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
June 13th, 2025
在这里，我们提出了一种方案，展示了一种光学透明和平坦的基材，用于简化饮用水中污染颗粒的捕获和分析。本文介绍的是硅纳米膜分析管道 （SNAP）：一种用于捕获、定量和鉴定液体介质中颗粒的灵活管道。
我们的研究目标是改进对多种样品类型中存在的微塑料的分析，并改进从这些感兴趣的颗粒中生成的数据。目前的微塑料分析方法容易引入外在污染。我们在这里描述的方法消除了转移步骤并缓解了这种污染问题。
我们正在提供一种利用硅纳米膜的方案，使研究人员能够以更高的效率和更少的污染对其感兴趣的颗粒进行多模态分析。微塑料的分析取决于所使用的方法，结合光学、电子和光谱成像技术可以获得最完整的图像。硅纳米膜可以实现这些多重分析。
[旁白]首先，穿上 100% 纯棉实验室外套和丁腈手套。使用 99% 异丙醇喷洒丁腈手套，将双手彻底揉搓在一起，然后用大约 18 兆欧 0.22 微米的过滤水冲洗干净。将天然纤维精致的任务湿巾折叠成四等份，然后喷洒 70% 异丙醇。从后到前长行程擦拭引擎盖表面。每两下将精致的任务擦拭布重新折叠到未使用的表面上。现在在引擎盖表面滚动硅胶垫以吸走任何残留的颗粒。用 99% 异丙醇喷洒硅胶滚筒，然后戴手套擦洗。用过滤水冲洗滚筒。重复清洁过程三次后，让滚筒在抽油烟机内风干。要生成超纯水和异丙醇，请在引擎盖下将 18 兆欧的水装满一升烧杯。灌注 60 毫米注射器并通过将至少 200 毫升过滤水推过注射器和过滤器组件，连接 0.22 微米截止注射器过滤器。然后用过滤水冲洗玻璃螺旋盖容器三次，并在容器中装满注射器过滤的 18 兆欧 0.22 微米过滤水。使用所需百分比浓度的异丙醇代替水重复烧杯灌装注射器灌注和容器冲洗步骤，以生成超纯异丙醇。穿戴个人防护装备和丁腈手套。用超纯 99% 异丙醇喷洒硅胶垫圈，然后用戴手套的手指擦洗垫圈。然后用超纯水冲洗垫圈。首先，生成工艺空白。利用灌注注射器将 30 毫升超纯水和 30 毫升空气吸入 60 毫升注射器。拧上注射器过滤器。用力摇动注射器，将液体和空气通过过滤器分配。冲洗三次后，根据视觉组装图组装过滤装置。打开过滤设备的真空，以产生通过过滤盘堆栈的负流。要测量工艺毛坯的背景污染，请使用冲洗过的注射器将 50 毫升超纯水缓慢分配到顶部圆盘中心的纳米膜上。让超纯水过滤过。样品干燥后，关闭真空。使用干净的镊子小心地从垫圈上取下过滤盘，然后将它们放入干净的贴有标签的容器中，例如玻璃培养皿或深色盒子。在显微镜下对滤盘进行成像，以进行光学分析和颗粒计数。对于实验液体样品，使用额外的清洁垫圈和注射器过滤装置重复注射器冲洗过程。接下来，吸收所需量的新样品，并将样品缓慢分配到顶部圆盘中心的纳米膜上。样品过滤完成后，用一毫升超纯水冲洗膜三次。用超纯水冲洗两个玻璃螺旋盖容器 3 次。在干净的玻璃容器中制备每毫升 0.1 毫克的超纯 99% 异丙醇尼罗河红溶液。轻轻倒置容器 10 次以混合溶液。将尼罗河红溶液过滤到第二个玻璃螺旋盖容器中。将待染色的滤盘放在真空收集瓶的支撑熔块上，并将20微升0.1毫克/毫升尼罗河红溶液移液到滤盘中心的纳米膜上。将染色剂在纳米膜上孵育五分钟，然后真空过滤染色剂。用一毫升超纯 99% 异丙醇冲洗滤盘 3 次。去除多余的尼罗河红渍。让过滤盘在真空打开的情况下放在支撑熔块上两分钟，以过滤和干燥任何残留液体。 如果两分钟后仍然没有干燥，请使用干净的玻璃培养皿将其转移到 70 摄氏度的烤箱中两到五分钟。对于颗粒定量，使用硅胶垫圈将滤盘固定在显微镜载玻片上，并将其移动到显微镜载物台上。使用明场照明对纳米膜进行成像，使最大检测计数约为检测器相机最大范围的 90%。使用荧光照明对纳米膜进行成像，使最大像素强度约为探测器相机最大范围的 25%。最后，将采集的图像保存为 16 位复合 TIFF 文件。裸氮化硅和镀金氮化硅纳米膜适用于特定的分析类型。裸氮化硅适用于基于透射的光学技术和光谱学，而镀金硅纳米膜适用于基于反射的技术。显示了从单个硅纳米膜生成的理想级联数据。用尼罗河红染色的疑似微塑料颗粒表明，与 8 至 20 微米亚馏分相比，测试的自来水样品中大于 20 微米的颗粒计数明显更高。用 830 纳米激光收集的拉曼光谱在用光学显微镜分析的同一颗粒上具有很高的相关系数。Spectra 显示该颗粒由聚乙烯组成。扫描电子显微镜揭示了硅纳米膜上捕获的颗粒的详细形态特征。能量色散X射线光谱分析表明，主要颗粒组成以碳和氮为主。这与台盼蓝染色剂的吸收一起表明该颗粒可能是有机来源的。样品制备效果不佳，数据不清晰。尼罗河红染色剂冲洗不当使颗粒识别变得困难，并且获得了相关系数较低的次优拉曼光谱，表明颗粒的化学特性无法可靠地确认。
概述
本文介绍了硅纳米膜分析管道（SNAP）协议，旨在增强饮用水中污染颗粒的捕获和分析。该协议旨在改进微塑料的分析，同时最大限度地减少外部污染。
关键研究组成部分
科学领域
- 环境科学
- 分析化学
- 微塑料研究
背景
- 目前分析微塑料的方法常常引入污染。
- 硅纳米膜为多模态分析提供了平台。
- 结合各种成像技术增强了对颗粒的理解。
- 有效的分析对评估水质至关重要。
研究目的
- 开发用于分析微塑料的精简协议。
- 减少分析过程中的污染。
- 实现液体介质中颗粒的高效多模态分析。
使用的方法
- 超纯水和异丙醇的制备。
- 清洁和冲洗设备以最小化污染。
- 通过硅纳米膜过滤样品。
- 显微镜成像用于颗粒计数和分析。
主要结果
- 硅纳米膜促进了有效的颗粒捕获。
- 在测试的水样中检测到更高数量的微塑料颗粒。
- 拉曼光谱为颗粒识别提供了高相关系数。
- 结果证明了SNAP协议的效率。
结论
- SNAP协议显著降低了污染风险。
- 它允许对水中微塑料进行全面分析。
- 未来的应用可能扩展到各种液体介质分析。
常见问题
Executive Industry Relevance
