使用红外显微镜检测和鉴别化妆品配方中 微小的塑料颗粒

介绍 据估计全球的海洋中有超过 1.5 亿吨的塑料垃 圾。这些污染大部分来源于丢弃的饮料瓶和塑料 袋。然而，越来越多人投入研究更微小的塑料颗 粒对河流以及海洋中的生物的危害。 很多化妆品产品，例如面部去角质霜，牙膏和沐浴露，目前都含有微小的塑料颗粒作为磨 砂材料。这种塑料微粒大小在 0.1-1 mm 之间，冲到水槽后由于太小了不能被污水处理厂 过滤，最终进入河流和海洋。这些微小的塑料颗粒会被海洋生物以及鱼类摄取，最终经过 食物链会被人类食用。 在 2014 年美国许多州都禁止在化妆品配方中使用塑料微粒，并且大多数化妆品公司也主 动淘汰添加微小的塑料颗粒。 红外（IR）光谱是一种已经建立的鉴定高分材料的技术，并且已经广泛用于鉴别大的（100 um 以上）高分子材料。Spectrum Two 是一款便携式 FT-IR 光谱仪，可以使用电池供电 携带到船上做快速塑料的鉴别；对于只有几个微米的塑料微粒，红外显微镜可以用于这些 材料的检测和鉴别。

使用 Spotlight™ 200i 红外显微系统检测两种市场上的 化妆品内是否含有微小的塑料颗粒作为去角质成分以及 鉴别所用塑料的类别。 产品 1 是一种市面上的面部去角质霜。产品 2 是身体去 角质霜。每种产品均与热水混合使其将配方中的可溶性 成分溶解出来。得到的溶液经过 50 um 的滤膜过滤，收 集 50um 以上的不溶性成分。然后将滤膜在空气中干燥 之后用红外显微镜检测。我们直接检测了在滤膜上的微 粒同时也将微粒转移到红外透射窗片放到显微镜样品架 上检测。收集的塑料颗粒样品的可见图像如图 1a 和 1b。

从样品的可见图像上可以明显看出产品 1 中含有两种不同颜 色的不规则的塑料微粒。产品 2 中的塑料微粒呈现规则的球 体，通过图 1b 可以估计直径约为 50-80 um。这些材料的红外 光谱图既可以用红外显微镜的透射模式也可以用反射模式进 行采集。图 1a 中提取一个颗粒（直接在滤膜上）采集的红外 谱图如图 2.

透射谱图的信号远大于反射谱图，并且灵敏度也更高。另外,事 实上反射法红外光束是有效地接触样品两次，即穿透反射，反 射法的吸收谱带应该是更强的。对于很小的颗粒这个很容易发 生；但是对于大的颗粒由于路径太长以至于 饱和吸收带的产 生，从而导致谱图鉴别很困难。 然后，对于这个检测，从透射和反射谱图上鉴别材料都是 有 可能的。滤膜可能会干扰透射测量，略微减少了到达检 测器 的能量。这就是为什么光谱图中有基线的倾斜，但是对总体的 谱图采集不会产生显著影响。为了获得光 谱图，可以 将样品转移到红外透射窗片上，如 KBr 窗片。将一个 KBr 窗 片放置到带有样品的滤膜上，将滤膜倒置过来从而 将塑料微 粒直接转移到 KBr 窗片上。

产品 1 的可见图像扫描区域包括了大部分的颗粒。选择 Spectrum 10 软件中的“分析图像”功能，软件会调用智 能自动化的程序检测可见图像中的颗粒，得到“分析图像 结果”如下图 3 所示。

该程序将会自动检测可见图像中每一个颗粒并且自动标 记出需要检测的区域。然后程序会自动计算适合检测每个 粒子的最大光阑尺寸，因此在扫描数据时最大限度地提高 了信噪比。在过去，靠手动标记需要检测的区域和设置光 阑大小花费大量的时间。点击“扫描标记点”启动每个颗 粒透射光谱的采集（使用相同大小的光阑采集背景），软 件会实时显示采集的光谱图。使用软件数据处理程序如检 索，比较和验证等功能可以自动处理谱图，这些谱图处理 可以在运行数据采集的同时执行。该方法还可以针对于你 每个塑料颗粒直接从高分子专业谱库中进行谱图检索从 而鉴别塑料的种类。鉴别结果的截屏如图 4 所示。

结果显示产品 1 中含有两种不同类型的聚合物，聚丙烯和聚 乙烯。产品 2 中只含有聚乙烯颗粒。图 5 为颗粒的代表红外 光谱图。聚乙烯光谱在两种产品中表现出微小的差异,很大 可能是由于添加剂的干扰。

总结 微小的塑料颗粒对环境的危害问题越来越受到关注，而且这 些微小的塑料颗粒在越来越多的消费产品中被禁止使用。上 述实验数据显示自动的红外显微镜系统是一种检测和鉴别 化妆品中微小的塑料颗粒非常重要的手段。我们将会用同样 的方法去分析欧洲河流系统中收集到的微小塑料颗粒，从而 阐明这种分布广泛的环境污染问题。