Name: 使用硅纳米膜分析管道对饮用水中的塑料微粒进行多峰分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-06-13T13:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: 了解硅纳米膜分析管道（SNAP）技术，用于饮用水中塑料微粒的多峰捕获与检测。该方法通过消除转移步骤显著降低外源污染，实现光学、电子和光谱成像的综合分析。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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。

<ol><li>Simon, M., Van Alst, N., Vollertsen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+microplastic+mass+and+removal+rates+at+wastewater+treatment+plants+applying+focal+plane+array+%28fpa%29-based+fourier+transform+infrared+%28ft-ir%29+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Res%22%5BJournal%5D)">Quantification of microplastic mass and removal rates at wastewater treatment plants applying focal plane array (fpa)-based fourier transform infrared (ft-ir) imaging.</a> Water Res. 142, 1-9 (2018).</li>
<li>Da Costa Filho, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+and+characterization+of+small-sized+microplastics+%28%E2%89%A5+5+%C2%B5m%29+in+milk+products%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Detection and characterization of small-sized microplastics (≥ 5 µm) in milk products.</a> Sci Rep. 11 (1), 24046(2021).</li>
<li>Koelmans, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microplastics+in+freshwaters+and+drinking+water%3A+Critical+review+and+assessment+of+data+quality%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Res%22%5BJournal%5D)">Microplastics in freshwaters and drinking water: Critical review and assessment of data quality.</a> Water Res. 155, 410-422 (2019).</li>
<li>Fendall, L. S., Sewell, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contributing+to+marine+pollution+by+washing+your+face%3A+Microplastics+in+facial+cleansers%5BTitle%5D)+AND+%22Mar+Pollut+Bull%22%5BJournal%5D)">Contributing to marine pollution by washing your face: Microplastics in facial cleansers.</a> Mar Pollut Bull. 58 (8), 1225-1228 (2009).</li>
<li>Kwon, J. -H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microplastics+in+food%3A+A+review+on+analytical+methods+and+challenges%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Env+Res+Public+Health%22%5BJournal%5D)">Microplastics in food: A review on analytical methods and challenges.</a> Int J Env Res Public Health. 17 (18), 6710(2020).</li>
<li>Mahon, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microplastics+in+sewage+sludge%3A+Effects+of+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Microplastics in sewage sludge: Effects of treatment.</a> Environ Sci Technol. 51 (2), 810-818 (2017).</li>
<li>Hidalgo-Ruz, V., Gutow, L., Thompson, R. C., Thiel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microplastics+in+the+marine+environment%3A+A+review+of+the+methods+used+for+identification+and+quantification%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Microplastics in the marine environment: A review of the methods used for identification and quantification.</a> Environ Sci Technol. 46 (6), 3060-3075 (2012).</li>
<li>Ragusa, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasticenta%3A+First+evidence+of+microplastics+in+human+placenta%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Int%22%5BJournal%5D)">Plasticenta: First evidence of microplastics in human placenta.</a> Environ Int. 146, 106274(2021).</li>
<li>Schwabl, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+various+microplastics+in+human+stool%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Intern+Med%22%5BJournal%5D)">Detection of various microplastics in human stool.</a> Ann Intern Med. 171 (7), 453-457 (2019).</li>
