与点检测器和快速扫描光学器件一起，由量子级联激光器提供动力的成像方法可以获取微粒的IR光谱并对其进行识别。

　　微塑料对土壤，空气和饮用水的污染已成为全球关注的焦点。环保机构正在增加对水道的监视，政府机构正在寻求保护这些资源。同时，研究机构正在尝试确定微塑料污染的程度和潜在的毒理学影响。光学技术在这些研究中起着至关重要的作用。

　　微塑料污染已成为全球难题。由安捷伦提供。

　　尽管有极大的兴趣，但是各种分析技术的使用以及方法标准化的缺乏导致数据收集缺乏一致性。因此，很难对研究进行比较以建立对微塑料在环境中的流行和影响的更广泛理解。2019年的一项研究是同类研究中的第一个国际跨实验室研究，比较了一系列常见的微塑性分析技术1。在提供各种方法的有用比较的同时，作者说：“返回的结果之间存在很大差异，这表明迫切需要实验室内部进行微塑性分析和方法验证(包括样品制备和测量)的标准化，以便以确保结果可比且合理。”

　　用于分析微塑料的选项分为两大类：光谱技术和基于气相色谱/质谱(GC / MS)的技术。光谱技术包括IR和Raman，而GC / MS可与热解(通过热分解)或热萃取和解吸结合使用。这些类别中的每一个在微塑料研究中都有其优点和缺点。当需要确定塑料中的总聚合物质量时，建议使用GC / MS技术。但是光谱技术也是有用的，因为除了聚合物类型之外，它们还提供了对粒子性质的洞察力，包括尺寸和形状。

　　在分光镜选项中，许多科学家赞成使用红外分光镜-它使用分光光度计并基于熟悉的傅里叶变换红外(FTIR)技术-具有相对容易地区分大多数常用聚合物的能力。但是，其广泛的适用性受到分析时间长的限制，特别是对于大规模研究和常规高通量测试(例如支持环境法规的测试)。然而，红外光谱学和显微学领域的进步可以很好地克服这些限制。

　　QCL的特异性

　　量子级联激光器(QCL)是基于半导体的激光器，其中电子通过一系列量子阱进行级联并发光。QCL最常见的应用是光谱分析大气中的污染物和气体，尽管这种方法正在出现更广泛的应用。QCL于1994年在Bell实验室首次得到证实2。然而，直到2002年，当它们在室温下在各种环境中使用变得可行时，它们的应用才变得更加实用3。

　　在QCL中，电子级联或隧穿通过由半导体材料薄层形成的一系列量子阱。在基于二极管的激光器中，半导体带隙上的电子-空穴复合会发出光子，而光子的波长取决于所用材料的化学性质。与基于二极管的激光器相反，QCL中的光子波长不是由半导体材料确定的，而是由半导体层4的厚度和分布确定的。

　　Agilent 8700 LDIR(激光直接红外)化学成像系统。由安捷伦提供。

　　已经开发出可以在中红外(MIR)范围至太赫兹范围内运行的QCL，但是MIR的信息丰富的指纹区域在此光谱学领域特别引起关注。与FTIR光谱学不同，在FTIR光谱学中，样品会同时暴露于整个可用波长范围，而QCL可以调谐到各个波长，从而允许FTIR无法使用的替代操作模式。在某些方面，由于各个波长是独立发射的，因此可以将QCL与基于单色仪的方法进行比较。但是，QCL的速度和波长精度比FTIR好几个数量级。

　　LDIR的革命性创新

　　激光直接红外成像(LDIR)在MIR光谱学上的首次应用使用了阵列式检测器，并趋于模仿FTIR光谱仪收集的信息，同时利用了QCL的一些优势。在这方面特别值得注意的是消除了对低温冷却探测器的需求。

　　在安捷伦的8700 LDIR化学成像系统中，QCL与单点碲化汞镉(MCT)检测器(经热计量冷却)和快速扫描光学器件结合使用。这种结合促进了两种有用的作用方式。在第一种模式下，频率被停驻(即选择单个波长)，而光学器件则在样品上高速移动，从而将光反射回检测器。在第二种模式下，当QCL扫过整个频率范围时，将光学元件停放在样品上的单个点上。

　　显示量子级联激光技术如何工作的示意图。MCT：碲化汞镉;ATR：衰减的全反射率。由安捷伦提供。

　　现有的FTIR光谱仪在应用于微塑料分析时的主要局限性在于，它们需要为所调查区域中的每个像素收集全光谱。用于此目的的典型FTIR光谱仪将配备焦平面阵列(FPA)检测器。即使最大的阵列(128×128像素)也只能覆盖700×700 µm的区域。在直径为10毫米的过滤器上，典型样品的采集时间可能会超过3小时，而收集的总数据将超过30 GB，处理时间最多为10小时。由于无论是否存在微塑料颗粒，都为分析区域中的每个像素收集了全光谱，因此许多数据都是多余的。

　　通过将QCL与单点检测器和快速扫描光学器件结合使用，可以采用其他方法。使用第一种作用方式，可以在单个波长下快速扫描样品区域。从该扫描中获得的信息不仅可以用于确定粒子的位置，还可以用于描述粒子的大小和形状。一旦找到了粒子，就可以使用第二种模式。物镜可以在分析区域上移动到每个粒子，并使用停放的物镜/扫频模式从每个粒子获得全光谱。然后可以立即分析该光谱并报告结果。

　　最重要的是，可以将频谱采集位置作为目标，仅在相关点采集数据，从而消除冗余数据并减少数据处理时间。此外，这些工作流程可以完全自动化，总分析时间可以从10个小时或更长时间减少到少于1个小时。

　　将来，对环境和食品样品中微量塑料的流行程度的分析将从研究实验室扩展到监管机构，水务部门以及食品和饮料行业的常规分析。这可能支持改进的监管方法，这可能需要可用于现场各种环境中的可访问分析技术。为了解决许多当前研究提出的批评，即指出从大量水体中仅使用少量样品，当前应用中需要进行的一项关键更改是能够在更短的时间内分析更多样品的能力。此功能将通过减少统计差异来提供更好的信息。

　　当不仅需要有关聚合物类型的信息，还需要有关粒子的数量和物理特性的信息时，MIR光谱学将仍然是科学家们的首选技术。在常规实验室环境中分析更多样品的能力推动了对鲁棒，可重复，快速且易于使用的分析解决方案的需求。