DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-371-2026
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Narain Maharaj Ashta وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة سلسلة تحليلية شاملة مصممة لجمع ومعالجة وتحليل الجزيئات البلاستيكية الدقيقة (MPs) في عينات الترسيب الجوي الرطب والجاف. تقدم الدراسة إعداد أخذ عينات جديد يستخدم جهاز ترشيح هطول الأمطار في الموقع، محققًا معدل استرداد متوسط يبلغ حوالي 90% خلال تجارب التحقق. تجمع الطريقة التحليلية بين المجهر الضوئي مع مطيافية تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FPA-µ-FTIR)، مدعومةً بمنصة برمجيات مخصصة تدمج النتائج من كلا التقنيتين. كشفت تقييم شامل لعدم اليقين في القياس عن عدم يقين موسع إجمالي يبلغ حوالي 90% لتقدير MPs، مع أخطاء منهجية في تقدير الكتلة تصل إلى 50%.
تسلط النتائج الضوء على المصادر الرئيسية لعدم اليقين، بما في ذلك أخطاء أخذ العينات الفرعية (26%)، وتأثير طبوغرافيا الجسيمات على نتائج FPA-µ-FTIR (24%)، ومعدلات الاسترداد المتغيرة للمعايير البديلة (19%). تقترح الدراسة أنه يمكن تحسين النتائج من خلال تحليل مناطق ترشيح أكبر واستخدام أدوات ذات إنتاجية أعلى مع قدرات التركيز التلقائي. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحويل أحجام الجسيمات ثنائية الأبعاد إلى أحجام ثلاثية الأبعاد يقدم أخطاء منهجية، والتي يمكن التخفيف منها من خلال التقدم في الكشف الآلي عن أشكال الجسيمات. بينما تم تصميم قيم عدم اليقين المحددة لهذه السلسلة التحليلية، فإن المنهجيات والمبادئ التي تم تأسيسها قابلة للتطبيق على جهود مراقبة الجزيئات البلاستيكية الدقيقة الأوسع، مما يبرز ضرورة التقييمات الدقيقة لعدم اليقين في الدراسات البيئية.
مقدمة
تُعرف الجزيئات البلاستيكية الدقيقة (MPs) بأنها جزيئات بلاستيكية صلبة تتراوح من 1 ميكرومتر إلى 5 مليمترات، وتتكون بشكل رئيسي من بوليمرات صناعية غير قابلة للتحلل، وتظهر استمرارية بيئية كبيرة، مع تقديرات لعمر نصف يتراوح من عقود إلى قرون. لقد أثار وجودها الواسع في مختلف المكونات البيئية، بما في ذلك المناطق النائية، مخاوف عالمية بشأن تأثيرها كملوثات بيئية. أكدت الدراسات الحديثة على دور الغلاف الجوي في النقل بعيد المدى للجزيئات البلاستيكية الدقيقة، باستخدام تقنيات أخذ عينات نشطة وسلبية لتقييم تركيزات الهواء ومعدلات الترسيب لهذه الجزيئات.
