DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL
BAB 6 IDENTIFIKASI DAN KUANTIFIKASI
E. Spektroskopi Inframerah Dan Raman
1. Perbandingan FTIR dan Raman
Spektroskopi FTIR dan Raman adalah teknik spektroskopi getaran komplementer, yang berarti bahwa pita yang memiliki intensitas Raman yang kuat dalam banyak kasus dapat memiliki intensitas IR yang lemah dan sebaliknya. Berdasarkan aplikasi yang dilaporkan pada analisis MP, keuntungan dan batasan FTIR dan Raman secara kritis dibandingkan dan diringkas. Pertama, resolusi ukuran yang lebih baik (mendeteksi partikel hingga ukuran 1 µm) secara teoritis dapat dicapai dari pencitraan Raman. Misalnya, Elert et al. (2017) menerapkan mikroskop WITec Raman (WITec alpha 300 R) pada sampel tanah yang dicampur dengan polimer referensi. Citra Raman dengan resolusi spasial 1 µm diperoleh langsung pada sampel simulasi tanpa pemurnian. Namun, spektrum Raman yang diperoleh menunjukkan fluoresensi yang kuat yang dihasilkan dari item mikro-biologis, organik atau anorganik (mineral tanah liat, struktur kristal yang tidak terpengaruh) dalam sampel. Bahkan, sejumlah kecil kelompok berhasil mengidentifikasi MP berukuran 1 µm dengan pencitraan Raman. Alasan mengapa kelompok lain tidak menemukan partikel sekecil itu terutama karena tuntutan prosedur persiapan sampel dan waktu pengukuran yang lebih lama.
Menantang untuk mengekstraksi partikel yang lebih kecil dari sampel laut yang kompleks. Misalnya, menggunakan filter dengan ukuran pori 10 µm mengarah pada fakta bahwa partikel yang lebih kecil dari 10 µm disaring dengan preparasi sampel. Oleh karena itu, meskipun secara teoritis Raman mampu mendeteksi partikel berukuran 1
µm MP, namun kemampuan identifikasinya masih sangat bergantung pada parameter lain seperti kompleksitas sampel, jenis filter yang digunakan, dan parameter pengukuran. Di sisi lain, FTIR memiliki resolusi ukuran yang kurang presisi (mendeteksi partikel hingga ukuran 10-20 µm). Resolusi IR dibatasi difraksi dan akibatnya partikel yang lebih kecil tidak dapat dianalisis. Perlu dicatat bahwa sampel dengan ketebalan kurang dari sekitar 5 µm (misalnya, film atau serat) memiliki masalah dalam menghasilkan absorbansi yang cukup untuk spektrum yang dapat diinterpretasikan dalam mode transmisi. Selain itu, kompleksitas matriks lingkungan juga dapat menghambat pendeteksian partikel kecil menggunakan FTIR.
Waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan informasi spektral yang memadai juga berperan dalam mengevaluasi kinerja pengukuran Raman dan FTIR secara keseluruhan.
Waktu yang dibutuhkan untuk pengukuran tunggal berkaitan dengan parameter yang digunakan. Rentang spektral yang lebih besar dan resolusi spektral yang lebih tinggi berkontribusi pada lebih banyak waktu yang dibutuhkan. Pengorbanannya adalah penurunan resolusi spektral untuk peningkatan jangkauan spektral. Faktor kritis lainnya adalah estimasi waktu pengukuran, yang terdiri dari waktu perolehan / eksposur dan jumlah akumulasi. Waktu pencahayaan biasanya dibatasi oleh saturasi kamera CCD. Jika saturasi tercapai, fitur spektral dapat hilang sebagian atau seluruhnya. Waktu pemaparan yang lebih singkat dapat mempercepat prosedur pemindaian namun cenderung menghasilkan sinyal yang lebih lemah. Beberapa pengukuran dapat diakumulasikan dan dirata-ratakan untuk menghilangkan derau acak.
Untuk pengukuran Raman, pilihan laser sumber dan daya laser yang berbeda biasanya menghasilkan sinyal spektral yang berbeda, oleh karena itu memengaruhi efisiensi
waktu. Direkomendasikan untuk menguji daya laser yang berlaku untuk setiap jenis sampel, dimulai dengan daya laser yang rendah kemudian dengan hati-hati meningkatkan daya laser hingga jauh di bawah penghancuran sampel pada waktu pengukuran yang ditentukan. Jika daya laser harus sama untuk semua partikel, disarankan untuk menggunakan lebih sedikit daya laser dan waktu pengukuran yang lebih lama.