<li>Leslie, H. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Discovery+and+quantification+of+plastic+particle+pollution+in+human+blood%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Int%22%5BJournal%5D)">Discovery and quantification of plastic particle pollution in human blood.</a> Environ Int. 163, 107199(2022).</li>
<li>De Frond, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+microplastics+in+drinking+water%3A+An+interlaboratory+study+to+inform+effective+methods+for+quantifying+and+characterizing+microplastics%5BTitle%5D)+AND+%22Chemosphere%22%5BJournal%5D)">Monitoring microplastics in drinking water: An interlaboratory study to inform effective methods for quantifying and characterizing microplastics.</a> Chemosphere. 298, 134282(2022).</li>
<li>Nutrition and Food Safety (NFS), Standards & Scientific Advice on Food Nutrition (SSA). Dietary and inhalation exposure to nano-and microplastic particles and potential implications for human health. , 
 <a target="_blank" href="https://www.who.int/publications/i/item/9789240054608">https://www.who.int/publications/i/item/9789240054608</a> (2022).</li>
<li>Fries, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+polymer+types+and+additives+in+marine+microplastic+particles+using+pyrolysis-GC%2FMC+and+scanning+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci%3A+Processes+Impacts%22%5BJournal%5D)">Identification of polymer types and additives in marine microplastic particles using pyrolysis-GC/MC and scanning electron microscopy.</a> Environ Sci: Processes Impacts. 15 (10), 1949-1956 (2013).</li>
<li>Primpke, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+assessment+of+analytical+methods+for+the+harmonized+and+cost-efficient+analysis+of+microplastics%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Spectrosc%22%5BJournal%5D)">Critical assessment of analytical methods for the harmonized and cost-efficient analysis of microplastics.</a> Appl Spectrosc. 74 (9), 1012-1047 (2020).</li>
<li>Carter, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+evaluation+of+filtration+and+imaging+properties+of+analytical+filters+for+microplastic+capture+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Chemosphere%22%5BJournal%5D)">Comparative evaluation of filtration and imaging properties of analytical filters for microplastic capture and analysis.</a> Chemosphere. 332, 138811(2023).</li>
<li>Van Mourik, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((STOTEN%27s+minimum+requirements+for+measurement+of+plastics+in+environmental+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Total+Environ%22%5BJournal%5D)">STOTEN's minimum requirements for measurement of plastics in environmental samples.</a> Sci Total Environ. 912, 168465(2024).</li>
<li>Käppler, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+environmental+microplastics+by+vibrational+microspectroscopy%3A+FTIR%2C+Raman+or+both%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Bioanal+Chem%22%5BJournal%5D)">Analysis of environmental microplastics by vibrational microspectroscopy: FTIR, Raman or both.</a> Anal Bioanal Chem. 408, 8377-8391 (2016).</li>
<li>Mikoliunaite, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+substrate+matters+in+the+Raman+spectroscopy+analysis+of+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">The substrate matters in the Raman spectroscopy analysis of cells.</a> Sci Rep. 5 (1), 13150(2015).</li>
