Les microplastiques sont définis comme des morceaux de plastique dont la taille est inférieure à 5 mm.
Ils peuvent provenir directement de la production ou de l’utilisation de produits de consommation (microplastiques primaires), ou de la fragmentation d’objets en plastique plus grands (microplastiques secondaires). Géographiquement, les microplastiques sont présents partout sur Terre et ont envahi nos chaînes alimentaires et notre eau potable, devenant un problème environnemental mondial et un problème de santé potentiel. Une étude publiée en 2020 dans la revue Environmental Pollution révèle qu’il pourrait y avoir beaucoup plus de microplastiques flottant dans les océans du monde que ce qui avait été estimé auparavant. Les chercheurs estiment que les océans pourraient abriter jusqu’à 125 000 milliards de particules microplastiques !
« Notre recherche montre que les microplastiques échantillonnés à l’aide d’un filet plus fin étaient principalement des fibres nettement plus petites que celles échantillonnées à l’aide d’un filet plus gros », explique Pennie Lindeque, auteur principal du Plymouth Marine Laboratory.
Chaque année, les textiles représentent environ 14 à 16 % de la production de plastique, soit environ 60 millions de tonnes par an. Des produits comme les tissus synthétiques des vêtements et les tapis synthétiques produisent des millions de fibres par an, dont beaucoup restent concentrées à l’intérieur.
L’inspection visuelle à l’œil ou à l’aide d’un microscope manuel, est encore largement utilisée pour identifier et quantifier les microplastiques. Cette méthode est toutefois subjective, longue et très sensible aux préjugés des utilisateurs, les matériaux non plastiques étant souvent classés à tort comme des microplastiques. Pour remédier à ce problème, l’identification chimique au moyen de techniques non destructives telles que la spectroscopie Raman est désormais largement utilisée pour faciliter l’analyse des microplastiques1.
Chez Alfatestlab, nous utilisons la spectroscopie Raman dirigée par la morphologie (MDRS®) pour caractériser les échantillons de microplastiques. Cette méthode permet de caractériser automatiquement et indépendamment chaque particule de microplastique dans un mélange, en fournissant des informations complémentaires sur la taille, la forme et l’identité chimique des particules.
À partir de ce composant, il est possible d’obtenir des informations spécifiques (tels que les distributions de taille et de forme des particules pour chaque type de microplastique présent dans l’échantillon) en une seule mesure automatisée.
Nous rapportons ici les résultats obtenus par le fabricant de l’instrument (Morphologi 4-ID de Malvern Panalytical) en utilisant le MDRS pour caractériser et identifier un mélange de six types de microplastiques collectés sur un filtre à membrane.
Matériaux et méthodes
Une aliquote de 2 ml d’une suspension aqueuse contenant six plastiques différents (répertoriés dans le tableau 1 avec certaines de leurs utilisations courantes) a été filtrée sous vide à l’aide d’une verrerie pour éviter toute contamination par le plastique. Les microparticules de plastique ont été recueillies sur un filtre à membrane en ester de cellulose mélangé de 47 mm, qui a ensuite été transféré sur l’accessoire Filter Plate (voir Figure 1) puis laissé sécher pendant une nuit.
Tableau 1 : Les six types de plastique utilisés dans cette étude et leurs utilisations courantes.
Figure 1 : Photographie de la plaque de filtration contenant le filtre à membrane à mesurer sur la platine Morphologi 4-ID, et de la zone de balayage composite du filtre à un grossissement de 2,5x.
Une bibliothèque de référence a été créée en acquérant les spectres d’échantillons discrets des six types de plastique. Au cours de l’analyse MDRS, chaque spectre de particule a été corrélé à la bibliothèque spectrale de référence, ce qui a donné un score de corrélation compris entre 0 et 1. Plus le spectre d’une particule est similaire au composant de la bibliothèque, plus le score de corrélation est proche de 1. En général, on définit une valeur seuil à partir de laquelle l’utilisateur est sûr que les composants chimiques peuvent être différenciés.
Résultats et discussion
Les figures 2 et 3 montrent les distributions du diamètre équivalent du cercle (CED) pondéré en nombre et en volume, respectivement, pour les particules de microplastique imagées sur la membrane filtrante à un grossissement de 2,5x. Les distributions révèlent que l’échantillon était très polydispersé, avec des tailles de particules allant de moins de 10 µm à 1 mm. La distribution de la taille des particules basée sur le nombre permet de compter précisément le matériau fin car chaque particule est comptée de manière égale. Une distribution pondérée par le volume, comme l’analyse par diffraction laser (où une seule particule de 100 µm a la même contribution que mille particules de 10 µm) mettrait l’accent sur les grandes particules microplastiques.
Figure 2 : Distribution du diamètre équivalent du cercle (CED) pondéré en nombre pour les particules microplastiques imagées sur la membrane filtrante à un grossissement de 2,5x, avec des exemples d’images de particules aux 50ème et 90ème « percentiles » de la distribution.