تسلط الأبحاث الضوء على التنوع في طرق أخذ العينات والتقنيات التحليلية المستخدمة في دراسات الجزيئات البلاستيكية الدقيقة، مما يعقد مقارنة النتائج عبر مختبرات مختلفة. تُصنف الطرق التحليلية إلى تقنيات قائمة على الجسيمات، مثل مطيافية تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) ومطيافية رامان، وتقنيات قائمة على الكتلة، بما في ذلك التحليل الحراري-الكروماتوغرافيا الغازية-مطيافية الكتلة (Py-GC-MS). إن عدم وجود سلاسل تحليلية موحدة والتقارير النادرة عن عدم اليقين المحدد للطريقة تزيد من تحديات موثوقية البيانات المتعلقة بتركيز الجزيئات البلاستيكية الدقيقة وتفسيرها. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير سلسلة تحليلية مخصصة لتقدير الجزيئات البلاستيكية الدقيقة في عينات الترسيب الجوي، وتقدير عدم اليقين المرتبط بالقياس، وحساب حدود الكشف، وإظهار فعالية الطريقة من خلال تقدير الجزيئات البلاستيكية الدقيقة في عينات مختارة. الإطار التحليلي المقترح قابل للتكيف لتحليل الجزيئات البلاستيكية الدقيقة الأوسع وتقرير البيانات خارج السياقات الجوية.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المنهجية لتعيين طيف FPA-µ-FTIR التجريبي للجزيئات البلاستيكية الدقيقة (MPs) الموجودة في العينات البيئية. يبرزون أن هذه الأطياف غالبًا ما تختلف بشكل كبير عن تلك الخاصة بالبوليمرات النقية في قواعد البيانات المرجعية بسبب عوامل مثل الأكسدة الضوئية الناتجة عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما يقدم ذروة كربونيل. بالإضافة إلى ذلك، فإن تعقيد جزيئات MPs، التي قد تتكون من خلطات من أنواع بوليمر متعددة، يعقد عملية التعيين ويزيد من احتمال حدوث تصنيفات خاطئة. لمعالجة هذه التحديات، أنشأ المؤلفون عتبات تشابه محددة للبوليمر لتقليل الإيجابيات والسلبيات الكاذبة عند مقارنة الأطياف المقاسة بالأطياف المرجعية.
لتقدير عدم اليقين المرتبط بهذه العتبات، تم إجراء تحليل حساسية، حيث تم فحص كيف أثرت التغيرات في عتبات التشابه (المعدلة بمقدار ±0.05) على عدد أنواع البوليمر المكتشفة. تم حساب عدم اليقين النسبي في التصنيف الخاطئ بناءً على هذه التغيرات، وتم تجميع النتائج في الجدول S4، الذي يقدم إجمالي وعدد MPs المحدد للبوليمر عند ثلاث عتبات تشابه عبر 59 عينة بيئية. من أجل الاتساق، اختار المؤلفون تطبيق قيمة عدم يقين موحدة تبلغ 17% عبر جميع أنواع البوليمر عند حساب عدم اليقين الكلي في القياس، بدلاً من استخدام عدم اليقين المحدد للبوليمر، بسبب عدم التحديد الكامل لعدم اليقين على طول السلسلة التحليلية لجميع البوليمرات.
نتائج
تقدم الدراسة منصة برمجيات مخصصة تُدعى “YA-MANAKA”، تم تطويرها بلغة بايثون، لتعزيز دمج قياسات المجهر الضوئي وFPA-µ-FTIR لتحليل الجسيمات. تشمل الوظائف الرئيسية لـ YA-MANAKA محاذاة إحداثيات المجهر الضوئي مع إحداثيات مرحلة FPA-µ-FTIR للتصوير التبادلي، وتوليد نوافذ أخذ عينات تلقائية على مرشحات Anodisc، واكتشاف الجسيمات الفردية، وتحديد المعايير البديلة. تسهم هذه الميزات بشكل كبير في تبسيط سير العمل التحليلي، مما يسهل تقدير عدم اليقين في أخذ العينات ويحسن دقة ارتباطات الصور الكيميائية.
