安捷倫 8700 LDIR 激光紅外成像 | “答疑解惑”如何快速準(zhǔn)確對環(huán)境樣品中微塑料顆粒進(jìn)行定性及定量測試？

時間：2022-6-30 閱讀：2390

8700 LDIR 激光紅外成像系統(tǒng)采用安捷倫專有的量子級聯(lián)激光器（QCL）做為光源，其能量是傳統(tǒng)傅立葉變換紅外顯微/成像系統(tǒng)光源的 10000 倍以上，準(zhǔn)直的激光經(jīng)過光路切換后直接照射到樣品上，即使對于 μm 級別的小樣品也能得到信噪比足夠好的紅外光譜圖，實(shí)現(xiàn)微米級樣品的準(zhǔn)確定性及定量分析。

為了提高微塑料樣品檢測效率，應(yīng)對海量樣品的測試需求，安捷倫公司在 8700 LDIR 激光紅外成像標(biāo)配的 Clarity 軟件上開發(fā)了微塑料全自動測試流程方法包，用戶將樣品置入樣品倉后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可自動完成微塑料樣品的測試。即使沒有任何化學(xué)和儀器操作經(jīng)驗(yàn)的工作人員，也可以在短時間內(nèi)熟練掌握。

8700 LDIR 激光紅外成像微塑料樣品測試解決方案自 2019 年推出后，受到了廣大用戶的深度認(rèn)可。我們結(jié)合近年來的工作經(jīng)驗(yàn)及用戶的測試需求，對軟件進(jìn)行了多次功能升級。目前測試流程已被友商們紛紛效仿，也進(jìn)一步證明了方法的優(yōu)勢性。安捷倫*創(chuàng)新的技術(shù)雖一直被模仿，卻很難被超越。本文將針對安捷倫測試方案的*性，詳細(xì)為大家解惑。

Q1 8700 LDIR 激光紅外成像測試微塑料樣品的工作流程？

Clarity 軟件中內(nèi)置了微塑料方法包，用戶直接調(diào)用后即可自動激活默認(rèn)參數(shù)，圈定目標(biāo)測試區(qū)域即可開始測試。具體流程如下：

將制備好的標(biāo)準(zhǔn)反射窗片放入樣品倉內(nèi)；

軟件利用 1800 cm^-1對選中區(qū)域進(jìn)行整體快速掃描成像，可將區(qū)域內(nèi)設(shè)置尺寸以上的所有顆粒自動定位識別出來；

按照識別出的顆粒 ID 編號，利用透反模式依次采集每個顆粒的紅外全譜，并與標(biāo)準(zhǔn)譜庫自動進(jìn)行比對，按匹配度高顯示定性結(jié)果；

在測試過程中，軟件自動實(shí)時更新顯示測試顆粒的統(tǒng)計結(jié)果，其中包含了每個顆粒的具體信息、定性結(jié)果顆粒數(shù)和占比統(tǒng)計以及粒徑信息統(tǒng)計等。

Q2 為何不直接測試濾膜而是將樣品轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)反射窗片上？

選擇轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)反射窗片上進(jìn)行測試的原因主要有兩個：

濾膜經(jīng)過抽濾后，表面因存在褶皺而變成一個非*平整的面，直接測試會因一些顆粒的聚焦較差而導(dǎo)致顆粒不識別，或因譜圖質(zhì)量較差使得定性結(jié)果產(chǎn)生誤差；

如果樣品中微塑料豐度較高，在抽濾的過程中很難避免顆粒在膜表面發(fā)生堆疊。那么這將大大增加后期數(shù)據(jù)分析的難度，并會對測試結(jié)果準(zhǔn)確度造成影響；

安捷倫建議用戶在樣品前處理完畢后，使用無水乙醇溶液對濾膜進(jìn)行超聲處理，把所有顆粒從濾膜上脫附下來。然后將乙醇溶液滴至面積為 2.5 cm × 7.5 cm 的標(biāo)準(zhǔn)反射窗片上，顆粒隨著乙醇溶液的延展揮發(fā)均勻地分散開。這種方法能夠大大降低因?yàn)轭w粒堆疊及聚焦不好造成的誤差，大程度地提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

Q3 8700 LDIR 激光紅外成像是如何對反射窗片上的顆粒進(jìn)行準(zhǔn)確定位識別的？

8700 LDIR 激光紅外成像在 1800 cm^-1 處具有佳的空間分辨率，此時能夠識別的小顆粒下限是 6 μm 。與此同時，幾乎所有聚合物在這個波長上的吸收強(qiáng)度小，所以它很大程度上對任何特定的吸收差異都是盲目的，僅依賴于光的散射來檢測顆粒。在軟件設(shè)置中，用戶可設(shè)置采集顆粒尺寸的下限，軟件按照設(shè)置參數(shù)將所有滿足條件的顆粒自動識別出來。而傳統(tǒng)顯微紅外/成像也推出了類似的工作流程，但它卻是通過可見光的方式對顆粒進(jìn)行識別的，即看到的顆粒才能被識別。對于濾膜或窗片上的微塑料顆粒，很多都是透明無色的，所以可見光識別的方式會存在巨大誤差。如下圖所示：左圖為可視化圖像，窗片上幾乎識別不出任何顆粒；而右圖是 8700 LDIR 激光紅外成像使用 1800 cm^-1掃描識別出的顆粒圖像，與前者存在數(shù)量級的差異。因此，與傳統(tǒng)紅外顯微/成像技術(shù)相比， 8700 LDIR 激光紅外成像在顆粒識別的準(zhǔn)確度上具有明顯的優(yōu)勢。

