Multimodale Analyse von Mikroplastik im Trinkwasser mit Hilfe einer Silizium-Nanomembran-Analyseleitung

Unsere Forschungsziele sind die Verbesserung der Analyse von Mikroplastik, das in mehreren Probentypen vorhanden ist, sowie die Verbesserung der Daten, die aus den interessierenden Partikeln generiert werden. Die derzeitigen Analysemethoden von Mikroplastik sind anfällig für die Einführung von extrinsischen Verunreinigungen. Die Methoden, die wir hier beschreiben, eliminieren Übertragungsschritte und lindern dieses Kontaminationsproblem.

Wir stellen ein Protokoll zur Verfügung, das eine Silizium-Nanomembran verwendet, das es Forschern ermöglicht, multimodale Analysen ihrer interessierenden Partikel mit erhöhter Effizienz und weniger Kontamination durchzuführen. Die Analyse von Mikroplastik ist nur so effektiv, wie die verwendeten Methoden die Kombination von optischen, elektronen- und spektroskopischen Bildgebungsverfahren ein möglichst vollständiges Bild ermöglicht. Silizium-Nanomembranen ermöglichen diese vielfältigen Analysen.

[Erzähler] Ziehen Sie zu Beginn einen Laborkittel aus 100 % Baumwolle und Nitrilhandschuhe an. Sprühen Sie die Nitrilhandschuhe mit 99%igem Isopropylalkohol auf, reiben Sie die Hände gründlich aneinander und spülen Sie sie mit ca. 18 Megaohm 0,22 Mikrometer gefiltertem Wasser ab. Falten Sie ein zartes Tuch aus Naturfasern in Viertel und besprühen Sie es dann mit 70% Isopropylalkohol. Wischen Sie die Oberfläche der Haube von hinten nach vorne und streichen Sie lang. Falten Sie das empfindliche Arbeitstuch alle zwei Züge auf eine unbenutzte Oberfläche. Rollen Sie nun eine Silikonmatte über die Oberfläche der Haube, um eventuelle Restpartikel aufzunehmen. Sprühen Sie die Silikonrolle mit 99%igem Isopropylalkohol ein und schrubben Sie sie mit einer behandschuhten Hand. Spülen Sie die Walze mit gefiltertem Wasser aus. Nachdem Sie den Reinigungsvorgang dreimal wiederholt haben, lassen Sie die Walze in der Haube an der Luft trocknen. Um Reinstwasser und Isopropylalkohol zu erzeugen, füllen Sie ein Ein-Liter-Becherglas mit dem 18-Megaohm-Wasser unter der Haube. Entlüften Sie eine 60-Millimeter-Spritze und befestigen Sie einen 0,22-Mikrometer-Spritzenvorsatzfilter, indem Sie mindestens 200 Milliliter gefiltertes Wasser durch die Spritze und die Filterbaugruppe drücken. Spülen Sie dann einen Glasbehälter mit Schraubverschluss dreimal mit gefiltertem Wasser aus und füllen Sie den Behälter mit spritzengefiltertem 18-Megaohm-Wasser mit 0,22 Mikrometern. Wiederholen Sie die Schritte zum Befüllen des Becherglases, zum Grundieren der Spritze und zum Spülen des Behälters mit der gewünschten prozentualen Konzentration von Isopropylalkohol anstelle von Wasser, um ultrareinen Isopropylalkohol zu erzeugen. Ziehen Sie persönliche Schutzausrüstung und Nitrilhandschuhe an. Sprühen Sie eine Silikondichtung mit ultrareinem 99%igem Isopropylalkohol ein und schrubben Sie die Dichtung mit behandschuhten Fingern. Spülen Sie dann die Dichtung mit Reinstwasser ab. Generieren Sie zunächst das Prozessleerzeichen. Unter Verwendung der vorbereiteten Spritze werden 30 Milliliter Reinstwasser und 30 Milliliter Luft in die 60-Milliliter-Spritze aufgenommen. Schrauben Sie einen Spritzenvorsatzfilter auf. Schütteln Sie die Spritze kräftig und geben Sie die Flüssigkeit und Luft durch den Filter ab. Nach dreimaligem Spülen das Filtergerät gemäß der visuellen Montagegrafik zusammenbauen. Schalten Sie das Vakuum an der Filtervorrichtung ein, um einen negativen Durchfluss durch den Filterscheibenstapel zu erzeugen. Um die Hintergrundkontamination des Prozessrohlings zu messen, geben Sie mit der gespülten Spritze langsam 50 Milliliter Reinstwasser über die Nanomembran in der Mitte der oberen Scheibe ab. Lassen Sie das Reinstwasser durchsickern. Sobald die Probe trocken ist, schalten Sie das Vakuum aus. Entfernen Sie mit einer sauberen Pinzette vorsichtig die Filterscheiben aus den Dichtungen und legen Sie sie in ein sauberes, beschriftetes Gefäß, z. B. eine