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利用硅纳米膜分析流程对饮用水中微塑料进行多模态分析

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DOI：

10.3791/68200

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2025年6月13日

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1SiMPore Inc., 2Department of Biomedical Engineering, University of Rochester, 3URnano, University of Rochester

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于高效捕获和分析饮用水中污染物颗粒的光学透明且平整的基底。文中展示了硅纳米膜分析流程（Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline，SNAP）：这是一种可灵活用于液体介质中颗粒物捕获、定量与鉴定的分析流程。

摘要

微塑料污染对人类食物和水源的生物学影响在很大程度上尚不明确，饮用水源也无法避免微塑料的污染。本文展示了一种用于捕获、定量和鉴定饮用水中微塑料的简化方法。我们提出了一种名为硅纳米膜分析流程（Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline, SNAP）的分析工作流程，该流程利用新型氮化硅纳米膜，实现显著的“浓缩倍数”，将悬浮颗粒富集到一个平面化的观察区域，从而在同一基底上对单个颗粒进行可定量、多模式的分析。SNAP 的主要优势在于其采用超薄氮化硅基膜，并将其集成于常规尺寸的滤膜圆盘中，从而可在非聚合物背景上直接捕获并分析聚合物微塑料。本研究采集了美国纽约州罗切斯特（Rochester, NY）地区居民自来水来源的饮用水样本，并使用 SNAP 进行分析。通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱以及能量色散X射线光谱（EDX）对各样本中的颗粒进行表征，并将鉴定出的各种成分相对于所捕获的总颗粒数进行定量分析。

引言

微塑料被定义为尺寸小于五毫米的合成聚合物1,2。微塑料（MP）污染正日益成为影响人类健康、环境和生态的重要问题。各类水源中均已发现微塑料污染，包括淡水、海洋甚至饮用水源3。微塑料来源于初级塑料材料的降解4，也来自合成纺织品5,6,7。微塑料无处不在，已在人体组织中被检出，例如人胎盘、粪便和血液8,9,10。近年来，微塑料研究日益受到关注，2023年和2024年分别有超过4,100篇和4,600篇相关出版物（PubMed数据；关键词 "microplastics"），公众对人类暴露于微塑料的担忧也在不断增加。为回应公众日益增长的关注，一些政府监管机构，如美国加利福尼亚州11和多个欧盟国家12，已开始（或即将）实施对饮用水中微塑料含量的监管措施。鉴于上述情况，美国 环境保护局最近已将微塑料列为一种新的重点关注污染物。然而，由于缺乏可靠且可重复的微塑料检测方法，对人体健康风险的评估受到严重阻碍。

微粒（MPs）的表征依赖于光学显微镜和电子显微镜等分析方法13以及光谱和质谱技术1,14,15 了解微塑料的视觉特征7 及其组成。含有微塑料（MPs）的样品应包含多种分析方法，以表征、鉴定和定量微塑料；根据部分期刊对环境样品中塑料检测的最低要求（如《总体环境科学》（Science of the Total Environment）），至少需采用光谱/质谱技术（例如拉曼光谱、红外光谱或热解气相色谱-质谱联用技术等）。16拉曼光谱比红外（IR）光谱更具多功能性，尤其是在生物样品的材料鉴定方面。拉曼光谱是一种光散射技术，能够比红外技术更轻松地分析更小的颗粒；而红外技术是一种光吸收技术，需要较大的颗粒，并对样品放置有更多限制。17有研究曾提出，采用硅或二氧化硅作为拉曼光谱的基底材料，可获得背景噪声极低且可靠的结果。18.

某些分析技术所需的基底材料通常仅适用于一种类型的分析（例如，红外光谱所需的镀金基底），但往往不适用于透射和/或反射光学显微镜。因此，研究者常采用重复取样的方式，为每种独立的分析制备相应的样品，但这种方法耗时较长，且可能遗漏丰度较低的微粒1,2,6。通常需要将微粒从一种基底手动转移至另一种基底，以便利用不同的分析手段对同一颗粒进行表征与鉴定，但此类手动转移过程缓慢，容易引入偏差、污染和样品损失，并限制了微塑料（MPs）的分析仅能针对尺寸较大、可手动操作的颗粒13。这些不够理想的实验流程带来了诸多挑战和可靠性问题，导致文献中报道的微塑料定量结果存在显著差异3,7。

本文介绍了一种我们称之为硅纳米膜分析流程（Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline, SNAP）的分析工作流程，用于捕获、表征、鉴定和定量微塑料颗粒（MPs），并通过分析来自美国纽约州罗切斯特地区饮用水样品，展示SNAP的应用价值。SNAP依托于常规尺寸的25 mm直径滤膜圆盘，其集成了硅纳米膜（膜特性详见补充表S1），可为利用多种技术从饮用水中富集和分析微塑料提供均一的基底15,19。通过依次使用截留孔径递减的纳米膜（首先为20 µm微孔氮化硅（MPSN），具有圆柱形孔道；随后为8.0 µm微狭缝氮化硅（MSSN），具有矩形棱柱形孔道）对微塑料进行富集与捕获后，SNAP可实现三个连续的分析步骤：1）样品染色、光学显微镜观察及微塑料定量；2）通过拉曼光谱进行颗粒物鉴定；随后3）通过扫描电子显微镜（SEM）进行颗粒物表征，从而实现对同一纳米膜基底上捕获的相同颗粒物进行多种分析。

我们利用未镀膜的硅纳米膜（SiN）滤膜圆盘和镀金硅纳米膜（Au-SiN）滤膜圆盘，展示了多种SNAP分析流程：流程A）在SiN上进行SNAP，并通过多种分析技术对同一微塑料颗粒（MPs）进行连续表征；流程B）在Au-SiN上进行SNAP并结合拉曼光谱分析；流程C）在Au-SiN上进行SNAP并结合配备能量色散X射线光谱仪（EDX）的扫描电子显微镜（SEM）分析（图1）。因此，SNAP的不同变体构成了灵活且高效的分析工作流程，可适用于多种样品类型和分析技术。与以往依赖聚合物膜的方法11不同，SNAP的优势源于其采用硅纳米膜，使合成聚合物微塑料颗粒被捕获在非聚合物的硅基膜上，从而实现在非聚合物背景上对微塑料颗粒的成分鉴定。此外，硅纳米膜具有均匀的焦平面，而聚合物膜容易起皱，因此硅纳米膜更适用于多种自动化的显微和光谱技术。

我们先前通过解析建模、模型颗粒挑战实验以及饮用水和空气样品分析，表征了硅纳米膜在微塑料（MP）分析中的应用19,20，并利用模型颗粒比较了其过滤性能和光学显微镜特性与四种广泛使用的膜材料的差异15。在本实验方案中，我们通过启发式方法展示了SNAP在分析四种饮用水样品中微塑料的应用价值。样品采集自纽约州罗切斯特市周边四个不同的水源地。本研究中每个样品均来自独立的地表水源，分别为安大略湖、亨洛克湖、亨洛克湖与安大略湖的混合水样，以及卡南代瓜湖（图2）。从这些饮用水源中捕获的颗粒包括广泛存在的塑料如聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE），以及铁等重金属、二氧化硅和非合成颗粒。

