近幾年來塑膠微粒(microplastics)的研究非常熱門，但塑膠微粒是否對人體有害仍是未知，因此有無數的研究機構在探討微粒的數量、成分、尺寸分佈與健康影響的相關性，但在如何分析塑膠微粒這件事情上，各國尚未取得共識。針對塑膠微粒的分析方式，目前有兩種主流：
- Mass-focused技術：以質譜儀進行鑑定，提供精確的塑膠種類分佈分析。
- Particle driven技術：以不同的顯微鏡技術進行數量、特性與微粒尺寸分佈的分析。
本文會以後者進行重點探討，也就是以顯微鏡進行塑膠微粒的分析。
Particle driven技術運用不同的顯微鏡技術來分析塑膠微粒，可以使用一般顯微鏡嗎？下圖是沉積物在顯微鏡下的樣子：
圖1：顯微鏡下的沉積物
單靠肉眼是不可能判定何者為塑膠微粒的，需要搭配不同的鑑別方式，有些研究會使用尼羅紅染色法(Nile Red)來分辨微粒是否為塑膠，但並不是所有的塑膠都能被染色，有更好的解決方案嗎？答案是顯微光譜學(Micro spectroscopy)。
顯微光譜學為塑膠微粒分析提供了基本解決方案，它結合了顯微鏡與拉曼、FTIR或是QCL量子級聯雷射器(Quantum Cascade Laser)等單點光譜技術(single point spectroscopy)，通過單獨分析小顆粒，獲得光譜資訊，進而鑑別是否為塑膠。可惜的是，這種單點式的顯微光譜繼承了顯微鏡的缺點，首先顆粒必須在視覺上可供辨識，然後才能正確分析；因此，若顆粒小且透明，或是多種顆粒聚集成一個大顆粒，就可能誤判。
隨著技術的演進，結合了顯微FTIR技術與FPA焦平面陣列探測器(Focus Plan Array Detector)的FPA FTIR成像技術，讓樣品可以快速完成全自動掃描，再結合自動數據分析，是塑膠微粒定量的理想方案，提供最高效率與最理想重複性。
我簡單介紹一下塑膠微粒的前處理程序，以及主流的顯微光譜學技術，你就能了解為何FPA FTIR成像是塑膠微粒分析的最佳選擇。
塑膠微粒前處理方式
以沉積物樣品為例，分析前要先盡可能將沙土或動植物碎屑等物體過濾掉，再分析樣品；儘管樣品會過濾，但還是會有碎片或殘渣的殘留，而這些殘留物可能影響塑膠微粒分析的準確性與再現性。
拉曼光譜與QCL量子級聯雷射器的自動分析技術
這兩種技術皆是使用對比度來識別微粒，若塑膠微粒較為透明，或其上有纖維或刮痕時，會造成判讀上的困難；當塑膠微粒團聚成大顆粒，也可能誤判為單顆塑膠微粒，所以當微粒濃度高或樣品基質複雜時，必須要有良好前處理技巧，或使用特殊處理技術，才能在拉曼或QCL上得到良好分析結果。
圖2：經過濾後基質仍相當複雜且壅擠的樣品
此外，拉曼光譜還有其他缺點。儘管拉曼可以分析小至1 µm的微粒，但產生的拉曼訊號信躁比會偏低，且拉曼的測量參數(雷射波長、積分時間與雷射功率等)必須與目標塑膠微粒匹配，使得分析難以自動化，而且拉曼光譜易受有機分子螢光干擾、深色顆粒會吸收拉曼雷射而產生燃燒破壞、無法分辨與主鏈相近的塑膠(如ABS/SAN)等問題，使得拉曼光譜的應用有諸多限制，僅適用於少數案例。
難以自動化同樣是QCL分析技術的缺點，對於小顆粒(< 60 µm)的檢測，QCL並不可靠，會在統計數據中產生不可預測的系統性偏差，偏偏這個尺寸的顆粒是學者最感興趣的，因此QCL不適合用於塑膠微粒分析。
FPA FTIR成像分析
FTIR是使用了傅立葉轉換(Fourier transform)技術的紅外線光譜儀，結合FPA焦平面陣列探測器後產生的FPA FTIR成像系統，可同時進行大面積掃描，不需要視覺篩選(例如前面提到的對比度判斷)。儘管分析的顆粒尺寸極限為約5 µm(略高於拉曼的1µm)，但能克服前面提到的所有限制與障礙，不受樣品的顆粒多寡影響、可容忍有機物基質的存在，就算顆粒重疊，也可藉由光譜差異進行區分。以下圖為例，FPA探測器可以自動將團聚塑膠拆解為個別顆粒，這是其他分析方式辦不到的。
圖3：FPA探測器自動將團聚塑膠拆解為個別顆粒
真實沉積物樣品分析
下圖是真實的沉積物樣品，就算做過前處理，樣品還是會混雜砂土、植物碎屑、生物體殘渣等顆粒，視覺篩選無法準確計算與鑑定塑膠微粒。使用FPA FTIR成像系統，以每秒產生750張紅外線光譜的速度，僅需3.5小時便能產出下圖的成像結果與粒徑分佈數據，若使用其他成像技術掃描技術，則必須花費數天(約60小時)才能完成。
圖4：沉積物FPA FTIR成像結果
圖5：粒徑分佈數據
結論
顯微FTIR、拉曼和QCL方法在特定情況下可用於塑膠微粒分析，但樣品必須乾淨、顆粒尺寸不太小且顆粒濃度夠低。一定程度上的自動化是可能的，但在光譜品質(拉曼)或顆粒尺寸(QCL)方面存在嚴重限制。
顯微FTIR偵測極限通常為10 µm，QCL則為60 µm，若進行自動化分析，測量時間會因為顆粒數量增加而增加，每份樣品可能需要7-8小時，甚至可能長達數天。
以QCL技術來說，對於小顆粒的分析並不可靠，若塑膠顆粒相鄰、重疊，或存在樣品基質殘留物時(例如沉積物)，此方法會完全不可用。
以拉曼技術來說，它雖然可以測量小至 1 µm的微粒，但無法可靠地進行自動化分析，還有諸多限制影響分析成功率，且不同種類的微粒需要不同的參數設定。
與前述的技術相比，FPA FTIR成像技術才是塑膠微粒分析的最佳選擇，因為：
- 並非以視覺或對比度的方式進行微粒分辨與檢測。
- 不受聚合物種類、樣品基質或微粒濃度影響。
- 提供最高的分析速度與空間解析度，可完整覆蓋整份樣品進行分析。
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