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智馭微界 | 8700 LDIR紅外成像利用智能化譜庫(kù)精準(zhǔn)區(qū)分微塑料樣品中的相似物
隨著科研人員對(duì)微塑料研究的深入，如何準(zhǔn)確快速地實(shí)現(xiàn)微塑料樣品的全自動(dòng)定性定量分析引起了更多的關(guān)注。鑒于微塑料聚合物顆粒間的化學(xué)結(jié)構(gòu)高度相似，導(dǎo)致紅外譜圖極易混淆，利用譜庫(kù)的自動(dòng)算法將彼此準(zhǔn)確的區(qū)分是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。安捷倫 8700 LDIR 紅外成像系統(tǒng)利用 Clarity 軟件搭配的智能化譜庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境樣品中相似結(jié)構(gòu)化合物的準(zhǔn)確區(qū)分。
如環(huán)境樣品中的聚酰胺（PA）與天然蛋白的紅外譜圖非常相似，軟件自動(dòng)區(qū)分難度很大。對(duì)于環(huán)境樣品而言，蛋白又是非常難被處理掉的雜質(zhì)，因此能夠準(zhǔn)確區(qū)分 PA 與蛋白則可以成為評(píng)價(jià)一個(gè)微塑料自動(dòng)化測(cè)試方法是否準(zhǔn)確的重要因素之一。
我們利用市售的可溯源 PA 及蛋白標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行顆粒定性準(zhǔn)確度驗(yàn)證，由于這兩種顆粒在高倍顯微鏡下外觀上存在明顯差別，因此可通過(guò) 8700 LDIR 高倍攝像頭的自動(dòng)拍照功能對(duì)顆粒圖像進(jìn)行二次校對(duì)，以確定軟件自動(dòng)定性結(jié)果是否準(zhǔn)確。兩種標(biāo)準(zhǔn)品的具體測(cè)試信息如圖 1 所示：
圖 1. 使用 8700 LDIR Clarity 軟件測(cè)試的可溯源 PA 及蛋白標(biāo)準(zhǔn)品具體信息，其中蛋白在譜庫(kù)中標(biāo)注為 Natural Polyamide; 聚酰胺在譜庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)為 Polyamide (PA)
為優(yōu)化譜庫(kù)自動(dòng)區(qū)分 PA 及蛋白的能力，首先利用初始譜庫(kù)測(cè)試了純品蛋白 PA 及純品 PA 的樣品。由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為非潔凈空間，可能存在污染情況。定性列表如圖 2 左圖所示，在純品蛋白樣品中共檢出 106 個(gè)顆粒，其中 65 個(gè)顆粒為蛋白，占比約為 60%。樣品中未檢出 PA 顆粒。通過(guò)顯微鏡確認(rèn)均與蛋白顆粒的外觀狀態(tài)不同，如圖 2 右圖所示。
圖 2. （左）純品蛋白樣品測(cè)試定性列表；（右）檢出其他定性結(jié)果高清照片
然后按照同樣的方法測(cè)試了 PA 標(biāo)準(zhǔn)品。如圖 3 所示，結(jié)果中共檢出 2482 種顆粒，其中 1157 顆被鑒定為 PA，而有 729 個(gè)顆粒被定性為蛋白，約占總顆粒數(shù)的 29.1 %。但我們通過(guò)高清圖像二次確認(rèn)，被誤識(shí)別蛋白的定性結(jié)果匹配度都較低，均低于 0.7。
圖 3. 純 PA 樣品測(cè)試定性結(jié)果列表
為了提高定性結(jié)果準(zhǔn)確度，將 30 個(gè)被誤判為蛋白的譜圖添加入譜庫(kù)中并命名為 PA。利用新建立的譜庫(kù)重新選擇一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試的 102 個(gè)顆粒中，87 個(gè)顆粒被定性為 PA，并未發(fā)現(xiàn)蛋白顆粒檢出，如圖 4 所示。
圖 4. 利用優(yōu)化完的譜庫(kù)重新測(cè)試的 PA 純品定性結(jié)果列表
在優(yōu)化譜庫(kù)的基礎(chǔ)上，測(cè)試了 PA 與蛋白的混標(biāo)。測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)采集了每個(gè)顆粒的高清圖像，以便于后續(xù)進(jìn)行準(zhǔn)確度交叉驗(yàn)證。在小區(qū)域測(cè)試結(jié)果中共檢出 60 個(gè)顆粒，其中有 28 顆定性為 PA，23 顆定性為蛋白。經(jīng)過(guò)高清圖像確認(rèn)，所有 PA 和蛋白均被正確歸類，沒有出現(xiàn)假陽(yáng)性結(jié)果，如圖 5 所示。
圖 5. PA 與蛋白混標(biāo)測(cè)試定性結(jié)果列表
結(jié)語(yǔ)
我們利用該方法對(duì)譜庫(kù)中包含的所有聚合物定性結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，此方法不僅可提高定性結(jié)果的準(zhǔn)確度，也能進(jìn)一步提升定性結(jié)果的匹配度值，并大大降低假陽(yáng)性結(jié)果的出現(xiàn)。
安捷倫 8700 LDIR 紅外成像系統(tǒng)在微塑料自動(dòng)分析測(cè)試的流程中，利用了波數(shù)成像和全譜掃描兩種模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先，軟件使用 1442cm-1 對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行快速成像，通過(guò)光的散射原理將大于 6um 以上尺寸的顆粒自動(dòng)識(shí)別出來(lái)，依次采集每個(gè)顆粒的圖像并生成尺寸信息后進(jìn)行 ID 編碼標(biāo)記；然后，物鏡分別采集每個(gè)顆粒的紅外譜圖，并與標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)后確定定性結(jié)果。譜庫(kù)根據(jù)微塑料測(cè)試要求及測(cè)量模式專業(yè)設(shè)計(jì)，里面涵蓋了不同種類的聚合物以及環(huán)境基質(zhì)中較難處理掉的常見化合物，如纖維素、蛋白等。
對(duì)于無(wú)法通過(guò)前處理達(dá)到雜質(zhì)完全去除的環(huán)境樣品來(lái)說(shuō)，8700 LDIR 紅外成像搭配智能化譜庫(kù)并通過(guò)在軟件中加入自動(dòng)化算法，不僅可以提升用戶的工作效率，同時(shí)也能夠極大地保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。