方案

1. 质量控制程序和超纯 溶液的制备

  1. 层流罩及手套清洁
    1. 穿戴个人防护装备（PPE）：100%棉质实验服和丁腈手套。
      注意：整个实验过程中均需持续穿戴个人防护装备。
    2. 用99%异丙醇（IPA）喷洒丁腈手套，双手揉搓后，再用约18 MΩ、0.22 µm滤过的水冲洗。重复此步骤3次，以去除手套表面的脱模剂。
    3. 将天然纤维精细作业擦拭布折叠成四分之一大小，喷上70%异丙醇，以长条形动作从后向前擦拭层流罩表面，每擦拭两下即重新折叠擦拭布至未使用面。持续清洁直至覆盖所有表面，一旦擦拭布变脏即更换新的擦拭布。
    4. 揭开硅胶滚轮垫，滚动其表面以收集残留颗粒。清洁硅胶滚轮时，先喷洒99%异丙醇，再用手套包裹的手指刷洗，然后用18 MΩ、0.22 µm滤过的水冲洗。重复此过程3次，随后置于层流罩内自然晾干。
    5. 参照步骤1.1.2重新冲洗手套。
  2. 超纯水与异丙醇的制备
    1. 取1 L烧杯装入18 MΩ水，并置于层流罩内。
    2. 使用60 mL注射器及配套的0.22 µm截留孔径注射式滤器，至少过滤200 mL的18 MΩ水，以预润滤膜系统。
      注意：使用注射泵可节省时间，但并非执行本方案的必要条件。
    3. 用18 MΩ、0.22 µm滤过的水冲洗玻璃螺口容器3次，然后装入经0.22 µm注射式滤器过滤的18 MΩ水。
    4. 重复步骤1.2.1–1.2.3，将18 MΩ、0.22 µm滤过的水替换为所需浓度的异丙醇，以制备超纯异丙醇。

2. 通过过滤从液体样品中捕获颗粒

注意：以下方案也可用于水以外的液体样品。样本采集方法的有效性应由研究人员根据其研究需求和样本特性自行决定。

  1. 穿戴个人防护装备。
    注意：确保按照步骤 1.1.2–1.1.5 清洁手套和通风柜表面。
  2. 用超纯 99% 异丙醇喷洒硅胶垫圈，戴手套用手揉搓清洗，然后用超纯水冲洗。每个垫圈重复此操作 3 次。
    注意：过滤过程中使用的垫圈数量等于所用滤膜圆盘的数量加 1。参见 图 1B 中的装置组装示意图。
  3. 使用在步骤 1.1.2 中预润洗过的注射器，吸取 30 mL 超纯水和 30 mL 空气，冲洗 60 mL 注射器内壁。旋紧一个注射器滤器，剧烈摇晃后排出液体。重复此操作 3 次。
    注意：可根据样品体积选择合适规格的注射器。
  4. 按照 图 1B 中的装置组装示意图组装过滤装置。
    注意：在组装和拆卸过程中，使用洁净的镊子操作滤膜圆盘和垫圈。
    1. 进行连续过滤时，确保每个圆盘与支撑砂芯之间、每张圆盘之间以及圆盘与过滤漏斗之间均放置一个垫圈。
    2. 确保滤膜圆盘按截留分子量从大到小的顺序排列，即最大截留分子量的滤膜在上层，最小截留分子量的滤膜在下层。
  5. 开启装置的真空泵，使负压通过滤膜圆盘堆栈。
  6. 测量背景污染
    注意：以下步骤用于评估注射器清洗效果和超纯液体的制备质量，并确定系统组件带来的背景颗粒污染。
    1. 使用已清洗的注射器，缓慢将 50 mL 超纯水滴加至顶层圆盘中心的纳米膜上，确保所有液体均经过滤。
      注意：若过滤较大体积的样品（即 >50 mL），建议使用玻璃过滤漏斗。玻璃过滤漏斗的清洗方法见步骤 2.3。额外使用的实验器具可能增加颗粒污染风险。务必严格遵守清洗程序，并在处理目标样品前始终通过空白过滤确认器具洁净。
    2. 让超纯水完成过滤过程。过滤结束后继续保持真空抽吸 1 分钟。待样品完全干燥后，关闭真空泵。
    3. 使用洁净的镊子小心地将滤膜圆盘从垫圈上取下，并放入适当洁净且已标记的容器中保存，例如玻璃培养皿或避光盒。
    4. 在显微镜下对滤膜圆盘进行成像，用于光学分析、颗粒计数等。
  7. 对于液体样品，按照步骤 2.2 清洗额外的一个垫圈。每种不同的液体介质样品应使用新的注射器 ，并重复步骤 2.3。
  8. 吸取所需量的样品，缓慢将其滴加至顶层圆盘中心的纳米膜上。
  9. 样品过滤完成后，用 1 mL 超纯水重复冲洗 3 次，确保样品中所有颗粒充分从各表面冲洗下来并完全转移至滤膜圆盘中心的膜上。
  10. 继续保持真空抽吸 1 分钟，使经 3 次冲洗后的样品完全干燥，然后关闭真空泵。
    1. 对目标样品的每个重复实验，重复执行步骤 2.7–2.10。