Reliable detection and quantification of microplastics in water sources is critical for biopharma R&D teams evaluating environmental contaminants that may impact product safety or biological assay fidelity. The Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline (SNAP) enables multimodal, contamination-minimized analysis, supporting predictive confidence in environmental risk assessments and material sourcing. Integrating such analytical rigor at early discovery and quality control inflection points strengthens portfolio risk management and translational continuity.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous interrogation of environmental contaminant hypotheses relevant to biological assay systems.
- Supports functional validation of water and material quality for sensitive discovery workflows.
- Facilitates predictive de-risking by providing quantitative contaminant profiles.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, low-contamination water and buffer systems for downstream biological assays.
- Standardizes contaminant detection, supporting reproducibility and quantitative benchmarking.
- Enables scalable, platform-ready analysis for routine screening of input materials.
Translational & Preclinical Research
- Aligns environmental monitoring with translational biomarker studies when water quality may influence biological endpoints.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by ensuring consistent sample quality.
- Provides mechanistic de-risking for studies sensitive to trace contaminants.
Pipeline & Workflow Integration
SNAP fits at the interface of environmental monitoring, material qualification, and early-stage assay development, providing a reusable analytical capability across discovery and preclinical workflows.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on contaminant impact and clarifies environmental risk pathways.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative contaminant readouts for assay input validation.
- Analytics: Integrates optical, SEM, Raman, and EDX outputs for comprehensive particle characterization.
- Translational Research: Enables alignment of environmental quality with biomarker and preclinical study requirements.
- Enterprise Reuse: Provides a standardized, scalable platform for ongoing contaminant surveillance.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in environmental risk and target validation.
- Operational Value: Reduces contamination, standardizes workflows, and improves reproducibility.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for material sourcing and assay deployment.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by clarifying environmental quality variables.
Implementation Considerations
- Requires expertise in multimodal microscopy and spectroscopic analysis.
- Needs access to silicon nanomembrane filtration and advanced imaging infrastructure.
- Demands rigorous cross-team standardization to minimize contamination.
- Adaptable to various sample types but may require protocol optimization for different matrices.
- Dependent on proper sample preparation and staining for reliable data output.
