シリコンナノメンブレン分析パイプラインを用いた飲料水中のマイクロプラスチックのマルチモーダル分析
2025年6月13日
ここでは、飲料水中の汚染粒子の効率的な捕捉と分析のための光学的に透明で平坦な基板を示すプロトコルを紹介します。ここで紹介するのは、液体媒体中の粒子の捕捉、定量化、同定のための柔軟なパイプラインであるシリコンナノ膜分析パイプライン(SNAP)です。
私たちの研究目標は、複数のサンプルタイプに存在するマイクロプラスチックの分析を改善し、それらの目的の粒子から生成されたデータを改善することです。現在のマイクロプラスチック分析法は、外因性汚染が導入されやすいです。ここで説明する方法は、移送ステップを排除し、この汚染の問題を軽減します。
私たちは、研究者が効率を高め、汚染を減らして目的の粒子のマルチモーダル分析を実施できるようにするシリコンナノメンブレンを利用したプロトコルを提供しています。マイクロプラスチックの分析は、利用される方法によってのみ効果的であり、光学、電子、分光イメージング技術を組み合わせることで、最大限の全体像が得られます。シリコンナノメンブレンは、これらの複数の分析を可能にします。
[ナレーター]まず、綿100%の白衣とニトリル手袋を着用します。99%イソプロピルアルコールを使用してニトリル手袋をスプレーし、手をよくこすり合わせ、約18メガオーム0.22マイクロメートルのろ過水ですすいでください。天然繊維のデリケートな作業用ワイプを四分の一に折り、70%イソプロピルアルコールをスプレーします。フードの表面を後ろから前に、長めに拭きます。デリケートな作業用ワイプを未使用の表面に2ストロークごとに折り直します。次に、ボンネットの表面にシリコンマットを転がして、残っている粒子を吸い取ります。シリコンローラーに99%イソプロピルアルコールをスプレーし、手袋をはめた手でこすります。ろ過水でローラーをすすいでください。洗浄プロセスを3回繰り返した後、ローラーをフード内で自然乾燥させます。超純水とイソプロピルアルコールを生成するには、ボンネットの下に18メガオームの水を1リットルのビーカーに入れます。60ミリメートルのシリンジをプライミングし、少なくとも200ミリリットルのろ過水をシリンジとフィルターアセンブリに押し込んで、0.22マイクロメートルのカットオフシリンジフィルターを取り付けます。次に、ガラススクリューキャップ容器をろ過水で3回すすぎ、シリンジでろ過された18メガオーム0.22マイクロメートルのろ過水で容器を満たします。超高純度イソプロピルアルコールを生成するために、水の代わりに所望の割合の濃度のイソプロピルアルコールを使用して、ビーカー充填シリンジのプライミングと容器のすすぎのステップを繰り返します。個人用保護具とニトリル手袋を着用してください。シリコンガスケットに超高純度99%イソプロピルアルコールをスプレーし、手袋をはめた指でガスケットをこすります。次に、ガスケットを超純水ですすいでください。まず、プロセスブランクを生成します。プライミングされたシリンジを利用して、30ミリリットルの超純水と30ミリリットルの空気を60ミリリットルのシリンジに取り込みます。シリンジフィルターをねじ込みます。シリンジを激しく振って、フィルターを通して液体と空気を分配します。3回すすぎた後、視覚的な組み立て図に従ってろ過装置を組み立てます。ろ過装置への真空をオンにして、フィルターディスクスタックを通る負の流れを作り出します。プロセスブランクのバックグラウンド汚染を測定するには、すすぎたシリンジを使用して、上部ディスクの中央にあるナノメンブレンに50ミリリットルの超純水をゆっくりと分注します。超純水をろ過させます。サンプルが乾いたら、真空を止めます。清潔なピンセットを使用して、フィルターディスクをガスケットから慎重に取り外し、ガラスのペトリ皿や暗い箱などの清潔なラベルの付いた容器に入れます。光学分析と粒子計数のために顕微鏡下でフィルターディスクを画像化します。実験用液体サンプルの場合は、追加の洗浄ガスケットとシリンジフィルターユニットを使用して、シリンジすすぎプロセスを繰り返します。次に、必要な量の新しいサンプルを取り込み、上部ディスクの中央にあるナノメンブレンの上にサンプルをゆっくりと分注します。サンプルのろ過が完了したら、メンブレンを1ミリリットルの超純水で3回すすいでください。ガラススクリューキャップ容器2個を超純水で3回すすいでください。清潔なガラス容器に超高純度99%イソプロピルアルコール中のナイル赤溶液1ミリリットルあたり0.1ミリグラムを調製します。容器を10回ゆっくりと反転させて溶液を混合します。