3. 荧光染料的配制与染色

注意：尼罗红和/或台盼蓝的荧光染色可能会干扰目标拉曼光谱激光。

  1. 尼罗红（NR）染色
    1. 穿戴个人防护装备（PPE）。
    2. 按照步骤 1.1.2–1.1.5 清洁手套和通风橱。
    3. 完成步骤 2.7–2.10 中所述的样品过滤。
    4. 用超纯水冲洗两个玻璃螺口容器，重复 3 次。
    5. 在洁净的玻璃容器中，用超纯 99% 异丙醇（IPA）配制 0.1 mg/mL 的 NR 溶液。
    6. 轻轻颠倒混合 10 次。
    7. 使用 0.22 µm 注射器滤膜将 NR 溶液过滤至第二个玻璃螺口容器中。
      注意：用于预过滤 NR 的滤膜截留分子量应小于用于过滤样品的滤膜。
    8. 将待染色的滤膜圆片放置于真空收集瓶的支撑砂芯上。
    9. 用移液器将 20 µL 的 0.1 mg/mL NR 溶液滴加到滤膜圆片中心的纳米膜表面。
      注意：染色液应完全覆盖纳米膜的多孔表面。若 20 µL 不足以覆盖，可逐滴添加染色液，直至纳米膜所有多孔区域均被充分覆盖。
    10. 染色孵育 5 分钟。
    11. 孵育完成后，进行真空过滤去除染色液。
    12. 用 1 mL 超纯 99% IPA 冲洗 3 次，以去除多余的 NR 染色液。
      注意：若需进行复染，请在本步骤后继续进行下文的台盼蓝染色部分。
    13. 将滤膜圆片留在带真空的支撑砂芯上静置 2 分钟，以滤除并干燥残留液体。若 2 分钟后仍未干燥，使用洁净的玻璃培养皿将滤膜圆片转移至 70 °C 烘箱中干燥 2–5 分钟。
    14. 干燥后，按照步骤 2.6.4 所述进行荧光显微镜观察，并进入第 4 节。 
  2. 台盼蓝（TB）染色
    1. 穿戴个人防护装备（PPE）。
    2. 按照步骤 1.1.2–1.1.5 清洁手套和通风橱。
    3. 完成步骤 2.7–2.10 的样品过滤 或从步骤 3.2.4 开始。
    4. 用超纯水冲洗两个玻璃螺口容器，重复 3 次。
    5. 在一个容器中配制 0.4% 的 TB 染色液。
      注意：用于预过滤 TB 的滤膜截留分子量应小于用于过滤样品的滤膜。
    6. 轻轻颠倒混合 10 次。
    7. 使用 0.22 µm 注射器滤膜将 TB 染色液过滤至第二个玻璃螺口容器中。
      注意：用于预过滤 TB 的滤膜截留分子量应小于用于过滤样品的滤膜。
    8. 将待染色的滤膜圆片放置于真空收集瓶的支撑砂芯上。
    9. 用移液器将 20 µL 的 0.4% TB 染色液滴加到滤膜圆片中心的纳米膜表面。
      注意：染色液应完全覆盖纳米膜的多孔表面。若 20 µL 不足以覆盖，可逐滴添加染色液，直至纳米膜所有多孔区域均被充分覆盖。
    10. 染色孵育 5 分钟。
    11. 孵育 5 分钟后，进行真空过滤去除染色液。
    12. 用 1 mL 超纯水冲洗 3 次。
    13. 将滤膜圆片留在带真空的支撑砂芯上静置 2 分钟，以滤除并干燥残留液体。若 2 分钟后仍未干燥，使用洁净的玻璃培养皿将滤膜圆片转移至 70 °C 烘箱中干燥 2–5 分钟。
    14. 干燥后，按照步骤 2.6.4 所述进行荧光显微镜观察，并进入第 4 节。

通过荧光显微镜进行颗粒定量

  1. 光学显微镜图像采集
    1. 使用硅胶垫圈将滤膜圆盘固定在显微镜载玻片上，或使用专为滤膜圆盘设计的对齐载玻片，并将其置于显微镜载物台上。
    2. 采用明场照明方式对纳米膜进行成像，使检测到的最大计数值达到~ 90%的探测器相机最大范围。
      注意：对于白电平为65,535的16位探测器，该90%值约为59,000。
    3. 采用荧光照明方式对纳米膜进行成像，使最大像素强度约为探测器相机最大范围的25%左右。
    4. 以16位复合TIFF格式保存图像。
  2. 通过荧光显微镜进行颗粒定量
    1. 利用图像分析平台，使用拆分通道功能，将4.1.4步骤中生成的复合TIFF图像中的荧光通道与明场通道分离。
    2. 使用阈值功能将像素强度设定为10,000。
      注意：若颗粒上出现光晕现象，则说明阈值过低，应适当提高。
    3. 另存为PNG格式的独立图像。
    4. 使用去斑点功能对图像进行去噪处理，以去除噪声像素。
    5. 使用分水岭功能对图像进行处理。
      注意：该功能可将大小相近且相邻的颗粒分离开，但代价是可能将较大的连续颗粒分割成较小的碎片。由于样品中通常小颗粒数量远多于大颗粒，这种权衡通常是可接受的，但也可能带来非预期的影响，例如将长纤维断裂为多个小颗粒片段。在确认数据前应仔细检查图像结果。
    6. 通过测量明场图像中一个孔径的宽度，设定阈值化后荧光图像的标尺。使用测得的孔径宽度在图像分析平台中设置标尺，单位为像素/µm。
      注意：对于矩形孔，最小宽度应与产品标签标注值一致；对于圆形孔，直径应与纳米膜的产品标签所标明的孔径尺寸（即截留值）相符。
    7. 对阈值化后的荧光图像应用图像分析平台的颗粒计数功能，评估面积、最小值和最大值。
    8. 处理荧光图像和明场图像，生成可直观显示荧光区域的复合图像。
    9. 使用与步骤4.2.2相同的阈值对荧光图像进行阈值化处理。
    10. 使用图像分析平台合并通道，将荧光通道指定为红色通道，将明场图像指定为灰度通道。
    11. 将复合图像保存为PNG文件。

