ラベルのためのマイクロ流体アプローチ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11011 (2023) この記事を引用

570 アクセス

メトリクスの詳細

海洋マイクロプラスチックは、海洋生物相に悪影響を与える可能性があるため、環境問題への懸念が高まっています。 物理的および化学的特性には大きなばらつきがあるため、小型のマイクロプラスチックをサンプリングして特性評価する際に大きな課題が生じます。 この研究では、表層海水中のマイクロプラスチックの捕捉と識別プロセスを簡素化し、標識の必要性を排除する新しいマイクロ流体アプローチを紹介します。 私たちは、サポート ベクター マシン、ランダム フォレスト、畳み込みニューラル ネットワーク (CNN)、残差ニューラル ネットワーク (ResNet34) などのさまざまなモデルを調べて、11 種類の一般的なプラスチックの識別におけるパフォーマンスを評価します。 私たちの調査結果では、CNN メソッドが他のモデルよりも優れており、93% という優れた精度と 98 ± 0.02% の平均曲線下面積を達成していることが明らかになりました。 さらに、小型デバイスが 50 µm 未満のマイクロプラスチックを効果的に捕捉し、識別できることを実証します。 全体として、この提案されたアプローチは、小型のマイクロプラスチックの効率的なサンプリングと同定を容易にし、重要な長期モニタリングと治療の取り組みに貢献する可能性があります。

マイクロプラスチック汚染は世界的な懸念となっており、海洋表層には約 24.4 兆個のマイクロプラスチックがあると推定されており、この汚染物質が海洋環境に広範囲に存在していることが強調されています 1。 時間の経過とともに、海洋生物相に対するマイクロプラスチック汚染の累積的な影響は、重大な健康上の脅威をもたらし、生態系全体に深刻なリスクをもたらしています2。 マイクロプラスチックの効率的なサンプリング、正確な同定、および信頼性の高い化学的特性評価は、環境および生物学的影響を理解するために不可欠です。 それにもかかわらず、環境マイクロプラスチックの複雑な性質（さまざまなサイズ、形状、分解段階、凝集、関連するバイオフィルムの存在などの要因を含む）のため、体系的なプロセスの欠如が依然として続いています。 現在、海洋マイクロプラスチックの研究に関しては、サンプリング、汚染管理を伴うサンプル処理、およびマイクロプラスチックの識別という 3 つの主要な分野に焦点が当てられています3。 理想的なサンプリングにより、望ましくない相互汚染なしに自然に取得されたすべての必要な情報を保持した、マイクロプラスチックの高忠実度の収集が可能になります。 しかし、密度分離、視覚的分離、受動的浮遊などの従来のサンプリングおよび分離方法では、実際に海のマイクロプラスチックの大部分を占めるサブミクロンスケールの小さな粒子を効果的に分離する能力には限界があります4。 酸性消化や酵素的消化などの他の方法は、コストがかかるプロセスであり、サンプルの完全性を損なう可能性のある非常に有毒な化学物質の使用を伴う場合があります5。 もう 1 つの懸念領域は、サンプリング装置と大気中の粒子による相互汚染の可能性であり、マイクロプラスチック汚染を正確に評価および定量化する際にさらなる課題を引き起こす可能性があります6。 ブランクサンプルの測定などの緩和戦略は実験エラーを最小限に抑えるのに役立ちますが、これらの方法は中央実験室の汚染を除去するだけです7。 海洋マイクロプラスチックに関する 68 の研究における従来の方法論をまとめた Hidalgo-Ruz らのレビュー 8 で強調されているように、より多くのサイズ画分を区別し、汚染を防ぎ、効果的な同定と特性評価を可能にする効果的な方法論を開発することは、依然として海洋マイクロプラスチックにおける重要な課題です。分野。

マイクロ流体技術は、コスト削減、迅速な応答、高スループット、多くの用途への適応性などの利点により、今日では粒子の選別と分離のための強力なツールであることが証明されています9,10。 最近の研究では、その機能がマイクロプラスチックの研究にも拡張されていることが明らかになりました11、12、13、14、15。 例えば、Elsayedら16は、水道水中のマイクロプラスチック粒子を選別するためのマイクロ光流体分析プラットフォームを報告した。 選別されたマイクロプラスチック (1 ～ 100 µm) は、ラマンおよびフーリエ変換赤外分光法 (FTIR) の両方の化学特性評価のためにマイクロフィルターに捕集されました。 しかし、粒子の望ましくない蓄積によりラマン ピークが混合され、サンプルの特性評価が不必要に困難になりました。