显微拉曼光谱技术在微塑料分析中的应用

微塑料（Microplastics, MPs）作为全球性环境污染物，粒径跨度覆盖纳米级至 5 mm，形态多样且易吸附其他污染物形成复合污染体系。传统检测手段普遍存在 “形态 - 成分割裂分析"“样品破坏性处理" 等局限，难以满足微塑料多维度研究需求。显微拉曼光谱技术（Micro-Raman Spectroscopy）凭借亚微米级空间分辨率、分子振动指纹识别能力及抗水干扰特性，已成为微塑料全链条分析的核心技术。

一、技术原理：分子振动指纹的亚微米级解码

显微拉曼光谱的核心是通过 “光子 - 分子非弹性散射" 捕获微塑料的分子振动信息，结合高分辨率光学设计实现 “成分识别 + 空间定位" 的双重功能，其技术体系可分为光散射机制与光谱解码流程两部分。

1.1 光散射机制与核心硬件设计

当特定波长激光（常用 532 nm 或 785 nm）照射微塑料时，光子能量与分子振动能级发生相互作用，产生能量偏移（即 “拉曼位移"），不同材质微塑料的分子结构差异会形成独特的 “拉曼指纹光谱"（如图 1a 示意）。为实现高灵敏检测，系统通过三大核心硬件设计优化性能：

· 双波长激光模块：532 nm 激光适用于低荧光背景样品（如土壤中的 PE 颗粒）；785 nm 近红外激光可显著抑制生物组织的自发荧光，且对样品的热损伤降低至 **<0.5℃**，适用于生物体内微塑料检测。

· 共聚焦光路系统：采用20 μm 针孔与50× 物镜（NA=0.9） 组合，可有效过滤杂散光，实现1 μm 横向分辨率与3 μm 轴向分辨率，精准定位微塑料的空间位置。

· EM-CCD 探测技术：制冷型探测器（工作温度 - 70℃）将系统信噪比提升至 **>80 dB**，波数检测精度可达0.1 cm⁻¹，可捕获低浓度微塑料的微弱拉曼信号。

1.2 光谱解码与多维信息提取

通过智能化数据采集与处理流程，可从 “单颗粒" 到 “宏观样品" 实现多维度信息解析：

· 单点靶向分析：在50 μm² 光斑下积分10 s，结合 Savitzky-Golay 平滑算法消除噪声，对 PE（2845 cm⁻¹）、PVC（638 cm⁻¹）等常见微塑料的特征峰识别准确率达94%（n=200）。

· 空间映射成像：对 47 mm 滤膜样品进行2 μm 步长扫描，生成微塑料的化学分布热力图（如图 2b 示意），并同步计算粒径分布参数（如实际案例中 D10=5 μm、D50=32 μm）。

· 多模态联用：集成显微红外（μ-FTIR）模块，实现同一区域 “拉曼散射 + 红外吸收" 同步检测，弥补单一光谱技术的识别盲区（如拉曼对非极性键敏感，红外对极性键敏感）。

二、应用场景：微塑料全介质链污染解析

显微拉曼技术凭借 “无损检测"“抗干扰"“高分辨率" 优势，已覆盖微塑料污染的 “环境溯源 - 生物风险 - 食品安全" 全链条分析，典型应用场景如下：

2.1 环境介质溯源分析

针对海水、土壤、大气等不同环境基质，通过优化预处理方法，可实现微塑料的高效检出与成分溯源，具体参数与案例见表 1：

2.2 生物组织风险评估

聚焦微塑料的生物累积与毒性效应，该技术可实现 “体内定位 + 毒理分析"：

· 人体暴露研究：2024 年北京大学团队利用 785 nm 激光规避生物荧光干扰，在人类胎盘组织中检出12 个 PE 微塑料（<10 μm），证实微塑料可通过母体传递至胎儿。

· 单细胞毒理分析：AIRsight 系统可追踪巨噬细胞内 PS（聚苯乙烯）颗粒（特征峰1002 cm⁻¹），并通过蛋白质酰胺 I 带（1650 cm⁻¹）的位移变化，分析微塑料对细胞膜结构的损伤程度。

2.3 食品安全管控

针对食品接触材料与食品本身的微塑料污染，提供精准检测方案：

· 迁移量检测：模拟 PP（聚丙烯）奶瓶的使用场景，在模拟液中检出2-8 μm微塑料颗粒，计算迁移量符合 EU No 10/2011 法规限值（0.01 mg/kg）。

· 复合污染分析：通过共定位技术，在海鲜样品中同时识别 PE（2845 cm⁻¹）与吸附的菲（1004 cm⁻¹），揭示二者通过 “π-π 堆积" 形成复合污染的机制。

三、技术优势与现存挑战

3.1 核心优势：与主流检测技术的性能对比

相较于显微红外、热解 GC-MS 等传统技术，显微拉曼在空间分辨率、样品保护性等方面具有显著优势，具体对比见表 2：

四、前沿进展与未来方向

4.1 检测技术革新

· 增强拉曼（TERS）：将原子力显微镜（AFM）与拉曼联用，分辨率突破至10 nm，成功解析 50 nm 纳米 PS 颗粒的表面官能团（如羟基、羧基）分布，为纳米塑料研究提供新工具。

· AI 辅助光谱分析：基于 ResNet-50 深度学习模型，对 10,000 + 条微塑料拉曼光谱数据训练后，实现 PE、PP、PVC 等 12 种常见微塑料的分类准确率达97.3%，并将分析耗时从 30 分钟缩短至 2 分钟（如图 5c 示意）。

4.2 应用体系拓展

· 原位实时监测：开发水下拉曼探头，可在2000 m 深海环境中实时检测微塑料，无需样品采集，适用于海洋、湖泊等大型水体的长期监测。

· 空间组学联用：结合拉曼光谱与质谱技术，解析微塑料 - 微生物的互作界面，揭示微生物在微塑料表面形成生物膜的分子机制，为污染修复提供理论依据。

五、结论与展望

显微拉曼光谱技术通过 “分子指纹识别" 与 “亚微米空间解析" 的结合，已成为微塑料污染研究的革命性工具。未来重点聚焦三大方向：

1.开发 “拉曼 - 红外 - 电镜" 多模态集成系统，实现 “成分 - 形态 - 结构" 的一站式分析；2.推动全球统一的检测标准体系建设，解决不同实验室结果的可比性问题；3.深化人工智能在复杂基质（如生物组织、高盐海水）样品分析中的应用，进一步提升检测效率与准确性。

该技术的持续进步将为《全球塑料公约》的实施提供关键技术支撑，助力全球微塑料污染的科学治理。