5. 拉曼光谱法

  1. 打开拉曼仪器及其配套计算机，等待两者启动。
  2. 打开连接至拉曼仪器的计算机上的软件。
  3. 当软件初始化时，确保 当前系统活动 和 检测器状态 在程序屏幕的底部功能区显示 准备就绪 颜色 绿色分别。
  4. 如果 自动校准（AC） 屏幕底部的按钮是 红色，运行所需的 自动校准 并等待其完成后继续下一步操作。
  5. 若仅使用一个激光器和一个光栅：
    1. 点击 退出 在自动校准界面中，从相应的下拉列表中选择所需的激光器和光栅 仪器设置 在 采集 表。
    2. 返回到 红色AC 屏幕底部的按钮并单击 当前激光/光栅 并运行校准程序。
  6. 如果使用所有激光器和光栅，只需选择 所有激光器和光栅 并让系统运行。
  7. 如果使用多个激光器和/或光栅，请选择 定制激光器/光栅 并选择所有所需的设置，然后开始校准程序。
  8. 选择 20x 仪器转盘上的长工作距离（LWD）物镜，以及软件中的 仪器设置 在 采集 表格
  9. 如果无法获得此物镜，可选用其他低倍物镜（如 5x 或 10x），其工作距离需足以容纳滤膜的高度。
    注意：开始时使用较低放大倍数的物镜，以便更轻松地在滤盘的纳米膜上进行初步导航。
  10. 将滤光片放置在显微镜载物台上，使其位于光路中。
  11. 点击 视频采集 在顶部功能区中打开可视化光学器件。
  12. 使用仪器上的粗调和微调焦旋钮，将滤光盘的纳米膜调至焦点清晰。
  13. 使用计算机屏幕上的十字光标线将孔大致对齐成方形。
  14. 轻轻旋转载物台上的滤光盘以实现方格对齐，或使用专用于显微镜载物台滤光盘的对齐玻片。
  15. 在……之下 采集 右上角的标签，确保 照明模式 已选择 暗视野 为获得最佳结果。
  16. 要获取拼接图像，请导航至 视频标签 在 数据标签栏.
  17. 导航至第一个目标视野，然后单击 嵌合体 点击视频窗口右上角的按钮，并添加至地图。使用仪器操纵杆导航至目标区域的对侧外角，并添加至地图。
  18. 运行 马赛克采集 与 ViewSharp 以确保最终图像中所有区域均正确对焦。
    注意：使用较低放大倍数的物镜进行图像马赛克采集所需时间较短，而较高放大倍数的物镜则需要更长时间。
  19. 一旦图像拼接完成， 右键单击 图像并点击 发送至 ParticleFinder.
  20. 导航至 ParticleFinder 右上角功能区的选项卡，以调整阈值设置。
  21. 为确保选择正确的颗粒， 左键单击图像 在……之下 ParticleFinder 数据选项卡 检查 中心, 颗粒 和 透明度 盒子。设置 透明度滑块调至 50%，以及像素大小 中心 到 2px.
    注意： 中心 选择将在每个颗粒的中心位置放置一个点，且 颗粒 选择后将在确定为颗粒的每个区域上叠加一个透明度为50%的覆盖层。这些设置将定位每个颗粒并定义其边缘。
  22. 如有需要，编辑 颗粒阈值分割 和 形态/大小 选择参数在以下条件下 ParticleFinder 点击程序右侧的选项卡，以确保所有颗粒及其尺寸/形状参数均被正确识别。参考 补充表 S2 以说明形态学参数的应用示例。
    1. 如果 自动的 仅靠颗粒检测是不够的，应切换至 手动 逐步调整阈值，直至大多数正确的目标被识别为颗粒。
    2. 如果 形态学 检测到的颗粒需要进一步优化， 勾选该复选框 旁边 应用形态学滤波器在结果下拉菜单中选择合适的参数及其强度。
      注意：参数的选择顺序可能会影响输出结果。
  23. 如果 大小、形状或其他形态学特征 颗粒的特性是关键因素， 勾选“应用颗粒预过滤”旁边的复选框，然后根据需要选择并编辑参数。
  24. 一旦颗粒已被识别且其选定的形状/边缘符合要求，浏览下方可滚动的颗粒图像预览列表 结果 部分。选择 通过单击相关粒子图像来选择目标粒子.
  25. 打开 实时观察 与 摄像机按钮 屏幕顶部
  26. 切换到 50x 长工作距离物镜 通过点击 放大倍数 并选择 相应物镜 在应用程序底部功能区的下拉菜单中。
  27. 如有需要，使用微调旋钮将颗粒重新调至焦点。
  28. 拍摄待用拉曼光谱分析的单个颗粒图像，并将图像保存为具有适当名称的独立文件。
  29. 确保待分析颗粒的目标区域 拉曼光谱仪已正确放置在激光束位置下方。
  30. 在选定用于分析的颗粒合适区域后，点击 停止所有操作 窗口顶部的按钮以开启 关闭 的 可视化光学.
  31. 设定 激光 到 532 nm，在 1% 功率 用于 未染色颗粒，以及在 785 nm 或 830 nm 用于 荧光标记的颗粒.
  32. 设置 采集时间 到 10 s 以及 累积物 到 5.
  33. 选择 光谱 从数据标签菜单中选择标签，然后按播放按钮以启动 实时显示（RTD）.
    注意：利用RTD期间获得的信息来优化设置。
  34. 设置和结果满意后，点击 停止所有操作 至 停止 的 实时数据.
  35. 现在可以通过按下按钮来收集最终的采集数据 圆盘光谱采集 按钮旁边的 RTD 按钮.
  36. 将采集的光谱保存为具有适当名称的独立文件。
  37. 对每个感兴趣的颗粒重复步骤 5.28–5.36。
  38. 完成样品操作后，取下滤光片，并在显微镜上手动将物镜换回20X LWD，同时在软件中也将物镜设置为20X LWD。
  39. 对新样品重复步骤 5.10–5.37。

6. 光谱鉴定

  1. 如果无法获取购买或自行构建的拉曼光谱数据库，请访问开源光谱学数据库：https://www.openanalysis.org/openspecy/
    注意：OpenSpecy 是一个开源的拉曼和红外光谱数据库，包含来自三个不同谱库的 276 种聚合物和材料的 636 条光谱，适用于识别环境中的微塑料（MPs）和纤维21。预处理和后处理的光谱数据均可用于此资源。
  2. 将拉曼光谱保存为单独的 .csv 文件。
    1. 将 第 A 列 标记为 波数，随后填入光谱的波数值；第 B 列 应标记为 强度，随后填入每个波数对应的峰强度值。
  3. 打开光谱，方法是将 .csv 文件拖放到左上角的 浏览 栏中。
  4. 启用 预处理 和 识别 功能。
  5. 在 预处理 选项下，启用 信噪比阈值、最小-最大归一化、平滑/求导、统一波数 和 基线校正。
    注意：其中的具体参数设置可根据待分析光谱的个体特征进行调整。
  6. 在 识别 选项下，选择 拉曼 作为光谱类型，并选择 求导 作为谱库转换方式。
    注意：该谱库也可用于红外光谱分析。分析窗口将显示一条白色光谱（即上传用于分析的光谱）和一条红色光谱（即疑似匹配结果）。
  7. 对于匹配相关系数 r > 0.70 或峰形相关性不合理的光谱，建议优先参考系统推荐的前 5 个结果，作为进一步研究潜在匹配对象的起点。
  8. 在确认某一波峰匹配之前，应确保所测得的峰位与选定参考光谱中对应峰位的偏差在 ±10 波数范围内。
  9. 记录光谱匹配结果、对应的相关系数值以及疑似匹配所来源的数据库信息。
  10. 根据个人需求下载文件。

