Adquisición de imágenes infrarrojas directas con láser para análisis de microplásticos

La contaminación del suelo, el aire y el agua potable por microplásticos es un foco de atención cada vez mayor en todo el mundo. Las agencias ambientales están aumentando el monitoreo de las vías fluviales y los organismos gubernamentales buscan proteger estos recursos. Al mismo tiempo, las instituciones de investigación están tratando de determinar el alcance y los posibles impactos toxicológicos de la contaminación por microplásticos. Las tecnologías ópticas están jugando un papel vital en estos estudios.
A pesar del enorme interés, el uso de diversas técnicas analíticas y la falta de estandarización de métodos han provocado una falta de coherencia en la recopilación de datos. Por lo tanto, es difícil comparar estudios para establecer una comprensión más amplia de la prevalencia y el impacto de los microplásticos en el medio ambiente.
Un estudio de 2019, el primer estudio internacional entre laboratorios de este tipo, comparó una variedad de técnicas comunes de análisis de microplásticos. Aunque proporcionaron una comparación útil de los diversos métodos, los autores dijeron: “Hubo grandes discrepancias entre los resultados devueltos, que señalan una necesidad urgente de estandarización en el análisis de microplásticos y validación de métodos dentro de los laboratorios, incluida la preparación y medición de muestras, para asegurar resultados comparables y sólidos”.
Las opciones para el análisis de microplásticos se dividen en dos amplios grupos de metodologías: técnicas espectroscópicas y técnicas basadas en cromatografía de gases/espectrometría de masas (GC/MS). Las técnicas espectroscópicas incluyen IR y Raman, mientras que GC/MS se puede combinar con pirólisis (descomposición por calor) o termoextracción y desorción. Cada una de estas categorías tiene sus puntos fuertes y débiles en el estudio de los microplásticos. Se favorecen las técnicas de GC/MS cuando se necesita una determinación de la masa total de polímero dentro del plástico. Pero las técnicas espectroscópicas también son útiles, porque proporcionan información sobre la naturaleza de las partículas, incluido el tamaño y la forma, además del tipo de polímero.

De las opciones espectroscópicas, muchos científicos favorecen la microscopía infrarroja, que utiliza un espectrofotómetro y se basa en la conocida técnica de infrarrojos por transformación de Fourier (FTIR), por su capacidad para distinguir con relativa facilidad entre los polímeros más comunes. Sin embargo, su amplia aplicabilidad se ha visto limitada por largos tiempos de ejecución de análisis, especialmente para estudios a gran escala y pruebas de rutina de alto rendimiento, como las que se requieren para respaldar las regulaciones ambientales. Sin embargo, los avances en el campo de la espectroscopia y microscopía infrarroja pueden superar estas limitaciones.

Especificidad con QCL

Un láser de cascada cuántica (QCL) es un láser basado en semiconductores en el que los electrones caen en cascada a través de una serie de pozos cuánticos y emiten luz. La aplicación más común del QCL es el análisis espectroscópico de contaminantes y gases en la atmósfera, aunque está surgiendo una gama más amplia de aplicaciones para esta modalidad. Los QCL se presentaron por primera vez en Bell Laboratories en 1994. Sin embargo, no fue hasta 2002, cuando su uso a temperatura ambiente se volvió factible en una amplia variedad de entornos, que su aplicación se volvió más práctica.
En un QCL, los electrones caen en cascada o en túnel a través de una serie de pozos cuánticos formados por capas delgadas de material semiconductor. En un láser de diodo, la recombinación de huecos de electrones a través de una banda prohibida de semiconductores emite fotones, y la longitud de onda de los fotones está determinada por la química de los materiales utilizados. A diferencia de un láser de diodo, la longitud de onda de los fotones en un QCL no está determinada por los materiales semiconductores sino por el grosor y la distribución de las capas semiconductoras.
Los QCL se han desarrollado para operar desde el rango del infrarrojo medio (MIR) hasta los terahercios, pero es la región de huellas dactilares rica en información del MIR la que es de particular interés en esta área de la espectroscopia. A diferencia de la espectroscopia FTIR, en la que una muestra se expone a todo el rango de longitud de onda disponible simultáneamente, un QCL se puede sintonizar a longitudes de onda individuales, lo que permite modos de funcionamiento alternativos no disponibles con FTIR. De alguna manera, el QCL se puede comparar con un enfoque basado en monocromadores, ya que las longitudes de onda individuales se emiten de forma independiente. Sin embargo, el QCL opera a velocidades y precisión de longitud de onda que son órdenes de magnitud mejores en comparación con FTIR.