بالإضافة إلى ذلك، تحقق الدراسة من تأثير طبوغرافيا المرشح وأحجام الجزيئات البلاستيكية الدقيقة (MP) المتغيرة على نتائج قياسات FPA-µ-FTIR. بسبب عدم وجود ميزة التركيز التلقائي في المطياف، تم إجراء القياسات عند إحداثيات z ثابتة، مما أدى إلى اختلافات في التركيز أثرت على دقة الكشف. أظهر تحليل 219 MP عند ثلاثة ارتفاعات بؤرية مختلفة أن تركيز شعاع الأشعة تحت الحمراء على بعد 50 أو 100 ميكرومتر فوق سطح المرشح أدى إلى معدلات كشف أعلى للكرات البلاستيكية الحمراء (PE) والزرقاء (PS) مقارنةً بالتركيز مباشرة على سطح المرشح. تم حساب عدم اليقين النسبي المرتبط بهذه القياسات ليكون 24%، مما يساهم في التقييم العام لعدم اليقين في العملية التحليلية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير سلسلة تحليلية شاملة لتقدير الجزيئات البلاستيكية الدقيقة (MPs) في الترسيب الجوي الرطب والجاف، باستخدام مجموعة من المواد الكيميائية والمعايير، بما في ذلك الماء النقي، والجلسرين، وأنواع مختلفة من الكرات البلاستيكية الدقيقة. تم تصميم جهاز أخذ العينات لجمع الترسيب الرطب والجاف بكفاءة، باستخدام جهاز ترشيح بشبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ لالتقاط الجسيمات الأكبر من 15 ميكرومتر. أظهرت اختبارات الاسترداد كفاءة عالية، مع متوسط استرداد يبلغ 98% للترسيب الرطب و87% للترسيب الجاف، مما يثبت ملاءمة طرق أخذ العينات لمراقبة الميدان.
شمل معالجة العينات المجمعة تكسير الحجم، والهضم الأكسيدي، وفصل الكثافة، تلاها تحديد وتقدير MPs باستخدام المجهر الضوئي ومطيافية تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FPA-µ-FTIR). تناولت الدراسة أيضًا تدابير ضمان الجودة والسيطرة، بما في ذلك استخدام المعايير البديلة والضوابط السلبية لتقليل التلوث وتقدير معدلات الاسترداد. تم تقييم عدم اليقين في القياسات بشكل منهجي، مما كشف عن مساهمات كبيرة من مراحل مختلفة من السلسلة التحليلية، مع تجاوز إجمالي عدم اليقين 80%. تؤكد هذه النتائج على تعقيد تقدير الترسيب الجوي للجزيئات البلاستيكية الدقيقة بدقة وتبرز الحاجة إلى معايير منهجية صارمة في الأبحاث المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-371-2026
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Narain Maharaj Ashta et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This research presents a comprehensive analytical chain designed for the collection, processing, and analysis of microplastics (MPs) in wet and dry atmospheric deposition samples. The study introduces a novel sampling setup that utilizes an onsite precipitation filtration device, achieving an average recovery rate of approximately 90% during validation experiments. The analytical approach combines optical microscopy with focal plane array µ-Fourier transform infrared spectroscopy (FPA-µ-FTIR), supported by a custom software platform that integrates results from both techniques. A thorough assessment of measurement uncertainty revealed a total expanded uncertainty of around 90% for MP quantification, with systematic errors in mass estimation reaching 50%.
The findings highlight key sources of uncertainty, including subsampling errors (26%), the influence of particle topography on FPA-µ-FTIR results (24%), and variable recovery rates of surrogate standards (19%). The study suggests that improvements could be made by analyzing larger filter areas and utilizing higher throughput instruments with auto-focus capabilities. Additionally, the conversion of 2D particle sizes to 3D volumes introduces systematic errors, which could be mitigated through advancements in automated detection of particle morphologies. While the specific uncertainty values are tailored to this analytical chain, the methodologies and principles established are applicable to broader microplastic monitoring efforts, emphasizing the necessity of rigorous uncertainty assessments in environmental studies.
Introduction
Microplastic particles (MPs), defined as solid plastic particles ranging from 1 µm to 5 mm, are composed mainly of synthetic, non-biodegradable polymers and exhibit significant environmental persistence, with half-lives estimated from decades to centuries. Their widespread presence in various environmental compartments, including remote areas, has raised global concerns regarding their impact as environmental contaminants. Recent studies have emphasized the role of the atmosphere in the long-range transport of MPs, utilizing both active and passive sampling techniques to assess airborne concentrations and deposition rates of these particles.