7. 扫描电子显微镜

注意：如果在扫描电镜分析前不进行金属镀膜处理滤膜，则跳至第7.2节。

  1. 样品的SEM金属镀膜
    1. 使用碳导电胶带将滤膜圆片固定在钢制扫描电镜样品台上。
    2. 放入溅射仪中，将腔室抽真空至50 mTorr。
    3. 打开溅射用氩气（Ar）隔离阀。
    4. 通过针阀向腔室内引入氩气，使压力升至300 mTorr，然后将腔室抽真空至50 mTorr。重复此过程3次。
    5. 通过针阀将最终压力调节至100 mTorr。
    6. 使用金靶材，通过溅射法将金沉积到滤膜圆盘上。
      注意：可选用其他靶材（如 Pt、Ir、Si 等）替代 Au；在 100 mTorr 条件下，20 mA 电流可产生 0.1 埃/秒的沉积速率。
    7. 卸压系统并取下滤膜盘。保持滤膜盘附着在不锈钢 stub 上。
  2. 扫描电镜图像采集
    1. 使用固定螺丝将样品台固定到多级 Zeiss Auriga 样品台上。
    2. 打开扫描电子显微镜（SEM）及其配套计算机，并等待设备和计算机系统完成启动。
    3. 打开与扫描电镜（SEM）配套的软件。
    4. 确认系统处于真空状态（5e-6 Torr）。
    5. 排气 负载锁 通过按压 通风 在主体载锁室上， 开放 的 装载锁.
    6. 将多级支架安装到涂有聚四氟乙烯的插入夹具上，并使用附带的螺钉板固定转移臂。
    7. 关闭装载锁，通过按压使装载锁抽真空 储存 在负载锁室主体上。
      注意：当绿灯停止闪烁时，表示已完成 储存 按钮。
    8. 打开转运门，将多级载样台装入主观察室的载物台上。
    9. 按压 转移 在主腔体的载锁上。闸门将下降并暴露内腔。
    10. 将装有负载锁臂（已旋入多级支架）的多级支架固定到载物台上。
    11. 拧下负载锁传输臂，并将机械臂完全缩回，使其位于负载锁内。
    12. 通过按压关闭转移门 转移.
    13. 按下以打开隔离阀 EHT 开启 在软件的右下角。
    14. 将软件数据区域的工作距离调整为5 mm，加速电压调整为20 kV。
    15. 定位 使用滤膜圆盘 XY 和 Z 轴摇杆.
    16. 升高载物台 使用 Z 轴操纵杆 直到图像清晰对焦。
    17. 校正像散 通过调整 XY消像散器 中央控制台上的旋钮和调焦轮
    18. 图像样本颗粒 在所需放大倍数下 调节放大倍数旋钮 在中央控制台，以8位或16位TIFF格式采集2,048 × 1,536分辨率的图像。
  3. EDX颗粒分析
    1. 转动 关闭 的 ChamberScope CCD 在扫描电镜计算机的桌面上。
      注意：如果此步骤未完成，EDX探测器将因信号过载而无法记录任何数据。
    2. 冷却 的 EDX探测器 通过打开 APEX EDX 软件 在 EDX 计算机，通过点击右上角菜单中的探测器电源开关来启动探测器。
    3. 捕获 可用于映射的低分辨率扫描电镜图像，通过点击 捕获图像.
    4. 打开 映射标签页 软件屏幕顶部的菜单。
    5. 下 设置，调节 分辨率 （256 × 256）和 像素驻留时间 （0.16 µs），以及 帧数 （32-64）以提供约5分钟的预计捕获时间。
    6. 点击 创建地图 位于菜单的左上角
    7. 选择 确认元素预览 手动调整元素搜索，或依赖软件自动识别的峰。
    8. 使用以下方法生成报告 自动报告 完成时，单击映射软件右上角部分的功能按钮。

结果

过程空白与背景污染
可接受的空白结果是指不含颗粒或仅含极少量颗粒，使得背景（即过程）污染（如果存在）不太可能对实验结果造成混淆或干扰。次优的空白结果是指含有大量颗粒，导致目标颗粒难以与背景污染相区分。

工艺污染的可接受水平应尽可能接近或达到零。若无法实现零污染，则观测到的背景颗粒数量的一致性至关重要。应运行多个空白样品，以确定结果的一致性。在样品处理过程中，严格遵守质量控制规程（参见第1节）、有效降低污染以及维持适当的环境条件，是保持低背景污染水平的关键。背景污染的结果及其可接受程度还可能在很大程度上取决于所用纳米膜的截留孔径以及实验室整体的洁净程度。需要注意的是，在使用截留孔径较小的膜（例如 < 8 µm）分析较小颗粒时，目标颗粒与尺寸相近的背景污染物的相对丰度均会呈指数级增加，因此必须实施更严格的质量控制措施22。尽管任何形式的污染均不可接受，但只要严格控制实验条件并实现高度一致的结果，仍可对环境微塑料或目标分析物进行有效的分析。

样品过滤
为了获得可靠的多模态分析结果，需要进行理想的样品过滤，如图3中的示例数据级联所示。理想的样品过滤会使纳米膜表面的颗粒分布均匀（例如，膜表面覆盖率约为三分之一）。若颗粒分散不佳，出现颗粒聚集（大量重叠颗粒形成的团块），则会干扰手动和自动颗粒计数方法，因为重叠的颗粒难以被明确区分。此类数据通常会被排除在分析之外，可能导致丢失有价值的目标信息。如图4A、B所示，颗粒分布均匀可确保光谱分析或定量分析不会因不同成分的颗粒堆叠或重叠而变得复杂，避免产生难以准确解读、识别和定量的结果。

尼罗红与台盼蓝染色
在 20 µm 截留分子量的氮化硅滤膜圆片上，图3B 展示了荧光颗粒染色效果的代表性图像。若对纳米膜表面的尼罗红（NR）或台盼蓝（TB）染色液冲洗不足，可能导致假阳性结果。由于冲洗不充分，染料可能残留在膜表面形成残留颗粒，这些残留物可能被误判为已染色的颗粒。若在观察时发现纳米膜上无颗粒或无可检测残留膜/残留物的区域仍出现荧光，则表明冲洗不充分，如 图5A 所示。成像后，只要滤膜圆片保持在洁净条件下，可进行再次冲洗：将单个纳米膜滤膜圆片重新放置于真空过滤装置上（无需垫圈），开启真空泵，再用一定体积的超纯 99% 异丙醇（用于 NR）或超纯水（用于 TB）对滤膜上的纳米膜进行过滤冲洗。记录所使用的额外冲洗液总体积。为获得最佳结果，在进行再次冲洗前，应先对整个纳米膜表面进行显微成像，以评估再次冲洗步骤可能引入的任何污染。

拉曼光谱
在未镀层的氮化硅（SiN）上进行拉曼光谱检测时，可能会因激光波长不同而产生一个显著的峰，该峰可能掩盖约在520 cm-1波数区域附近的低丰度信号23。如果感兴趣的拉曼光谱与硅或氮化硅的背景峰有足够的分离度，则使用未镀层的SiN滤光片圆盘应能获得足够的拉曼光谱结果。在本报告中，Pipeline B和Pipeline C均采用了金镀层氮化硅（Au-SiN）滤光片圆盘。Au-SiN上的金镀层可屏蔽固有的硅峰，从而更可靠地在520 cm-1波数附近或该位置采集低丰度光谱信号。此外，若无法进行拉曼检测，Au-SiN也可用于红外光谱分析。仪器操作时应始终从最低功率设置（即激光强度）开始，然后逐步增加，因为某些感兴趣的颗粒（如氧化颗粒）可能较为脆弱，易受激光损伤或破坏。

在使用拉曼光谱分析选定颗粒时，确定所获得光谱的可靠性至关重要。某些颗粒可能产生自发荧光，这种荧光会向光谱测量中引入噪声，从而掩盖或干扰颗粒信号的解析。此类噪声通常表现为跨越较宽波数范围的高强度宽带，掩盖了底层数据。如图3C和图4C、D所示，合格的光谱即使在基线校正前，也应在较窄的波数范围内呈现出清晰可辨的峰。如果未出现至少为周围信号强度三倍以上的峰，则所采集的光谱很可能仅为背景噪声，或需要调整仪器参数以分析该颗粒。应确保为每种样品选择合适的激光波长。较短波长的激光（如532 nm激光）无法有效应对荧光产生的信号干扰。而较长波长的激光（如782 nm或830 nm激光）能够充分规避荧光干扰，从而获得可用的光谱。根据样品类型的不同，适用于不同颗粒的激光也会有所差异；在条件允许的情况下，可在同一滤膜盘的数据采集过程中更换不同的激光器。