圖 1 . 左：可見光下顆粒分布情況；右：8700 LDIR 激光紅外成像識別顆粒分布情況

Q4 為保證測試效率，如何平衡測試速度與譜圖質(zhì)量的關(guān)系？

傳統(tǒng)紅外顯微/成像光譜儀為了獲得信噪比好的譜圖，需要通過增加掃描次數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)。但增加掃描次數(shù)會使測試時間延長，所以用戶需要在測試時間和譜圖信噪比之間進(jìn)行平衡。傳統(tǒng)紅外顯微/成像采用的固體陶瓷光源能量較弱，如果為了提高測試效率而降低掃描次數(shù)，會因獲得的譜圖信噪比較差對測試結(jié)果準(zhǔn)確度造成明顯影響。而 8700 LDIR 激光紅外成像采用了量子級聯(lián)激光器作為光源，能量強(qiáng)且無需傅里葉變換，樣品信號可直接回到檢測器，與此同時，儀器沒有掃描次數(shù)的概念，平均測試一個顆粒的時間僅為 8s，低至幾微米的樣品依然能夠獲得信噪比好的紅外譜圖。所以樣品測試時間取決于測試微塑料顆粒的數(shù)量，而無需去人為平衡測試速度與譜圖質(zhì)量的關(guān)系。用戶可以將所有工作交給軟件自動完成，在保證測試結(jié)果準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上將測試效率大化。

Q5 能否對軟件中配置的譜庫進(jìn)行詳細(xì)說明？

在 Clarity 軟件中，安捷倫配置了一個標(biāo)準(zhǔn)的聚合物譜庫以方便用戶進(jìn)行測試。該譜庫是在 Primpke 等人發(fā)表的共享署名文章的基礎(chǔ)上建立起來的。安捷倫研發(fā)團(tuán)隊(duì)在此文章的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些修改，使其能夠更好的滿足 8700 LDIR 的測試需求。目前使用的譜庫版本涵蓋了常見的聚合物，且譜庫一直在不斷地更新優(yōu)化。譜庫權(quán)限對用戶開放，可通過采集標(biāo)準(zhǔn)品的譜圖不斷更新。目前，安捷倫發(fā)起了用戶譜庫共享計劃，意在鼓勵用戶資源共享。

Q6 怎樣理解識別顆粒的匹配度數(shù)值？用戶對自動識別結(jié)果是否能進(jìn)行二次處理？

匹配度是指獲得的譜圖與譜庫中標(biāo)準(zhǔn)譜圖的匹配程度。它可以讓分析人員了解測試過程中顆粒識別的真實(shí)結(jié)果。在 Clarity 軟件的自動微塑料測試工作流程中，會對獲得譜圖進(jìn)行積分處理后與譜庫中標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對，并顯示匹配度高的結(jié)果，同時可查看匹配度排名前 5 的結(jié)果。軟件按照匹配度數(shù)值范圍分成了幾個不同的組別。如使用默認(rèn)設(shè)置，則匹配度數(shù)值 >85% 時標(biāo)記為高匹配度，75 - 85% 時標(biāo)記為中匹配度，65 - 75% 時標(biāo)記為低匹配度，<65% 時標(biāo)記為未識別。用戶也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整匹配度組別劃分范圍。測試結(jié)果將按照軟件設(shè)置的匹配度數(shù)值進(jìn)行分組，用戶在軟件中可查看每組的顆粒數(shù)及每個顆粒的具體信息。

為滿足用戶進(jìn)一步分析的需求，新版的 Clarity 軟件增加了重新計算及測試結(jié)果手動匹配的功能。如果用戶對測試結(jié)果存疑，無需進(jìn)行重新測試，僅更換其他譜庫進(jìn)行重新分析即可實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的重新計算。用戶也可選擇手動重新匹配測試結(jié)果的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，測試結(jié)果將自動標(biāo)記為手動匹配結(jié)果，一般低匹配度樣品結(jié)果可通過這種方式進(jìn)行處理。

Q7 原始數(shù)據(jù)是否支持用戶導(dǎo)出并進(jìn)行其他計算？

在顆粒測試過程中，儀器會自動將顆粒圈出一個輪廓，其中包含了寬度和高度指標(biāo)，如圖 2 所示：

圖 2 . 窗片上顆粒識別示意圖

原始數(shù)據(jù)可以 .csv 文件形式導(dǎo)出，里面包含了所有顆粒的完整測試信息。具體如下表所示：

表格中不僅包含了每個顆粒的定性結(jié)果及粒徑信息，還有可供用戶進(jìn)行二次分析的顆粒形狀信息。其中，寬長比、偏心度、與圓形的相似度以及固體度等參數(shù)都可用于表征形狀。用戶通過算法可對微塑料顆粒的形狀進(jìn)行歸類，獲得更加豐富的顆粒表征信息。

Q8 如何確認(rèn)方法的準(zhǔn)確性？是否做過方法準(zhǔn)確度驗(yàn)證？

為驗(yàn)證測試方法的準(zhǔn)確性，安捷倫技術(shù)團(tuán)隊(duì)測試了大量標(biāo)準(zhǔn)品。我們在此跟大家分享兩個案例。1）為確認(rèn)粒徑信息及定性結(jié)果的準(zhǔn)確度，測試了 100-200 μm 粒徑尺寸的 PE 標(biāo)準(zhǔn)品。從測試結(jié)果可以看出，所有顆粒均識別為 PE ，且粒徑尺寸均分布在標(biāo)注范圍內(nèi)，如圖 3 所示。