Petrischale aus Glas oder eine abgedunkelte Box. Bilden Sie die Filterscheiben für die optische Analyse und Partikelzählung unter dem Mikroskop ab. Bei experimentellen Flüssigkeitsproben wiederholen Sie den Spritzenspülvorgang mit einer zusätzlich gereinigten Dichtung und Spritzenfiltereinheit. Nehmen Sie dann die gewünschte Menge der neuen Probe auf und geben Sie die Probe langsam über die Nanomembran in der Mitte der oberen Scheibe ab. Sobald die Probenfiltration abgeschlossen ist, spülen Sie die Membran dreimal mit einem Milliliter Reinstwasser. Spülen Sie zwei Glasbehälter mit Schraubverschluss dreimal mit Reinstwasser aus. Bereiten Sie eine Lösung von 0,1 Milligramm pro Milliliter Nilrot in ultrareinem 99%igem Isopropylalkohol in einem sauberen Glasbehälter vor. Drehen Sie den Behälter 10 Mal vorsichtig um, um die Lösung zu mischen. Filtriere die Nilrot-Lösung in den zweiten Glasbehälter mit Schraubverschluss. Die zu färbende Filterscheibe wird auf die Stützfritte des Vakuumauffangkolbens gelegt und 20 Mikroliter der Nilrotlösung von 0,1 Milligramm pro Milliliter auf die Nanomembran in der Mitte der Filterscheibe pipettiert. Inkubieren Sie den Fleck fünf Minuten lang auf der Nanomembran und filtern Sie den Fleck dann vakuum. Spülen Sie die Filterscheibe dreimal mit einem Milliliter hochreinem 99%igem Isopropylalkohol aus. Um überschüssigen Nilrotfleck zu entfernen. Lassen Sie die Filterscheibe zwei Minuten lang bei eingeschaltetem Vakuum auf der Stützfritte stehen, um die Restflüssigkeit zu filtern und zu trocknen. Wenn es nach zwei Minuten immer noch nicht trocknet, stellen Sie es für zwei bis fünf Minuten in einen 70 Grad Celsius heißen Ofen mit einer sauberen Petrischale aus Glas. Für die Partikelquantifizierung fixieren Sie die Filterscheibe mit einer Silikondichtung auf einem Objektträger und schieben Sie sie auf den Mikroskoptisch. Bilden Sie die Nanomembran mit Hellfeldbeleuchtung ab, so dass die maximal detektierten Zählungen etwa 90 % des maximalen Bereichs der Detektorkamera betragen. Bilden Sie die Nanomembran mit fluoreszierender Beleuchtung ab, so dass die maximale Pixelintensität etwa 25 % des maximalen Bereichs der Detektorkamera beträgt. Speichern Sie abschließend die aufgenommenen Bilder als 16-Bit-Composite-TIFF-Datei. Für bestimmte Analysetypen eigneten sich blanke Siliziumnitrid- und goldbeschichtete Siliziumnitrid-Nanomembranen. Blankes Siliziumnitrid eignete sich sowohl für transmissionsbasierte optische Techniken als auch für die Spektroskopie, während goldbeschichtete Silizium-Nanomembranen für reflexionsbasierte Techniken geeignet waren. Es wird eine ideale Kaskade von Daten gezeigt, die aus einer einzelnen Silizium-Nanomembran erzeugt wurden. Vermutete Mikroplastikpartikel, die mit Nilrot gefärbt waren, deuteten darauf hin, dass die getesteten Leitungswasserproben eine signifikant höhere Anzahl von Partikeln von mehr als 20 Mikrometern aufwiesen im Vergleich zur Unterfraktion von 8 bis 20 Mikrometern. Raman-Spektren, die mit einem 830-Nanometer-Laser aufgenommen wurden, wiesen einen hohen Korrelationskoeffizienten auf demselben Partikel auf, das mit optischer Mikroskopie analysiert wurde. Spectra zeigte, dass das Partikel aus Polyethylen bestand. Die Rasterelektronenmikroskopie enthüllte detaillierte morphologische Merkmale von Partikeln, die auf der Silizium-Nanomembran eingefangen wurden. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie zeigte, dass die Hauptpartikelzusammensetzung hauptsächlich aus Kohlenstoff und Stickstoff bestand. Dies und die Aufnahme einer Trypanblau-Färbung deuten darauf hin, dass das Partikel wahrscheinlich organischen Ursprungs ist. Eine suboptimale Probenvorbereitung führte zu unklaren Daten. Unsachgemäß gespülte Nilrotfärbung erschwert die Identifizierung der Partikel und es wurden suboptimale Raman-Spektren mit einem niedrigen Korrelationskoeffizienten erhalten, was darauf hindeutet, dass die chemische Identität des Partikels nicht zuverlässig bestätigt werden kann.