为了确定颗粒物的组成，需将其采集到的光谱与参考光谱数据库中的光谱进行比对。若某一颗粒物光谱能够被可靠识别，则其皮尔逊相关系数（r）应大于70%（r > 0.70）。图5B展示了拉曼数据不理想的情况，其中 r < 0.70。微塑料（MP）的鉴定结果有助于判断微塑料污染的潜在来源。为了展示颗粒物的鉴定结果，可如图3C和图4C所示，同时呈现被分析颗粒物的图像及其光谱。

扫描电子显微镜
在通过过滤捕获颗粒后，SiN 和 Au-SiN 滤膜圆盘均可直接用于扫描电子显微镜（SEM）分析。如果在颗粒捕获后、进行 SEM 检测前未对 SiN 滤膜进行金（Au）或铂（Pt）镀膜处理，则部分颗粒可能更容易在 SEM 的离子化电子束作用下发生“电荷积聚”，导致颗粒在图像中出现发光或异常明亮的现象。这种亮度过高或发光效应会因对比度差而影响观察效果，例如掩盖颗粒的形貌特征。为减少此类问题，建议在 SEM 分析前先进行光学/荧光显微镜和拉曼光谱分析，标记出难以分析或尺寸较小的目标颗粒，以便后续进行 SEM/EDX 分析；随后按照第 7 节实验方案中的说明，对纳米膜进行 Au 或 Pt 镀膜处理，再开展 SEM/EDX 检测。

在捕获颗粒后、进行SEM分析前，用Au或Pt对SiN或Au-SiN进行镀膜，有助于防止成像过程中出现电荷积累效应，因为颗粒在覆盖金属层后不再容易发生电离。该镀膜可提高对比度和分辨率，从而更深入地了解颗粒的形态特征，例如在图3D中所示的纤维与碎片的差异，或氧化颗粒表面的凹坑与裂隙等形貌特征。在进行SEM分析前对颗粒进行金属镀膜将永久性地阻止其后续通过光谱学或荧光成像进一步分析，仅保留SEM/EDX分析的可能性。因此，若计划进行镀膜并实施SEM/EDX分析，应将其作为整个流程的最后步骤。

可在颗粒捕获后、金属镀膜前后进行EDX测量。EDX可揭示特定颗粒或区域的元素组成，尤其适用于拉曼分析检测尺寸下限以下的颗粒，或使用某些拉曼激光波长难以分析的元素组成，例如金属、合金、含水颗粒以及在可用拉曼激光束照射下强烈荧光的颗粒。本研究中，颗粒表面镀有6 nm厚的Au层。扫描电镜成像的放大倍数为200–3,000倍，电子束功率为20 kV，焦距为5 mm。所选颗粒相应的扫描电镜图像见图3D。

代表性EDX结果如图所示 图3F检测到的元素若重量百分比低于1%，其结果可能属于痕量或不可靠，具体取决于仪器的灵敏度；因此，我们将阈值设定为1%。若所选用于EDX分析的颗粒经过镀层处理，则元素数据报告中将出现可检测到的涂层成分。若使用未镀层的SiN滤膜圆盘，将在结果中观察到Si和N信号，如图所示 图3F大多数合成聚合物颗粒同样含有C、H和O元素，遗憾的是，来自生物来源的非合成颗粒也主要由相同元素组成，但非合成颗粒还可能包含S等元素，例如蛋白质中的情况。正是由于成分上的相似性，尼罗红与台盼蓝的复染方法虽有助于区分合成与非合成颗粒，却并非完全可靠的鉴定手段，因为在某些情况下，尼罗红也可能对非合成颗粒产生染色。因此，应结合上述建议的其他分析参数，与染色方法联合使用，以验证结果。此外，EDX可作为有用工具，用于潜在识别超出拉曼光谱检测尺寸限（即测量尺寸小于拉曼光谱检测限）的颗粒，如纳米塑料。 < 1 µm).

颗粒捕获中的静态平衡过程；拉曼、SEM/EDX 分析示意图；过滤装置示意图。
图 1：SNAP 分析流程。 （A）SNAP 分析流程示意图，通过一系列不同的分析技术在同一纳米膜上对相同颗粒进行表征。流程 A） 展示了 1） 通过真空过滤从饮用水样品中捕获目标颗粒，2） 使用尼罗红和台盼蓝分别对合成与非合成聚合物颗粒进行染色区分，随后 3） 通过拉曼光谱进行颗粒鉴定，以及 4） 采用 SEM/EDX 对颗粒形貌和元素组成进行表征。流程 B） 展示了 1） 颗粒捕获至 Au-SiN 膜上，随后进行 2） 拉曼光谱分析。流程 C） 展示了 1） 颗粒捕获至 Au-SiN 膜上，随后进行 SEM/EDX 分析。（B）真空过滤装置中滤盘与硅胶垫圈的示意图，显示通过硅胶垫圈分隔的 20 µm MPSN 和 8.0 µm MSSN 纳米膜依次进行过滤的过程。缩写：SNAP = 硅纳米膜分析流程；SEM = 扫描电子显微镜；EDX = 能量色散X射线光谱；MPSN = 微孔氮化硅。请点击此处查看此图的放大版本。

显示水源和水处理厂的区域供水分布图。
图 2：饮用水样品采集来源。由门罗县水务局发布的区域地图，展示了在纽约州罗切斯特大都会区采集的四份饮用水样品各自的采样位置。样品来源于不同的地表水体：安大略湖（蓝色）、海姆洛克湖（绿色）、海姆洛克湖与安大略湖（黄色），以及卡南代瓜湖（紫色）。请点击此处查看该图的放大版本。

颗粒分析流程：捕获、染色、拉曼光谱、SEM成像、EDX分析；柱状图结果。
图3：对从饮用水样本中捕获的颗粒物进行SNAP Pipeline A分析的总结。（A）一个代表性饮用水样本中在20 µm截留阈值的氮化硅膜（SiN）上捕获的颗粒物的灰度图像。（B）经复染颗粒物的伪彩叠加图像，显示尼罗红（伪彩红色颗粒）和台盼蓝（伪彩蓝色颗粒）染色情况。（C）参考（红色）与实测（白色）拉曼光谱，通过皮尔逊相关系数（r = 0.97）鉴定出尼罗红染色颗粒为聚乙烯，并附所分析颗粒的代表性图像。（D）两种不同类型颗粒的电子显微图像，展示纤维（上图）和碎片（下图）的形貌分析，二者均被台盼蓝染色。（E）依次在20 µm和8 µm截留阈值的纳米膜上捕获的尼罗红染色颗粒的定量结果。（F）随机选取的一个碎片颗粒的EDX元素分析汇总结果及其分析细节，并附所分析颗粒的代表性SEM图像。缩略语：SNAP = 硅纳米膜分析流程；SEM = 扫描电子显微镜；EDX = 能量色散X射线光谱。 请点击此处查看该图的放大版本。