<li>Madejski, G. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+nanomembrane+filtration+and+imaging+for+the+evaluation+of+microplastic+entrainment+along+a+municipal+water+delivery+route%5BTitle%5D)+AND+%22Sustainability%22%5BJournal%5D)">Silicon nanomembrane filtration and imaging for the evaluation of microplastic entrainment along a municipal water delivery route.</a> Sustainability. 12 (24), 10655(2020).</li>
<li>Romanick, S. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+household+settled+dust+via+silicon+nanomembrane+analysis+pipeline+%28SNAP%29%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Technol+Innov%22%5BJournal%5D)">Assessment of household settled dust via silicon nanomembrane analysis pipeline (SNAP).</a> Environ Technol Innov. 38, 104106(2024).</li>
<li>Cowger, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microplastic+spectral+classification+needs+an+open+source+community%3A+Open+specy+to+the+rescue%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Microplastic spectral classification needs an open source community: Open specy to the rescue.</a> Anal Chem. 93 (21), 7543-7548 (2021).</li>
<li>Kooi, M., Koelmans, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simplifying+microplastic+via+continuous+probability+distributions+for+size%2C+shape%2C+and+density%5BTitle%5D)+AND+%22Env+Sci+Technol+Lett%22%5BJournal%5D)">Simplifying microplastic via continuous probability distributions for size, shape, and density.</a> Env Sci Technol Lett. 6 (9), 511-564 (2019).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22SpectraBase%22">SpectraBase</a>. , John Wiley & Sons, Inc. SpectraBase. https://spectrabase.com/spectrum/1uoQJ4M5hxj (2025).</li>
<li>Erni-Cassola, G., Gibson, M. I., Thompson, R. C., Christie-Oleza, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lost+but+found+with+nile+red%3A+A+novel+method+for+detecting+and+quantifying+small+microplastics+%281+mm+to+20+%C2%B5m%29+in+environmental+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Lost but found with nile red: A novel method for detecting and quantifying small microplastics (1 mm to 20 µm) in environmental samples.</a> Environ Sci Technol. 51 (23), 13641-13648 (2017).</li>
<li>Shim, W. J., Song, Y. K., Hong, S. H., Jang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+and+quantification+of+microplastics+using+Nile+Red+staining%5BTitle%5D)+AND+%22Mar+Pollut+Bull%22%5BJournal%5D)">Identification and quantification of microplastics using Nile Red staining.</a> Mar Pollut Bull. 113 (1-2), 469-476 (2016).</li>
<li>Greenspan, P., Mayer, E. P., Fowler, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nile+red%3A+A+selective+fluorescent+stain+for+intracellular+lipid+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22J+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Nile red: A selective fluorescent stain for intracellular lipid droplets.</a> J Cell Biol. 100 (3), 965-973 (1985).</li>
<li>Cai, B., Andino, F. D. J., Mcgrath, J. L., Romanick, S. S., Robert, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ingestion+of+polyethylene+terephthalate+microplastic+water+contaminants+by+Xenopus+laevis+tadpoles+negatively+affects+their+resistance+to+ranavirus+infection+and+antiviral+immunity%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Pollut%22%5BJournal%5D)">Ingestion of polyethylene terephthalate microplastic water contaminants by Xenopus laevis tadpoles negatively affects their resistance to ranavirus infection and antiviral immunity.</a> Environ Pollut. 356, 124340(2024).</li>
</ol>