Selain itu, air sangat mengganggu analisis FTIR, oleh karena itu semua sampel harus dikeringkan dengan hati- hati. Spektroskopi Raman tidak terlalu terganggu oleh sinyal air, namun fluoresensi biasanya merupakan masalah yang mengganggu. Bahan anorganik dan organik memiliki fluoresensi yang kuat dan oleh karena itu mengganggu deteksi MP. Oleh karena itu, sampel harus menjalani beberapa langkah persiapan termasuk pemisahan densitas dan pemurnian sebelum analisis Raman. Latar belakang fluoresensi juga dapat timbul dari pigmen atau aditif. Karena informasi ini memberikan beberapa pemahaman tentang komposisi dan kemungkinan asal partikel, tidak disarankan untuk menghilangkannya melalui pengolahan awal. Pemilihan parameter akuisisi yang tepat (sumber laser, daya laser, waktu pengukuran, photobleaching, pembesaran lensa obyektif) adalah kunci untuk menghindari masalah latar belakang fluoresensi yang kuat. Misalnya, salah satu solusi yang mungkin adalah melepaskan diri dari fluorofor, yang dapat dilakukan dengan mengubah sumber laser menjadi panjang gelombang yang lebih panjang.
Berbeda dengan FTIR, terutama dalam mode transmisi yang memerlukan transparansi, Raman juga mengaktifkan analisis partikel gelap dan tidak transparan. Kappler et al.
(2016) melakukan penelitian untuk membandingkan dan memvalidasi spektroskopi FTIR dan Raman untuk identifikasi kimiawi mikroplastik yang diekstraksi dari
sampel sedimen pantai. Database spektra komersial, yang dilengkapi dengan referensi spektra 11 polimer mereka sendiri, digunakan untuk identifikasi partikel dan serat yang tidak diketahui. Mereka melaporkan bahwa informasi tentang filter atau pigmen yang terkandung, terutama dalam konsentrasi rendah, sulit diperoleh dan kadang- kadang sepenuhnya tidak mungkin oleh ATR-FTIR dengan kristal germanium dan detektor elemen tunggal merkuri kadmium telurida (MCT). Partikel hitam dengan kandungan karbon hitam yang tinggi, juga tidak dapat diidentifikasi dengan ATR-FTIR. Spektroskopi Raman bekerja lebih baik untuk identifikasi filter organik dan anorganik atau pigmen dan matriks polimer. Namun, dalam beberapa kasus, filter atau pigmen adalah penghambur Raman yang lebih sensitif daripada matriks polimer dan mendominasi spektrum Raman. Oleh karena itu, penggunaan spektroskopi Raman secara eksklusif dalam kasus ini dapat menyebabkan kesalahan interpretasi terhadap partikel cat. Hasilnya, mereka menyimpulkan bahwa penggunaan gabungan spektroskopi Raman dan ATR-FTIR akan optimal untuk karakterisasi kimia mikroplastik yang lengkap dan andal.
Absorpsi IR dan hamburan Raman memiliki respon yang berbeda terhadap komposisi polimer berdasarkan interaksi radiasi dengan molekul organik. Dalam FTIR, ikatan kimianya, struktur diidentifikasi dengan perubahan momen dipol molekul saat IR diserap frekuensi yang berbeda. Jadi, molekul dengan momen dipol tinggi menghasilkan pita tinggi intensitas. Misalnya, gugus karbonil (C = O) menunjukkan pita serapan yang kuat pada 1750 ± 90 cm-1. Ini sesuai dengan senyawa organik dengan gugus polar. Sebagai perbandingan, spektroskopi Raman mengidentifikasi struktur ikatan kimia dengan menentukan perubahan polarisasi molekul selama mode getarannya. Oleh karena itu, mode IR aktif kuat diamati
menjadi aktif lemah di Raman sementara mode lemah atau non-getaran terdeteksi sebagai pita kuat di Raman (Ribeiro-Claro, et al., 2017). FTIR dapat dideteksi dengan baik untuk senyawa alifatik dengan kelompok polar seperti kelompok keluarga poliester (misalnya, PET, PBT), sedangkan Raman lebih akurat mengidentifikasi mereka yang memiliki ikatan simetris non-polar misalnya, ikatan aromatik, C ² H, dan C = C obligasi (Kappler et al., 2016;
Lenz, et al., 2 ,QL NDUHQD NHUDSDWDQ DZDQ Ǒ-elektron dalam ikatan Karbon-karbon mudah terdistorsi selama ikatan meregang dan bengkok di bawah paparan sumber laser (Mansour & Hickey 2007). Hal ini kemudian menyebabkan hamburan Raman yang kuat. Dengan demikian, Raman memiliki respons yang lebih baik terhadap ikatan non-polar, simetris, misalnya, polistiren, polietilen, dan polikarbonat. Lebih lanjut, karena respons yang lebih rendah terhadap gugus kutub, Raman lebih sedikit diganggu oleh molekul air daripada IR, sehingga dapat digunakan untuk analisis sampel basah (Ribeiro- Claro et al., 2017).