暗场显微镜与微塑料过滤中拉曼光谱分析、颗粒定量图。
图 4：对从饮用水样本中捕获的颗粒物，采用 SNAP Pipeline B 进行分析的汇总结果。 对四个家庭饮用水样本中捕获于 20 µm MPSN 和 8.0 µm MSSN Au-SiN 滤膜圆盘上的三个随机颗粒物进行拉曼光谱分析。20 µm 和 8 µm Au-SiN 滤膜的整个有效膜面积的代表性暗场图像分别显示于 A 和 B。在此成像模式下，颗粒物呈黄色，背景保持黑暗，便于实现自动颗粒计数。在 (C) 20 µm 和 (D) 8.0 µm Au-SiN 滤膜上检测到的合成与非合成颗粒物的代表性拉曼光谱。总颗粒计数在 (E) 20 µm 和 (F) 8.0 µm Au-SiN 滤膜上的分布按自动颗粒识别软件确定的粒径范围进行分组。缩写：SNAP = 硅纳米膜分析流程（Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline）；SEM = 扫描电子显微镜（scanning electron microscopy）；EDX = 能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy）；MPSN = 微孔氮化硅（microporous Silicon nitride）；MSSN = 微狭缝氮化硅（microslit Silicon nitride）。 请点击此处查看此图的高清版本。

微塑料分析、蓝色纤维和红色颗粒光谱、显微镜检查、光谱数据比较。
图 5：荧光成像与拉曼光谱分析的次优结果。 （A）染色颗粒的次优荧光图像（左图），膜上残留尼罗红染料，可能由于冲洗不充分所致。从中选取两个颗粒进行拉曼光谱分析，分别为台盼蓝染色的纤维和尼罗红染色的碎片（右图）。（B）次优的拉曼光谱分析结果，其皮尔逊相关系数（r）低于 70%（r < 0.70）。请点击此处查看该图的放大版本。

补充表 S1：滤膜圆盘内硅纳米膜的性质 表中展示了SiN滤膜圆片中膜的各项特性，包括最小孔径、孔隙率百分比、有无Au涂层时膜的厚度、膜的有效面积，以及在施加设定恒定压力条件下膜的气体渗透率。截留值（即孔径）、孔隙率、厚度和膜面积通过测量SEM图像上的特征确定。气体渗透率数据为在103.42 kPa正压条件下测得的氮气（N₂）渗透率，以均值±标准差（n = 10）表示。缩写：Au = 金；Six Ny 非化学计量比氮化硅 请点击此处下载该文件。

补充表 S2：ParticleFinder 粒子计数与参数。 对每个样品采集了整张膜区域的图像拼接图，并对每张图像拼接图进行分析以获取总粒子数。本表展示了用于确定各样品图像总粒子数及特定尺寸区段粒子数的参数及其设置顺序。由于粒子的类型、数量、形状以及每张膜在成像时特有的反射率不同，参数在不同样品间有所差异。本表数据在 图 4 中进行了可视化展示。请点击此处下载该文件。

讨论

微塑料污染的治理是一个日益受到关注的问题，而治理的第一步是确定污染的存在。一种简化的捕获与即时分析方法对于节省研究人员的时间并保护敏感的样品指标至关重要。本报告描述了基于我们开发的SNAP方法的灵活工作流程，用于分析液体样品中的此类微塑料（MPs），所有分析均使用单一基底进行。样品必须通过真空过滤，使颗粒被捕获并隔离到滤盘内部的硅纳米膜上。充分降低背景污染对于获得有意义的结果至关重要。在过滤过程中，分配用注射器或玻璃真空漏斗上的任何污染颗粒都可能污染样品并被同时捕获，因此严格遵循第1节的质量控制规程对于获得准确结果至关重要。建议使用仅含培养基的对照，以帮助研究人员了解与特定操作流程及实验室条件相关的背景污染情况。本文所述方案依赖于对液体样品进行真空过滤，并利用两种不同截留规格的氮化硅（SiN）滤膜滤盘从样品中捕获和分离颗粒。对于所有工作流程，颗粒的捕获与分离必须优先于其他方法，但后续的所有鉴定方法可根据研究者的需要按最合适的顺序进行。

本研究使用了两台荧光显微镜，以验证不同仪器间结果的可重复性。操作步骤以奥林巴斯BX61荧光显微镜为例进行详细说明，因其应用较为广泛，操作均按照仪器说明书进行：采用明场模式进行灰度成像，TRITC通道（激发波长约543 nm；发射波长约593 nm）用于尼罗红（NR）染色颗粒的成像，Cy5通道（激发波长约649 nm；发射波长约667 nm）用于硫堇（TB）染色颗粒的成像，具体根据需要选择。为展示染色结果，建议将各通道图像叠加（我们使用FIJI/ImageJ进行图像处理，后文简称为图像分析平台），图像分辨率为2,048 × 2,040像素，位深度为16位。完整的纳米膜图像可如图4A、B所示展示，也可仅展示选定的兴趣区域，如图3A、B所示。

尼罗红通常用于染色合成聚合物微塑料，但由于其具有亲脂性和疏水性，也可能染色来源于生物体的非合成聚合物，从而可能引入假阳性结果，干扰微塑料定量分析的准确性24,25,26。建议采用第3节实验方案中所述的台盼蓝复染步骤，以帮助区分假阳性信号，但该方法并非彻底解决方案，应结合其他分析指标以确认结果。颗粒的尼罗红荧光在拉曼光谱分析中可能带来干扰，因其可能显著增强背景信号。然而在本研究中，我们在使用830 nm激光进行拉曼光谱分析前，对聚合物进行了尼罗红和台盼蓝复染，结果如图3所示，未观察到明显噪声。

适用于拉曼光谱分析的某些激光波长无法忽略染色颗粒产生的荧光，例如532 nm激光，因此可能在准确估计目标颗粒组成时引入显著困难。颗粒捕获后进行金属镀层有助于增强扫描电镜成像时的对比度，但会干扰后续任何光谱或荧光分析。在实验设置前应记录所有计划进行的测量项目，以确保正确考虑流程顺序和镀层类型。Au-SiN滤膜可用于上述所有分析，前提是透射显微镜在工作流程中并非关键，或使用拉曼或红外光谱分析时。

本文展示的方法以及用于捕获和分离目标颗粒的纳米膜可根据不同研究者的需求进行调整。这些纳米膜适用于多种光谱分析，研究者可将待过滤的介质替换为其他感兴趣的样品介质，包括但不限于消化后的动物组织27、可注射药物制剂和油样。本研究使用了两台拉曼光谱仪，操作步骤中特别详细说明了Horiba XploRA Plus拉曼仪器的使用方法，图4中所示的所有数据均由该仪器采集和处理。还需注意每台拉曼显微镜的检测尺寸极限，以确保目标颗粒能够被仪器激光光斑尺寸有效分析。为了通过拉曼光谱展示颗粒鉴定结果，可如图3C和图 4C所示，同时呈现参考光谱、样品光谱以及被分析颗粒的图像。