Innovaciones evolutivas en LDIR

La primera aplicación de imágenes infrarrojas directas con láser (LDIR) a la espectroscopia MIR utilizó detectores de tipo arreglo y tendió a imitar la recopilación de información por espectrómetros FTIR mientras se aprovechaban algunas de las ventajas del QCL. Especialmente notable a este respecto fue la eliminación de la necesidad de detectores enfriados criogénicamente.
En el sistema de imágenes químicas LDIR 8700 de Agilent, un QCL se combina con un detector de telururo de cadmio de mercurio (MCT) de un solo punto (enfriado termométricamente) y ópticas de escaneo rápido. Esta combinación facilita dos modos de acción útiles. En el primer modo, la frecuencia se estaciona (es decir, se selecciona una sola longitud de onda) mientras que la óptica se mueve a alta velocidad sobre la muestra, reflejando la luz de regreso al detector. En el segundo modo, las ópticas se colocan en un único punto sobre la muestra mientras el QCL recorre el rango de frecuencias.

Un esquema que muestra cómo funciona la tecnología láser de cascada cuántica. MCT: telururo de mercurio y cadmio; ATR: reflectancia total atenuada.

Una limitación clave de los espectrómetros FTIR existentes, cuando se aplican al análisis de microplásticos, es que necesitan recopilar el espectro completo para cada píxel en el área estudiada. Un espectrómetro FTIR típico utilizado para este propósito estaría equipado con un detector de matriz de plano focal (FPA). Incluso las matrices más grandes (128 × 128 píxeles) cubrirían solo un área de 700 × 700 µm. El tiempo de adquisición de una muestra típica en un filtro de 10 mm de diámetro podría ser de más de 3 horas, mientras que los datos totales recopilados serían de más de 30 GB, con tiempos de procesamiento de hasta 10 horas. Muchos de estos datos serían redundantes porque se recopila un espectro completo para cada píxel en el área de análisis, independientemente de la presencia o ausencia de una partícula de microplástico.

Agilent 8700 LDIR

Al combinar un QCL con un detector de un solo punto y una óptica de escaneo rápido, se puede adoptar un enfoque diferente. Usando el primer modo de acción, el área de la muestra se puede escanear rápidamente en una sola longitud de onda. La información obtenida de este barrido se puede utilizar no solo para determinar la ubicación de las partículas, sino también para describir su tamaño y forma. Una vez que se localizan las partículas, se puede utilizar el segundo modo. El objetivo se puede mover sobre el área de análisis a cada partícula y, utilizando el modo de barrido de frecuencia/objetivo estacionado, obtener un espectro completo de cada una. Este espectro se puede analizar inmediatamente y se pueden informar los resultados.
Lo más importante es que las ubicaciones de adquisición de espectros se pueden apuntar para adquirir datos solo en puntos relevantes, eliminando datos redundantes y reduciendo el tiempo de procesamiento de datos. Además, estos flujos de trabajo se pueden automatizar por completo y el tiempo total de análisis se puede reducir de 10 o más horas a menos de 1 hora.
En el futuro, el análisis de la prevalencia de microplásticos en muestras ambientales y de alimentos se extenderá desde los laboratorios de investigación hasta los análisis de rutina por parte de los organismos reguladores, las autoridades del agua y la industria de alimentos y bebidas. Esto podría respaldar potencialmente un enfoque normativo mejorado, que probablemente requeriría técnicas analíticas accesibles que podrían usarse en una amplia variedad de entornos en el campo. Un cambio clave necesario en las aplicaciones actuales, para abordar una crítica hecha dentro de muchos estudios actuales que señalan que solo se usa una pequeña cantidad de muestras de grandes masas de agua, es la capacidad de analizar más muestras en un tiempo más corto. Esta capacidad conduciría a una mejor información al reducir la variabilidad estadística.

La espectroscopia MIR seguirá siendo una técnica preferida entre los científicos cuando se requiera información no solo sobre el tipo de polímero, sino también sobre el número y las características físicas de la partícula. La capacidad de analizar más muestras en un entorno de laboratorio de rutina impulsa la necesidad de soluciones analíticas robustas, repetibles, rápidas y fáciles de usar.

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