Raman memiliki resolusi spasial yang lebih luas untuk ukuran MP dibandingkan FTIR. Ini karena Raman dapat mengontrol pancaran laser insiden untuk fokus ke titik kecil dengan diameter 10 µm, atau kurang, dan mengumpulkan cahaya yang tersebar pada sudut lebar (Ribeiro-Claro, et al., 2017). Raman memberikan resolusi spasial 1 µm di permukaan. Dengan demikian, Raman dapat mendeteksi partikel hingga ukuran 1 µm (Ribeiro- Claro et al., 2017), sedangkan batas teknis ukuran yang dapat dideteksi dalam FTIR adalah sekitar 10-20 µm (Schymanski et al., 2018; Silva et al., 2018; Kappler et al., 2016; Bhargava et al., 2003). Namun demikian, beberapa peneliti melaporkan bahwa Identifikasi PE dan PS dilakukan di bawah beberapa ratus µm (Cabernard et al., 2018). Cabernard et al. (2018) menguji perbandingan
penghitungan MP menggunakan FTIR dan Raman. Jumlah MP yang terdeteksi kurang dari 500 µm oleh Raman dilaporkan 2 kali lebih tinggi dibandingkan dengan FTIR.
Dalam mode transmisi FTIR, ketebalan dan sifat penyerap yang kuat dari sampel dapat menutupi spektrum IR sampel karena transmisi cahaya yang lemah ke detektor, akibatnya tak terduga ukuran partikel dan / atau salah mengidentifikasi MP. Dengan demikian, sejumlah besar partikel MP mungkin tidak dapat dideteksi menggunakan FPA-mikro-FTIR.
Mayoritas sampel MP dilapukan oleh foton dan/atau degradasi mikroba dan terkontaminasi oleh bahan biologi / kimia dalam matriks lingkungan (Andrady 2017;
Catarino et al., 2017; Zettler et al., 2013). Ini mengganggu spektrum asli sampel yang menyebabkan kualitas sinyal buruk dari FTIR dan Raman (Araujo et al., 2018). Kotoran organik dari matriks alami dan aditif (misalnya, pengisi, pigmen, dan pewarna dari produk polimer) juga dapat menyebabkan pengecualian MP dengan melapisi atau menutupi sepenuhnya pita karakteristik polimer dengan pita asing di FTIR dan Raman (Schulte et al., 2008). Kaca, tanah liat, dan silika adalah topeng umum dalam spektrum FTIR. Namun, hal ini tidak terjadi secara signifikan di Raman karena ikatan Si²O memiliki polarizabilitas yang rendah (Bart 2006). Pewarna azo dengan sinyal grup azo (N = N) intens dalam hamburan Raman sehingga terjadi overlay pada spektrum sampel (Lenz et al., 2015).
Selain mengganggu sinyal, zat pewarna organik (pigmen dan pewarna, dll.), yang menutupi permukaan MP menunjukkan fluoresensi. Dalam beberapa kasus, MP itu sendiri mungkin menunjukkan fluoresensi karena memancarkan panjang gelombang energi yang tinggi.
Dalam spektroskopi Raman, kualitas spektrum lebih dipengaruhi oleh fluoresensi sampel daripada di FTIR
(Fredericks, 2012; Jochem & Lehnert, 2002). Terjadinya gangguan fluoresensi dalam spektroskopi Raman disebabkan oleh fluoresensi sampel yang diinduksi laser meningkatkan baseline dan mengubah latar belakang di spektrum, kemudian membayangi sinyal Raman (Kappler et al., 2016). Batasan Raman seperti itu dapat menyebabkan ketidaksesuaian dalam spektrum sampel dengan bahan standar dari pustaka referensi dan akibatnya salah identifikasi MP. Solusi untuk gangguan fluoresensi adalah dengan memilih sumber laser dengan panjang gelombang yang lebih panjang untuk deteksi sampel. Sebaliknya, mungkin perlu waktu lebih lama untuk mengukur dan membakar sampel. Di Raman, peningkatan jangkauan spektrum dan resolusi membutuhkan waktu lebih lama. Namun, dalam kasus sampel aktif Raman lemah, laser panjang gelombang pendek dapat meningkatkan efisiensi deteksi. Dengan demikian, resolusi yang lebih lebar ke ukuran MP dikompromikan dengan waktu pengukuran yang lebih lama.