The research highlights the diversity in sampling methods and analytical techniques employed in MP studies, which complicates the comparison of results across different laboratories. Analytical methods are categorized into particle-based techniques, such as Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and Raman spectroscopy, and mass-based techniques, including pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC-MS). The lack of standardized analytical chains and the infrequent reporting of method-specific uncertainties further challenge the reliability and interpretability of MP concentration data. This study aims to develop a tailored analytical chain for quantifying MPs in atmospheric deposition samples, estimate the associated measurement uncertainties, calculate detection limits, and demonstrate the method’s efficacy through quantification of MPs in selected samples. The proposed analytical framework is adaptable for broader MP analysis and data reporting beyond atmospheric contexts.
Methods
In this section, the authors discuss the methodology for assigning experimental FPA-µ-FTIR spectra of microplastics (MPs) found in environmental samples. They highlight that these spectra often differ significantly from those of pure polymers in reference databases due to factors such as photooxidation from UV exposure, which introduces a carbonyl peak. Additionally, the complexity of MP particles, which may consist of blends of multiple polymer types, complicates the assignment process and increases the likelihood of misclassifications. To address these challenges, the authors established polymer-specific similarity thresholds to minimize false positives and negatives when comparing measured spectra to reference spectra.
To quantify the uncertainties associated with these thresholds, a sensitivity analysis was conducted, examining how variations in the similarity thresholds (adjusted by ±0.05) affected the detected number of polymer types. The relative misclassification uncertainty was calculated based on these variations, and results were compiled in Table S4, which presents total and polymer-specific MP counts at three similarity thresholds across 59 environmental samples. For consistency, the authors opted to apply a uniform uncertainty value of 17% across all polymer types when calculating total measurement uncertainty, rather than using polymer-specific uncertainties, due to the incomplete determination of uncertainties along the analytical chain for all polymers.
Results
The research presents a custom software platform named “YA-MANAKA,” developed in Python, to enhance the integration of optical microscopy and FPA-µ-FTIR measurements for particle analysis. Key functionalities of YA-MANAKA include the alignment of optical microscopy coordinates with FPA-µ-FTIR stage coordinates for correlative imaging, automated generation of subsampling windows on Anodisc filters, detection of individual particles, and identification of surrogate standards. These features significantly streamline the analytical workflow, facilitating the quantification of subsampling uncertainties and improving the accuracy of chemical image correlations.
Additionally, the study investigates the impact of filter topography and varying microplastic (MP) sizes on FPA-µ-FTIR measurement outcomes. Due to the lack of an autofocus feature in the spectrometer, measurements were conducted at fixed z-coordinates, leading to variations in focus that affected detection accuracy. Analysis of 219 MPs at three different focal heights revealed that focusing the IR beam 50 or 100 µm above the filter surface resulted in higher detection rates for red polyethylene (PE) and blue polystyrene (PS) spheres compared to focusing directly on the filter surface. The relative uncertainty associated with these measurements was calculated to be 24%, contributing to the overall uncertainty assessment of the analytical process.
Discussion
In this study, a comprehensive analytical chain was developed for the quantification of microplastics (MPs) in wet and dry atmospheric deposition, utilizing a range of chemical reagents and standards, including ultrapure water, glycerol, and various types of microplastic spheres. The sampling apparatus was designed to efficiently collect both wet and dry deposition, employing a filtration device with a stainless-steel mesh to capture particles larger than 15 µm. Recovery tests indicated high efficiency, with average recoveries of 98% for wet deposition and 87% for dry deposition, validating the suitability of the sampling methods for field monitoring.
The processing of collected samples involved size fractionation, oxidative digestion, and density separation, followed by identification and quantification of MPs using optical microscopy and Focal Plane Array µ-Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FPA-µ-FTIR). The study also addressed quality assurance and control measures, including the use of surrogate standards and negative controls to minimize contamination and quantify recovery rates. Measurement uncertainties were systematically assessed, revealing significant contributions from various stages of the analytical chain, with total uncertainties exceeding 80%. These findings underscore the complexity of accurately quantifying atmospheric microplastic deposition and highlight the need for rigorous methodological standards in future research.