図4aは、小さな球状ビーズ（図4b）から取得されたラマンスペクトルを示しています。このビーズは一次マイクロプラスチックである可能性が高いです。BWIDは、サンプルスペクトルをポリスチレンのリファレンススペクトルと一致させ、HQIは98.2でした。
繊維はマイクロプラスチック粒子の重要で一般的なサブグループです。図5aは、細い着色繊維（図5b）から収集されたラマンスペクトルを示しています。BWIDは、サンプルのラマンスペクトルをポリプロピレンのリファレンススペクトルと一致させ、計算されたHQIは74.9でした。
この比較的低い値は、ポリプロピレンに起因しないサンプルスペクトルのピークのさらなる調査を促しました。約1537 cm⁻¹のピークと670–790 cm⁻¹の範囲にある一連の弱いピークは、塩素化銅フタロシアニン緑色顔料のラマンスペクトルと一致しています。この情報は、サンプルの起源を特定するのに役立ちます。
マイクロプラスチックの概要
この研究で測定されたマイクロプラスチックの概要は、サンプルが主にポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリスチレンで構成されていたことを示しています（表2）。結論が出ない結果は、歴史的にラマン分析が困難な材料である黒色のマイクロプラスチックから生じる傾向があります。
サンプルの劣化も観察された制限事項の一つです。サンプルの歪みや焼損を防ぐために、低いレーザー出力（最大の約10%）を使用する必要があります。
表2. 検出結果の概要.
| 一致結果 | サンプル数 |
|---|---|
| ポリエチレン | 11 |
| ポリプロピレン | 4 |
| ポリスチレン | 2 |
| 不明 | 5 |
マイクロプラスチックは人間の健康と環境に潜在的な脅威をもたらします。それらの詳細な特性評価は、近い将来の重要な研究課題となるでしょう。ラマン顕微鏡法は、これらのマイクロプラスチックを明確に識別するための効果的なツールです。
1064 nmの励起は、プラスチックに使用される染料からの蛍光を軽減します。ソフトウェアの相関係数アルゴリズムは、プラスチック材料の簡単な識別に役立ちます。
このアプリケーションノートの共著者であり、マイクロプラスチックサンプルを提供してくださったデラウェア大学海洋科学政策学部のジョナサン・H・コーエン氏とテイラー・ホフマン氏に感謝します。
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