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。

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&#160;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&#34;浓缩因子&#34;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。

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 &#34;microplastics&#34;），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&#160;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。

<table><tbody><tr><td>1 L 玻璃烧杯</td><td>Pyrex</td><td>1000-1L</td><td></td></tr><tr><td>1 L 玻璃真空收集瓶</td><td>Millipore Sigma</td><td>Z290459-1EA</td><td></td></tr><tr><td>100% 棉质实验服</td><td>Landau</td><td>LA-3172</td><td></td></tr><tr><td>100 mL 玻璃过滤漏斗&amp;nbsp;</td><td>Advantec</td><td>311000</td><td>https://www.sterlitech.com/glass-filter-holder-311000.html</td></tr><tr><td>99% 异丙醇</td><td>Fisher Scientific</td><td>A416-20</td><td></td></tr><tr><td>APEX EDS</td><td>EDAX</td><td></td><td>用于对捕获颗粒进行EDX分析的EDX软件。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Denton Prep 溅射系统</td><td>Denton Vacuum</td><td>DESK II : 293618089</td><td>镀金系统</td></tr><tr><td>FIJI，图像分析平台</td><td>ImageJ</td><td>V 1.54F</td><td>FIJI（FIJI即ImageJ）——ImageJ的一个发行版本&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>玻璃螺口瓶</td><td>Corning&amp;nbsp;</td><td>1395-250</td><td></td></tr><tr><td>Kimwipes 擦镜纸</td><td>Kimtech</td><td>06-666-11C</td><td></td></tr><tr><td>LabSpec6</td><td>Horiba Scientific</td><td></td><td>包含ParticleFinder和ViewSharp功能的Horiba拉曼软件</td></tr><tr><td>层流罩</td><td>Air Science</td><td>VLF-72A</td><td></td></tr><tr><td>显微镜&amp;nbsp;</td><td>Olympus&amp;nbsp; / Nikon</td><td>BX61 / Ti2e</td><td>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。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>MPSN SiN滤膜</td><td>SiMPore Inc.</td><td>FD25-8.0-Au; FD25-8.0-NC&lt;br/&gt; FD25-20.0-Au, FD25-20.0-NC</td><td></td></tr><tr><td>Monoject 60 mL 注射器</td><td>Coviden</td><td>8881560265</td><td></td></tr><tr><td>尼罗红粉末</td><td>TCI</td><td>N0659</td><td></td></tr><tr><td>腈类手套</td><td>Ansell Microflex</td><td>19-167-17</td><td></td></tr><tr><td>OpenSpecy</td><td>openanalysis.org</td><td></td><td>开源光谱库</td></tr><tr><td>烘箱</td><td>VWR</td><td>1310</td><td>重力对流式通用烘箱</td></tr><tr><td>P20 移液器</td><td>Brandtech</td><td>705872</td><td></td></tr><tr><td>移液器吸头</td><td>Premium Vials</td><td>GS 151140R</td><td></td></tr><tr><td>多孔支撑烧结片</td><td>Advantec</td><td>311000</td><td>套件组成部分</td></tr><tr><td>拉曼仪器</td><td>Horiba</td><td>Xplora PLUS</td><td></td></tr><tr><td>橡胶塞</td><td>Advantec</td><td>311000</td><td>套件组成部分</td></tr><tr><td>SEM仪器</td><td>Ziess</td><td>Auriga</td><td>Auriga系列，模块化Crossbeam工作站</td></tr><tr><td>硅胶垫圈</td><td>SiMPore</td><td>GASKET-25-R</td><td>透明浇铸PDMS垫圈，厚度0.8 mm</td></tr><tr><td>硅胶滚轮</td><td>Sanyue</td><td>&amp;nbsp;(ASIN: B07XDTNPS3)</td><td>硅胶滚轮 -&amp;nbsp; 8 x 5 x 2 英寸</td></tr><tr><td>SmartSEM</td><td>Zeiss</td><td>V8</td><td>用于操作Zeiss Auriga的SEM软件</td></tr><tr><td>喷雾瓶</td><td>Uline</td><td>S-7273</td><td></td></tr><tr><td>注射器滤器&amp;nbsp;</td><td>Thermo Scientific</td><td>CH2225-PES</td><td>0.22 &amp;micro;m 鲁尔锁式注射器滤器，25 mm&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>New Era Pump Systems, Inc.</td><td>NE-1000</td><td>可选，但推荐使用</td></tr><tr><td>台盼蓝 - 0.4%</td><td>Millipore Sigma</td><td>T8154-20ML</td><td></td></tr><tr><td>镊子</td><td>SiMPore</td><td>K6TWZR</td><td></td></tr><tr><td>真空泵</td><td>Welch</td><td>847-676-8800</td><td></td></tr><tr><td>真空管路</td><td>Grainger</td><td>ZUSA-HT-4037</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Multimodal Analysis of Microplastics in Drinking Water using a Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline

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。

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 &lt; 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。 &lt; 1 µm).
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68200/68200fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/68200fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示水源和水处理厂的区域供水分布图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68200/68200fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/68200fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68200/68200fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/68200fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="暗场显微镜与微塑料过滤中拉曼光谱分析、颗粒定量图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68200/68200fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
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）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/68200fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68200/68200fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
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 &lt; 0.70）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/68200fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/Supplemental%20Table%201.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68200/Supplemental%20Table%202.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

