Introduzione

La produzione e l’utilizzo di milioni di tonnellate di plastica a livello globale ha portato al rilascio incontrollato e all’accumulo di detriti in tutto il pianeta con implicazioni ancora imprevedibili e sfaccettate. Recenti studi hanno rivelato come la plastica presente nell’ambiente sia sottoposta a frammentazione fino a dimensioni nanometriche ^[1], tuttavia i metodi idonei all’analisi di particelle di plastica di dimensioni così piccole sono ancora inadeguati ^[2]. Presentiamo in questo approfondimento un approccio innovativo per la caratterizzazione delle particelle delle nanoplastiche usando a Centrifugal Field-Flow Fractionaction combinata alla Multiple Light Scattering e Microscopia Raman.

Sillabazione della Centrifugal Field-Flow Fractionaction con microscopia Raman

Nella Centrifugal Field-Flow Fractionaction, la separazione viene indotta tramite un campo centrifugo che agisce perpendicolarmente a un canale nastriforme che ruota. Da qui, i costituenti di esempio vengono prevalentemente separati per le differenze presenti nella massa. In condizioni di flusso laminare, ciò significa che le particelle meno solide, che si diffondono più velocemente in direzione opposta al campo centrifugo applicato, eluiscono prima delle particelle più solide (Figura 1).

La Centrifugal Field-Flow Fractionaction, (CF3), proprio come qualsiasi altra tecnica di Field-Flow Fractionaction (FFF), può essere collegata in linea con una moltitudine di potenti rilevatori. Mentre il rilevamento UV consente la quantificazione di un campione frazionato, la Multiple Angle Light Scattering fornisce informazioni sulla distribuzione delle dimensioni (CF3-UV-MALS); tuttavia, entrambi i detector, diversamente dalla microscopia Raman, non sono in grado di fornire informazioni approfondite sulla natura chimica del relativo campione.

Pertanto, per aggiungere le proprietà di identificazione chimica alla configurazione CF3-UV-MALS, è stata sviluppata una cella a flusso Raman dedicata che consente la sillabazione tramite microscopia Raman (CF3-UV-MALS-Raman) ^[3].

Figura 1: schemi del canale del CF3.

Dettagli e risultati sperimentali

Le prestazioni della configurazione CF3-UV-MALS-Raman sono state valutate usando una miscela di tre differenti particelle delle nanoplastiche che variano per dimensione. Tale miscela includeva particelle di polistirene (PS) di due differenti dimensioni, 350 nm e 550 nm (25 mg/L ognuno; densità: 1,05 g/mL), così come particelle di poli(metilmetacrilato) (PMMA) di 500 nm (100 mg/L; densità: 1,18 g/mL). Il frazionamento della miscela ternaria di particelle delle nanoplastiche è stato ottenuto usando una velocità iniziale di CF3 di 3.000 rpm con decadimento del campo esponenziale a zero nel corso di 100 minuti.

La Figura 2 mostra il frattogramma di CF3-UV-MALS. Tutte e tre le dimensioni delle particelle sono state ben separate come indicato dal segnale UV registrato (asse y a sinistra, linea blu). In aggiunta, la dimensione di ogni frazione della singola particella come raggio di rotazione (Rg) poteva essere determinata tramite la valutazione dei rispettivi segnali MALS a ogni intervallo di tempo del frattogramma utilizzando la misura del modello della sfera (asse y destra, punti verdi). Tuttavia, non è stata possibile una distinta formulazione sull’identità chimica di ogni frazione della particella senza la valutazione del segnale Raman.

Figura 2: fotogramma di CF3-UV-MALS della miscela ternaria delle nanoplastiche. Linea blu: segnale UV registrato, punti verdi: raggio della rotazione ottenuto (Rg) da MALS per tutti e tre i sistemi di particelle delle nanoplastiche (misura del modello della sfera)

Per avere un’idea dell’identità chimica di ogni frazione della particella, il segnale Raman per ogni singolo intervallo di tempo è stato monitorato usando la banda Raman caratteristica di ogni polimero (PS: 1.000 cm-1; PMMA: 812 cm-1).

Come evidenziato nella Figura 3, entrambe le frazioni delle particelle di PS eluiscono prima delle particelle di PMMA anche se la dimensione nominale delle particelle di PMMA è inferiore (500 nm) rispetto alla dimensione delle particelle di PS più grandi (550 nm). Questo mette bene in evidenza il fatto che il CF3 separa per massa e non per dimensione idrodinamica.

Figura 3: fotogramma di CF3-Raman che mostra il PMMA di 812 cm-1 e la banda Raman di 1.000 cm-1 che indica l’ordine di eluizione dal PS di 350 nm, PS di 550 nm al PMMA di 500 nm, che evidenzia che il CF3 separa principalmente per massa e non per dimensione idrodinamica.

I risultati ottenuti vengono riassunti nella Tabella 1. Per fornire una migliore comparabilità dell’Rg calcolato con le dimensioni geometriche nominali fornite dai produttori, i valori di Rg vengono convertiti in diametri geometrici (Dgeo) usando la relazione ben nota Dgeo = 2 x Rg/0,775, che è valida per le particelle delle nanoplastiche studiate qui, che possono essere considerate come sfere dure.

Tabella 1: panoramica della dimensione nominale, Rg e Dgeo delle particelle delle nanoplastiche studiate

Conclusione

La sillabazione della Centrifugal Field-Flow Fractionaction con rilevamento UV, MALS e Raman consente il rilevamento simultaneo, il ridimensionamento e l’identificazione chimica di miscele di nanoplastiche polidisperse. Per l’ampio intervallo di polimeri potenzialmente presenti nelle nanoplastiche, il CF3 è una tecnica di separazione ideale in quanto può frazionare queste particelle in dimensioni simili, ma differenti per massa o densità. Il design delle cellule del flusso Raman usato in questo studio si avvale del principio di intrappolamento ottico delle particelle e può essere utilizzato anche in combinazione con altre tecniche FFF come l’Asymmetrical Field-Flow Fractionaction. In aggiunta, questa struttura non è limitata alla caratterizzazione delle particelle delle neoplastiche, ma può essere anche utile per la caratterizzazione dei nanomateriali in generale.

Riferimenti

[1] H. Bouwmeester, P.C.H. Hollman, R.J.B. Peters, Environmental Science and Technology, 2015, 49, 8932−8947.
[2] C. Schwaferts, R. Niessner, M. Elsner, N.P. Ivleva, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2019, 112, 52-62.
[3] C. Schwaferts, V. Sogne, R. Welz, F. Meier, T. Klein, R. Niessner, M. Elsner, N.P. Ivleva, 2020, Analytical Chemistry, 92, 5813-5820.