Микрофлюидный подход к этикетке

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11011 (2023) Цитировать эту статью

776 Доступов

Подробности о метриках

Морской микропластик становится все более серьезной экологической проблемой из-за его потенциального вреда для морской биоты. Существенные различия в их физических и химических свойствах создают серьезную проблему, когда дело доходит до отбора проб и определения характеристик микропластика небольшого размера. В этом исследовании мы представляем новый микрофлюидный подход, который упрощает процесс улавливания и идентификации микропластика в поверхностной морской воде, устраняя необходимость в маркировке. Мы изучаем различные модели, в том числе машину опорных векторов, случайный лес, сверточную нейронную сеть (CNN) и остаточную нейронную сеть (ResNet34), чтобы оценить их эффективность при идентификации 11 распространенных пластиков. Наши результаты показывают, что метод CNN превосходит другие модели, достигая впечатляющей точности 93% и средней площади под кривой 98 ± 0,02%. Кроме того, мы демонстрируем, что миниатюрные устройства могут эффективно улавливать и идентифицировать микропластик размером менее 50 мкм. В целом, этот предлагаемый подход способствует эффективному отбору проб и идентификации микропластика небольшого размера, что потенциально способствует важнейшим долгосрочным усилиям по мониторингу и обработке.

Загрязнение микропластиком стало глобальной проблемой: по оценкам, в верхних слоях океана насчитывается около 24,4 триллионов кусочков микропластика, что подчеркивает обширное присутствие этого загрязнителя в морской среде1. Со временем кумулятивное воздействие загрязнения микропластиком на морскую биоту привело к серьезным угрозам для здоровья, представляя серьезный риск для всей экосистемы2. Эффективный отбор проб, точная идентификация и надежная химическая характеристика микропластика имеют решающее значение для понимания его экологического и биологического воздействия. Тем не менее, отсутствие систематических процессов сохраняется из-за сложной природы микропластика окружающей среды, включающей такие факторы, как их различные размеры, формы, стадии разложения, агрегация и наличие связанных с ними биопленок. В настоящее время существует три основных направления изучения морского микропластика: отбор проб, обработка проб с контролем загрязнения и идентификация микропластика3. Идеальный отбор проб позволяет собирать микропластик с высокой точностью, сохраняя всю необходимую информацию, полученную естественным путем, без нежелательного перекрестного загрязнения. Однако традиционные методы отбора проб и разделения, такие как разделение по плотности, визуальное разделение и пассивное плавание, ограничены в своей способности эффективно отделять мелкие частицы субмикронного масштаба4, на которые фактически приходится большая часть микропластика в морях. Другие методы, такие как кислотное и ферментативное расщепление, являются дорогостоящими процессами и могут включать использование высокотоксичных химикатов, которые потенциально могут повредить целостность образцов5. Еще одной проблемой, вызывающей беспокойство, является возможность перекрестного загрязнения от устройств для отбора проб и атмосферных частиц, что может создать дополнительные проблемы при точной оценке и количественном определении загрязнения микропластиком6. Хотя стратегии смягчения последствий, такие как измерение холостых проб, могут помочь свести к минимуму экспериментальные ошибки, эти методы устраняют загрязнение только в центральной лаборатории7. Как подчеркивается в обзоре Идальго-Руса и др.8, которые обобщили традиционные методологии 68 исследований морского микропластика, разработка эффективных методологий, позволяющих различать большее количество фракций по размеру, предотвращать загрязнение и обеспечивать эффективную идентификацию и характеристику, по-прежнему остается важнейшей задачей в поле.

В настоящее время микрофлюидная технология зарекомендовала себя как мощный инструмент для сортировки и разделения частиц благодаря ее преимуществам, таким как экономия затрат, быстрое реагирование, высокая производительность и адаптируемость во многих приложениях9,10. Недавние исследования показали, что его возможности распространяются на исследования микропластика11,12,13,14,15. Например, Эльсайед и др.16 сообщили о платформе микрооптофлюидного анализа для сортировки частиц микропластика в водопроводной воде. Отсортированный микропластик (1–100 мкм) улавливали в микрофильтрах для химической характеристики как рамановской спектроскопии, так и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Однако нежелательное накопление частиц приводило к появлению смешанных рамановских пиков, что неоправданно увеличивало трудности определения характеристик образцов.