Comme on peut le voir sur les images de particules montrées sur les Figures 2, l’échantillon contenait des particules avec une large gamme de formes, qui peuvent être décrites et tracées en utilisant des descripteurs de forme tels que la circularité et l’élongation. Les types de plastique ne pouvaient pas être différenciés sur la base des seules images de particules ; des informations supplémentaires étaient nécessaires, qui ont été fournies par une identification chimique utilisant la spectroscopie Raman.
Les spectres Raman acquis sur un sous-ensemble de particules imagées d’une taille de 100 µm ou plus ont été classés sur la base du spectre de la bibliothèque auquel les spectres ont donné la meilleure corrélation tout en respectant une valeur seuil (voir Figure 3). En raison de la nature de l’échantillon analysé, la bibliothèque de référence ne contenait que les spectres Raman des plastiques, mais l’instrument peut également être utilisé pour différencier les particules plastiques des particules non plastiques telles que les matériaux naturels comme le sable ou la cellulose.
Figure 3 : Spectres Raman de PE, PP, PS, PC, PET et PVC acquis sur le Morphologi 4-ID, avec des exemples d’images de particules identifiées chimiquement sur chaque plastique de l’échantillon filtré.
A partir des particules identifiées chimiquement, un graphique montrant le pourcentage du nombre total de particules classées pour chaque type de plastique a été tracé (Figure 4). Il en ressort que le type de particule microplastique de plus de 100 µm le plus abondant sur le filtre était le PET (39 %), suivi par un nombre similaire de particules de PE (27 %) et de PS (26 %), les 8 % restants étant constitués des trois autres types de plastique.
Figure 4 : Le pourcentage du total des particules comptées pour chaque type de plastique identifié par spectroscopie Raman (CED ≥ 100 µm).
En utilisant le MDRS, il est devenu possible d’examiner et de comparer les distributions de taille et de forme des particules pour chaque type de plastique dans l’échantillon de microplastique. La figure 5 montre la distribution de circularité pour les trois types de plastique les plus abondants : PET, PE et PS, ainsi que des exemples d’images de particules. Les particules de plastique sont généralement de forme irrégulière. Les particules de PE présentent des valeurs de circularité beaucoup plus faibles que les autres. Cela reflète les images des particules de PE qui semblent être principalement de nature fibreuse.
Figure 5 : distributions de sous-dimensionnement de la circularité pour les microparticules de plastique identifiées comme PE (rouge), PET (noir) et PS (bleu) à l’aide de MDRS avec des exemples d’images de particules avec un CED ≈ 250 µm pour chaque type de plastique.
La deuxième mesure MDRS a ciblé les particules dont la taille est comprise entre 20 et 100 µm. La figure 6 compare le pourcentage du nombre total de particules classées pour chaque type de plastique pour les deux plages de taille analysées et montre une grande similitude. La possibilité de comparer facilement des ensembles de données classées, qu’il s’agisse de mesures provenant de nombreux échantillons différents ou même du même échantillon, comme illustré ici, peut faciliter l’évaluation rapide de processus réels. Par exemple, elle pourrait être utilisée pour comparer le type et la morphologie des microplastiques collectés à différents endroits sur plusieurs bandes de taille, ou utilisée pour suivre les taux d’érosion et les comportements de différents types de polymères lorsqu’ils sont soumis à un environnement ou un traitement particulier.
Figure 6 : Le pourcentage du total des particules comptées pour chaque type de plastique identifié par spectroscopie Raman dans les plages de taille 20 – 100 et ≥ 100 µm.
Conclusions
Si vous faites partie d’un laboratoire ou d’une équipe dans le monde entier qui mène actuellement des recherches variées sur les origines, l’impact et le devenir des microplastiques dans l’environnement, vous pourriez être intéressé par l’analyse de vos échantillons à l’aide de la spectroscopie Raman dirigée par la morphologie (MDRS) !
Nous pouvons faciliter l’analyse de vos échantillons contenant des microplastiques en utilisant le Morphologi 4-ID, fournissant les tailles, formes et proportions des différents types de particules microplastiques. Nous pouvons vous aider à comprendre le comportement probable de ces matériaux dans un processus ou un environnement, en comparant des échantillons provenant de différents endroits. Contactez-nous pour discuter de vos besoins analytiques !
Références
1. J.C. Prata, J.P da Costa, A.C. Duarte and T. Rocha-Santos, Methods for sampling and detection of microplastics in water and sediment: a critical review, Trends in Analytical Chemistry, 2020, 110, 150.
2. L.W.D. van Raamsdonk, M. van der Zande, A.A. Koelmans, R.L.A.P. Hoogenboom, R.J.B. Peters, M.J. Groot, A.A.C.M. Peijnenburg and Y.J.A.Weesepoel, Current insights into monitoring, bioaccumulation and potential health effects of microplastics present in the food chain, Foods, 2020, 9(1), 72
3. https://www.who.int/water_sanitation_health/publications/microplastics-in-drinking-water/en/
4.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749120310253#!
5.https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/AN200514CharacterizationOfMicroplasticsUsingMDRS