Degradasi foto MP dalam matriks natural menginduksi intensitas yang lebih rendah dari pita karakteristik dan/atau pergeseran puncak (Silva et al., 2018).
Perubahan spektral seperti itu dalam sinyal jenis polimer yang dipalsukan oleh degradasi kemudian menyebabkan ketidaksesuaian dengan spektrum referensi. Misalnya, reaksi dengan radikal bebas menghasilkan gugus fungsi oksidatif pada permukaan MP (Lenz et al., 2015).
Kelompok oksidatif polar dideteksi dengan baik oleh FTIR.
Kemudian, itu mengganggu spektrum IR asli dari sampel yang menyebabkan kesalahan identifikasi dengan analisis FTIR. Sebaliknya, PVC yang terdegradasi foto dapat tidak cocok dengan spektroskopi Raman. Di bawah paparan radiasi UV, ikatan C ² Cl terbuka, sesuai dengan pengurangan intensitas puncak pada 693 dan 637 cm-1
(Lenz et al., 2015) yang membentuk ikatan rangkap C = C dengan hamburan Raman yang sangat intens.
Tabel 6.2 merangkum fitur FTIR dan Raman, khususnya, kemungkinan analisis MP berdasarkan jenis dan ukuran. Dibandingkan dengan pengamatan partikel melalui mikroskop optik, fungsi yang dapat diakses untuk mengidentifikasi partikel MP heterogen disajikan.
Sementara mikroskop optik digunakan untuk mengamati morfologi partikel MP saja dan menghitung jumlah MP yang diwarnai dengan pewarnaan nila merah, FTIR dan Raman dapat mengidentifikasi MP individu berdasarkan prinsip dan fitur yang berbeda. Ini juga menunjukkan keterbatasan dari dua metodologi pada identifikasi MP.
Tabel 6.2 Perbandingan mikroskop optik dan spektroskopi getaran (FTIR dan Raman)
Mikroskopi optik
Spektroskopi FTIR
Spektroskopi Raman
Prinsip Perubahan
momen dipol dari struktur molekul
Perubahan polarisasi ikatan kimia
Fungsi Identifikasi
kelompok
fungsional pada MP.
Kuantifikasi dengan pemetaan gambar dan penghitungan melalui FPA FTIR.
Cakupan spektral yang lebih luas.
Resolusi yang lebih tinggi.
Gangguan yang lebih rendah ke air (sampel basah mungkin) Analisis
yang memungk inkan
Warna, bentuk, tekstur permukaan.
Penghitunga n partikel ditambah dengan pewarnaan
Identifikasi MP
- Bentuk
(pencitraan) - Ukuran partikel:
25 µm
Tetapi secara teknis> 100 µm (tergantung ukuran berkas
Identifikasi MP
- Bentuk
(pencitraan)
- Ukuran
partikel: > 1 µm
merah Nil sinar)
Penghitungan partikel dengan pemetaan gambar kimia dan
perangkat lunak analisis gambar Kelompok
fungsional kutub:
: Epoksi, resin tingkat lanjut : Poliuretan, poliamida
: Keluarga poliester
(Kappler et al., 2016)
Ikatan nonpolar, aromatik, simetris : C ² H, C = C : Polystyrene (PS)
: Polikarbonat (PC)
: Polyethylene (PE)
Tak terduga/
Underestimation - <20 µm - Sampel yang terdegradasi UV
- PVC (C-Cl pada 690 cm-1) Batasan Tidak
mendeteksi MP dari bahan lain
Interferensi -Kontaminan organik
Dalam mode transmisi: sulit dengan sampel yang lebih tebal dan menyerap kuat
Interferensi - Fluoresensi Durasi pengukuran yang lama
Sumber : Lee & and Kyu-Jung, 2020
3. Tantangan dalam deteksi MP melalui FTIR dan