方案第6部分详细说明了使用开源光谱库进行颗粒物鉴定的操作步骤。将颗粒物平面化捕获到均匀平坦的膜上，以及膜上规则排列的孔阵列，可实现可预测的自动化成像。氮化硅（SiN）的400 nm或1,000 nm两种厚度及其氮化硅成分均使其具有优异的光学透明性，但在某些光谱仪器参数下也可能产生强烈的硅峰信号。在使用拉曼分析时，应谨慎使用未加金属涂层的裸露SiN膜。硅峰可用作校准信号，但其峰强度也可能掩盖与硅信号同波数区域内的弱强度光谱信号。本研究中使用830 nm激光时未观察到此类硅峰。

本文所使用的氮化硅（SiN）膜（厚度为 400 nm 或 1,000 nm）以及金-氮化硅（Au-SiN）膜（厚度为 520 nm 或 1,120 nm）因其超薄特性而具备优异的过滤、光学和光谱性能。然而，这些膜必须避免受到物理损伤，例如过高的压差（即 ≥-206 kPa）、镊子或手指直接接触，或密封垫圈安装不当。装载膜的滤膜圆盘可保护膜并使其在正常使用过程中易于操作。操作滤膜圆盘时，仅可触碰黑色外环，切勿触碰活性膜区域。尽管本文未进行定量报告，但将捕获的颗粒富集到较小的膜表面区域（20 µm 膜为 3 × 3 mm，8.0 µm 截留膜为 3 × 0.7 × 3 mm）可能通过减少寻找和分析目标颗粒所需时间，从而降低总体样品分析时间。这种"浓缩因子"值得进一步研究，可能为科研人员提供氮化硅滤膜圆盘的独特优势。结合其相较于其他广泛用于微塑料表征的膜材料更高的单位比表面积流速15，自动化颗粒成像程序只需对相对更小范围内平整且聚焦良好的氮化硅表面进行成像，可能进一步缩短总分析时间。然而，与假设的浓缩因子相关的任何优势仍需通过比较传统滤膜圆盘与氮化硅滤膜圆盘从过滤到图像分析的总处理时间来实证验证。

我们通过启发式方法验证了SNAP变体在本地自来水样品中的实用性。本文所述方案主要针对纽约州罗切斯特地区饮用水源中的微塑料（MP）捕获。样品采集过程如下：每次采样前，先让水龙头流水至少一升后再开始收集。使用全新的密封聚丙烯瓶，在流水状态下直接打开瓶盖进行取样。收集前未用饮用水冲洗瓶子。每个样品包含连续采集的两瓶500 mL水样。每份水样均取自不同家庭的管道系统，且采样过程中管道材料并不统一。近期用水量、采样时间、管道年龄以及房屋建造年代等变量在本研究中未能加以控制。该采样方案尚未经过验证。每位研究人员应自行开发并验证其采样流程。然而，为完整披露实验方法，此处仍提供上述描述。滤膜圆盘允许在相同基质上对多种分析方法进行重复检测，除标准实验重复外，无需进行分样或采集多个样品。省去分样和多份采样的需求提高了对低丰度目标物检测信息的可靠性。除了支持多模式分析方法外，氮化硅（SiN）滤膜圆盘相较于其他类似的过滤介质还具有单位面积过滤速率更快、节省时间的显著优势15。

披露

JR 和 JM 是 SiMPore 公司的创始人及股东。JR 是一项专利申请的共同发明人，该专利申请涉及氮化硅滤膜的使用，如本研究中所示。

致谢

Horiba Scientific 的 Peng Miao 为本出版物提供了 XploRA Plus 拉曼光谱系统的使用权限及相关专业技术支持。电子显微镜成像工作在罗切斯特大学集成纳米系统中心（URnano）完成。微加工工艺在罗切斯特理工学院半导体与微系统制造实验室（SMFL）进行。

本出版物所报告的研究部分由国家环境卫生科学研究所资助，授予SiMPore的奖项编号为R44ES031036；同时由湖安大略微塑料中心（LOMP）资助，该中心获得国家环境卫生科学研究所奖项编号P01 ES035526以及美国国家科学基金会奖项编号OCE-2418255，授予罗切斯特大学。本内容仅由作者负责，不一定代表任何资助机构的官方观点。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1 L 玻璃烧杯Pyrex1000-1L
1 L 玻璃真空收集瓶Millipore SigmaZ290459-1EA
100% 棉质实验服LandauLA-3172
100 mL 玻璃过滤漏斗 Advantec311000https://www.sterlitech.com/glass-filter-holder-311000.html
99% 异丙醇Fisher ScientificA416-20
APEX EDSEDAX用于对捕获颗粒进行EDX分析的EDX软件。 
Denton Prep 溅射系统Denton VacuumDESK II : 293618089镀金系统
FIJI，图像分析平台ImageJV 1.54FFIJI（FIJI即ImageJ）——ImageJ的一个发行版本 
玻璃螺口瓶Corning 1395-250
Kimwipes 擦镜纸Kimtech06-666-11C
LabSpec6Horiba Scientific包含ParticleFinder和ViewSharp功能的Horiba拉曼软件
层流罩Air ScienceVLF-72A
显微镜 Olympus  / NikonBX61 / Ti2e任何具备合适荧光功能的显微镜均可用于光学显微镜观察。 
MPSN SiN滤膜SiMPore Inc.FD25-8.0-Au; FD25-8.0-NC
FD25-20.0-Au, FD25-20.0-NC
Monoject 60 mL 注射器Coviden8881560265
尼罗红粉末TCIN0659
腈类手套Ansell Microflex19-167-17
OpenSpecyopenanalysis.org开源光谱库
烘箱VWR1310重力对流式通用烘箱
P20 移液器Brandtech705872
移液器吸头Premium VialsGS 151140R
多孔支撑烧结片Advantec311000套件组成部分
拉曼仪器HoribaXplora PLUS
橡胶塞Advantec311000套件组成部分
SEM仪器ZiessAurigaAuriga系列，模块化Crossbeam工作站
硅胶垫圈SiMPoreGASKET-25-R透明浇铸PDMS垫圈，厚度0.8 mm
硅胶滚轮Sanyue (ASIN: B07XDTNPS3)硅胶滚轮 -  8 x 5 x 2 英寸
SmartSEMZeissV8用于操作Zeiss Auriga的SEM软件
喷雾瓶UlineS-7273
注射器滤器 Thermo ScientificCH2225-PES0.22 µm 鲁尔锁式注射器滤器，25 mm 
注射泵New Era Pump Systems, Inc.NE-1000可选，但推荐使用
台盼蓝 - 0.4%Millipore SigmaT8154-20ML
镊子SiMPoreK6TWZR
真空泵Welch847-676-8800
真空管路GraingerZUSA-HT-4037

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