Un approccio microfluidico per l'etichetta

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11011 (2023) Citare questo articolo

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Le microplastiche marine stanno emergendo come una crescente preoccupazione ambientale a causa del loro potenziale danno al biota marino. Le variazioni sostanziali nelle loro proprietà fisiche e chimiche rappresentano una sfida significativa quando si tratta di campionare e caratterizzare microplastiche di piccole dimensioni. In questo studio, introduciamo un nuovo approccio microfluidico che semplifica il processo di intrappolamento e identificazione delle microplastiche nell’acqua di mare superficiale, eliminando la necessità di etichettatura. Esaminiamo vari modelli, tra cui la macchina vettoriale di supporto, la foresta casuale, la rete neurale convoluzionale (CNN) e la rete neurale residua (ResNet34), per valutare le loro prestazioni nell'identificazione di 11 plastiche comuni. I nostri risultati rivelano che il metodo CNN supera gli altri modelli, raggiungendo un’impressionante precisione del 93% e un’area media sotto la curva del 98 ± 0,02%. Inoltre, dimostriamo che i dispositivi miniaturizzati possono intrappolare e identificare efficacemente le microplastiche inferiori a 50 µm. Nel complesso, questo approccio proposto facilita il campionamento e l’identificazione efficienti di microplastiche di piccole dimensioni, contribuendo potenzialmente a cruciali sforzi di monitoraggio e trattamento a lungo termine.

L’inquinamento da microplastiche è diventato una preoccupazione globale e si stima che ci siano circa 24,4 trilioni di microplastiche negli oceani superficiali, sottolineando l’ampia presenza di questo inquinante negli ambienti marini1. Nel corso del tempo, l’impatto cumulativo dell’inquinamento da microplastiche sul biota marino ha comportato notevoli minacce per la salute, mettendo a rischio l’intero ecosistema2. Un campionamento efficiente, un’identificazione accurata e una caratterizzazione chimica affidabile delle microplastiche sono fondamentali per comprenderne gli impatti ambientali e biologici. Tuttavia, la mancanza di processi sistematici persiste a causa della natura complessa delle microplastiche ambientali, che comprende fattori quali le loro diverse dimensioni, forme, fasi di degradazione, aggregazione e presenza di biofilm associati. Attualmente, ci sono tre principali aree di interesse quando si tratta di studiare le microplastiche marine: campionamento, trattamenti dei campioni con controllo della contaminazione e identificazione della microplastica3. Il campionamento ideale consente una raccolta ad alta fedeltà di microplastiche che conserva tutte le informazioni necessarie acquisite naturalmente senza contaminazioni incrociate indesiderate. Tuttavia, i metodi convenzionali di campionamento e separazione, come la separazione per densità, la separazione visiva e il galleggiamento passivo, sono limitati nella loro capacità di separare efficacemente piccole particelle su scala submicronica4, che di fatto rappresentano la maggior parte delle microplastiche nei mari. Altri metodi, come la digestione acida e la digestione enzimatica, sono processi costosi e possono comportare l'uso di sostanze chimiche altamente tossiche che potrebbero potenzialmente danneggiare l'integrità dei campioni5. Un’altra area di preoccupazione è il potenziale di contaminazione incrociata da dispositivi di campionamento e particelle atmosferiche, che può introdurre ulteriori sfide nella valutazione e quantificazione accurata dell’inquinamento da microplastiche6. Sebbene le strategie di mitigazione, come la misurazione dei campioni bianchi, possano aiutare a ridurre al minimo gli errori sperimentali, questi metodi eliminano le contaminazioni solo nel laboratorio centrale7. Come sottolineato in una revisione di Hidalgo-Ruz et al.8 che ha riassunto le metodologie tradizionali in 68 studi sulle microplastiche marine, lo sviluppo di metodologie efficaci che distinguano frazioni di dimensioni maggiori, prevengano la contaminazione e consentano un'identificazione e una caratterizzazione efficaci sono ancora un compito critico nel campo.

Al giorno d'oggi la tecnologia microfluidica ha dimostrato di essere un potente strumento per lo smistamento e la separazione delle particelle grazie ai suoi vantaggi come il risparmio sui costi, la risposta rapida, l'elevata produttività e l'adattabilità in molte applicazioni9,10. Studi recenti hanno rivelato che le sue capacità sono state estese alla ricerca sulle microplastiche11,12,13,14,15. Ad esempio, Elsayed et al.16 hanno segnalato una piattaforma di analisi micro-optofluidica per separare le particelle microplastiche nell'acqua del rubinetto. Le microplastiche selezionate (1–100 µm) sono state intrappolate in microfiltri per la caratterizzazione chimica sia della spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) che di Raman. Tuttavia, l'accumulo indesiderato di particelle ha prodotto picchi Raman misti che hanno aumentato inutilmente le difficoltà di caratterizzazione del campione.