ナイル赤溶液を2番目のガラススクリューキャップ容器にろ過します。染色するフィルターディスクを真空収集フラスコのサポートフリットに置き、0.1ミリリットルあたり0.1ミリグラムのナイル赤溶液20マイクロリットルをフィルターディスクの中央にあるナノメンブレンにピペットで入れます。染色液をナノメンブレン上で5分間インキュベートし、染色液を真空ろ過します。フィルターディスクを1ミリリットルの超高純度99%イソプロピルアルコールで3回すすいでください。余分なナイルレッドの染みを取り除きます。フィルターディスクを真空にした状態でサポートフリットに2分間置き、残留液体をろ過して乾燥させます。 それでも2分経っても乾かない場合は、清潔なガラスのペトリ皿を使用して摂氏70度のオーブンに2〜5分間移します。粒子定量化のために、シリコンガスケットを使用してフィルターディスクを顕微鏡スライドに固定し、顕微鏡ステージに移動します。明視野照明を使用してナノメンブレンを画像化し、最大検出カウントが検出器カメラの最大範囲の約90%になるようにします。蛍光照明を使用してナノメンブレンを画像化し、最大ピクセル強度が検出器カメラの最大範囲の約25%になるようにします。最後に、取得した画像を16ビットのコンポジットTIFFファイルとして保存します。裸の窒化ケイ素と金でコーティングされた窒化ケイ素ナノメンブレンは、特定の分析タイプに適していました。裸窒化ケイ素は透過ベースの光学技術や分光法に適しており、金コーティングされたシリコンナノ膜は反射ベースの技術に適していました。単一のシリコンナノメンブレンから生成された理想的なデータのカスケードが示されています。ナイルレッドで染色された疑わしいマイクロプラスチック粒子は、テストされた水道水サンプルが、8〜20ミクロンのサブフラクションと比較して、20ミクロンを超える粒子の数が有意に多かったことを示しました。830ナノメートルレーザーで収集したラマンスペクトルは、光学顕微鏡で分析した同じ粒子に対して高い相関係数を示しました。スペクトルは、粒子がポリエチレンで構成されていることを明らかにしました。走査型電子顕微鏡により、シリコンナノ膜に捕捉された粒子の詳細な形態学的特徴が明らかになりました。エネルギー分散型X線分光法分析により、主な粒子組成は主に炭素と窒素であることが示されました。これは、トリパンブルー染色の取り込みとともに、粒子が有機起源である可能性が高いことを示唆しています。最適ではないサンプル前処理では、不明瞭なデータが得られました。ナイルレッド染色の洗浄が不適切であると、粒子の同定が困難になり、相関係数の低い最適ではないラマンスペクトルが得られ、粒子の化学的同一性を確実に確認できないことが示唆されました。
概要
この記事では、飲料水中の汚染粒子の捕捉と分析を強化するために設計されたシリコンナノ膜分析パイプライン（SNAP）のプロトコルを紹介します。このプロトコルは、外部汚染を最小限に抑えながら、マイクロプラスチックの分析を改善することを目的としています。
主要な研究要素
科学分野
- 環境科学
- 分析化学
- マイクロプラスチック研究
背景
- マイクロプラスチックを分析する現在の方法では、しばしば汚染が生じます。
- シリコンナノ膜は多様な分析のためのプラットフォームを提供します。
- 様々なイメージング技術を組み合わせることで、粒子の理解が深まります。
- 効果的な分析は水質評価に不可欠です。
研究目的
- マイクロプラスチックを分析するための効率的なプロトコルを開発すること。
- 分析プロセス中の汚染を減少させること。
- 液体媒体中の粒子の効率的な多様な分析を可能にすること。
使用した方法
- 超純水とイソプロピルアルコールの準備。
- 汚染を最小限に抑えるために機器の洗浄とすすぎ。
- シリコンナノ膜を通じたサンプルの濾過。
- 粒子数のカウントと分析のための顕微鏡イメージング。
主要な結果
- シリコンナノ膜は効果的な粒子の捕捉を促進しました。
- テストされた水サンプルでマイクロプラスチック粒子のより高い数の検出が行われました。
- ラマン分光法は粒子識別のための高い相関係数を提供しました。
- 結果はSNAPプロトコルの効率性を示しました。
結論
- SNAPプロトコルは汚染リスクを大幅に減少させます。
- 水中のマイクロプラスチックの包括的な分析を可能にします。
- 将来の応用は様々な液体媒体の分析にまで拡張される可能性があります。
よくある質問
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.