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。

人类食物和水源中微塑料污染的生物学影响在很大程度上尚不明确，饮用水源也不例外……

我们的研究目标是改进多种样品类型中微塑料的分析方法，并提升从目标微塑料颗粒中获取的数据质量。目前的微塑料分析方法容易引入外源性污染。本文所述方法消除了转移步骤，从而缓解了这一污染问题。我们提供了一种利用硅纳米膜的实验方案，可使研究人员以更高的效率和更少的污染对其目标颗粒进行多模式分析。微塑料的分析效果取决于所采用的方法，结合光学、电子和光谱成像技术能够获得最全面的信息。硅纳米膜使得这些多种分析成为可能。[旁白] 首先，穿上100%棉质实验服并戴上腈手套。使用99%异丙醇喷洒腈手套，双手充分揉搓后，用约18兆欧·厘米、0.22微米滤过的水冲洗。将天然纤维精细擦拭布折叠成四分之一，然后喷上70%异丙醇。从生物安全柜后部向前部以长条形擦拭表面，每擦拭两下即重新折叠擦拭布至未使用面。随后将硅胶垫在生物安全柜表面滚动，以吸附残留颗粒。用99%超纯异丙醇喷洒硅胶滚轮，并用手套揉搓清洗，再用滤过水冲洗滚轮。重复清洁过程三次后，将滚轮置于生物安全柜内自然晾干。为制备超纯水和异丙醇，先在生物安全柜内用1升烧杯盛装18兆欧·厘米水。用60毫升注射器预冲洗，并连接0.22微米截留孔径的注射器滤器，通过至少200毫升滤过水对注射器和滤器组件进行预冲洗。随后用滤过水冲洗玻璃螺口瓶三次，并用注射器过滤的18兆欧·厘米、0.22微米滤过的水注满容器。重复上述烧杯加液、注射器预冲洗及容器冲洗步骤，但改用所需浓度的异丙醇代替水，以制备超纯异丙醇。穿戴个人防护装备及腈手套。用超纯99%异丙醇喷洒硅胶密封圈，并用手套揉搓清洗，随后用超纯水冲洗密封圈。首先制备过程空白样。使用已预冲洗的注射器，吸取30毫升超纯水和30毫升空气至60毫升注射器中，旋紧注射器滤器。剧烈振荡注射器，使液体和空气通过滤器排出。重复冲洗三次后，根据图示装配图组装过滤装置。开启过滤装置的真空泵，使滤盘堆栈产生负压流。为测定过程空白样的背景污染，使用已冲洗的注射器缓慢将50毫升超纯水滴加至顶部滤盘中心的纳米膜上。让超纯水自然过滤。待样品完全干燥后，关闭真空。使用洁净镊子小心将滤盘从密封圈上取下，放入洁净并已标记的容器中（如玻璃培养皿或避光盒）。在显微镜下对滤盘进行成像，用于光学分析和颗粒计数。对于实验液体样品，使用另一洁净密封圈和注射器滤器单元重复注射器冲洗步骤。接着吸取所需体积的样品，缓慢将其滴加至顶部滤盘中心的纳米膜上。样品过滤完成后，用1毫升超纯水冲洗膜三次。用超纯水冲洗两个玻璃螺口瓶各三次。在洁净玻璃容器中配制0.1毫克/毫升尼罗红溶于超纯99%异丙醇的溶液。轻轻翻转容器10次以混匀溶液。将尼罗红溶液过滤至第二个玻璃螺口瓶中。将待染色的滤盘置于真空收集瓶的支撑烧结板上，用移液器将20微升0.1毫克/毫升尼罗红溶液滴加至滤盘中心的纳米膜上。染色孵育5分钟后，进行真空过滤。用1毫升超纯99%异丙醇冲洗滤盘三次，以去除过量尼罗红染料。将滤盘置于开启真空的支撑烧结板上2分钟，以过滤并干燥残留液体。若2分钟后仍未完全干燥，将其转移至70°C烘箱中，使用洁净玻璃培养皿加热2至5分钟。为进行颗粒定量分析，使用硅胶密封圈将滤盘固定于显微镜载玻片上，并移至显微镜载物台。采用明场照明对纳米膜成像，使最大检测计数约为探测器相机最大范围的90%。采用荧光照明对纳米膜成像，使最大像素强度约为探测器相机最大范围的25%。最后，将采集的图像保存为16位复合TIFF文件。裸露的氮化硅及镀金氮化硅纳米膜适用于特定类型的分析。裸氮化硅适用于基于透射的光学技术及光谱分析，而镀金氮化硅纳米膜则适用于基于反射的技术。图示展示了从单个氮化硅纳米膜获得的理想数据级联。经尼罗红染色的疑似微塑料颗粒表明，测试的自来水样品中大于20微米的颗粒数量显著高于8至20微米亚组分。使用830纳米激光采集的拉曼光谱与光学显微镜分析同一样品颗粒时具有高相关系数。光谱分析表明该颗粒成分为聚乙烯。扫描电子显微镜揭示了捕获在氮化硅纳米膜上颗粒的详细形貌特征。能谱分析（EDS）显示，颗粒主要由碳和氮组成。结合台盼蓝染料摄取结果，提示该颗粒可能为有机来源。不理想的样品制备导致数据不清晰。未充分冲洗的尼罗红染色使颗粒识别困难，且获得的拉曼光谱质量较差、相关系数低，表明无法可靠确认颗粒的化学身份。

multimodal-analysis-microplastics-drinking-water-using-silicon

Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

使用硅纳米膜分析管道对饮用水中的塑料微粒进行多峰分析

介绍了一种利用自动化微型系统从水样中提取和预浓缩雌二醇的方案。...

一种用于水样中小分子污染物免疫学分析的自动化固相萃取简易方法

以下方案描述了海面微塑料采样、微塑料分离及颗粒化学鉴定的方法。本方案符合海洋垃圾监测技术小组（MSFD技术小组）发布的微塑料监测建议。...

海面微塑料采样方案及样品分析方法

迄今为止，大多数微塑料研究集中在悬浮固体含量相对较低的海洋系统中。目前研究重点正转向可能含有高沉积物负荷和漂浮碎屑的淡水系统。本方案针对含有高浓度悬浮固体的水生环境中微塑料样品的采集与分析。...

在悬浮沉积物含量高且漂浮碎屑较多的水生环境中采样、分选与表征微塑料

本研究详细阐述了一种可靠且经济高效的微塑料采集与检测方案，适用于日常使用的塑料制品中微塑料的分析。...

日常使用过程中聚丙烯婴儿奶瓶微塑料释放的采样、鉴定与表征

本文提出了一种新一代的多参数分析平台，可提高细胞外囊泡亚群表征的通量。该方法结合了多重生物传感技术与原子力显微镜的计量学和形貌力学分析，并耦合拉曼光谱，用于对捕获在微阵列生物芯片上的囊泡靶标进行定性分析。...

基于多重表面等离子体共振成像芯片的多模态分析平台用于细胞外囊泡亚群分析

本文介绍了一种从土壤中提取微塑料并鉴定其聚合物类型的方法。该方法在操作性、适用性和成本效益方面均经过优化，为标准化土壤中微塑料分析方法奠定了科学基础。...

农田土壤中常规微塑料的分离与鉴定

本文详细描述了使用专为此目的开发的专利采样系统，从钻孔中采集地下水微塑料样品的步骤。该方案详述了从钻孔中采集微塑料样品的方法，以及微塑料的分离和化学鉴定方法。...

地下水微塑料的采样与鉴定

EPA 方法 1615 使用带正电滤膜来浓缩环境水和饮用水中的肠道病毒和诺如病毒。本论文描述了用于方法 1615...

EPA 方法 1615. 通过培养法和反转录定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）检测水中肠道病毒和诺如病毒的存在。I. 病毒样品的采集

利用底栖大型无脊椎动物进行快速生物评价的方案常用于监测和评估水质。一种高效的方案涉及摇蚊科水面漂浮蛹壳（SFPE）的采集。本文描述了摇蚊科SFPE的野外采集、实验室处理、玻片制备及鉴定技术。...

利用摇蚊科（双翅目）水面漂浮的蛹壳作为水体快速生物评价的方案

本文介绍了一种利用反转录-定量PCR方法对环境水和饮用水中肠道病毒和诺如病毒进行定量的实验流程。采用美国环境保护署方法1615（EPA Method...

EPA 方法 1615. 通过培养法和反转录定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）检测水中肠道病毒和诺如病毒的存在情况。第三部分：通过 RT-qPCR 检测病毒

了解硅纳米膜分析管道（SNAP）技术，用于饮用水中塑料微粒的多峰捕获与检测。该方法通过消除转移步骤显著降低外源污染，实现光学、电子和光谱成像的综合分析。

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

探索更多视频