Uma abordagem microfluídica para rótulo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11011 (2023) Citar este artigo

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Os microplásticos marinhos estão a emergir como uma preocupação ambiental crescente devido aos seus potenciais danos à biota marinha. As variações substanciais nas suas propriedades físicas e químicas representam um desafio significativo quando se trata de amostragem e caracterização de microplásticos de pequeno porte. Neste estudo, apresentamos uma nova abordagem microfluídica que simplifica o processo de captura e identificação de microplásticos na água do mar superficial, eliminando a necessidade de rotulagem. Examinamos vários modelos, incluindo máquina de vetores de suporte, floresta aleatória, rede neural convolucional (CNN) e rede neural residual (ResNet34), para avaliar seu desempenho na identificação de 11 plásticos comuns. Nossas descobertas revelam que o método CNN supera os outros modelos, alcançando uma precisão impressionante de 93% e uma área média sob a curva de 98 ± 0,02%. Além disso, demonstramos que dispositivos miniaturizados podem capturar e identificar com eficácia microplásticos menores que 50 µm. No geral, esta abordagem proposta facilita a amostragem e identificação eficientes de microplásticos de pequeno tamanho, contribuindo potencialmente para esforços cruciais de monitorização e tratamento a longo prazo.

A poluição por microplásticos tornou-se uma preocupação global e estima-se que existam aproximadamente 24,4 biliões de pedaços de microplásticos na parte superior do oceano, enfatizando a extensa presença deste poluente em ambientes marinhos1. Ao longo do tempo, o impacto cumulativo da poluição por microplásticos na biota marinha resultou em ameaças significativas para a saúde, representando um risco grave para todo o ecossistema2. Amostragem eficiente, identificação precisa e caracterização química confiável de microplásticos são cruciais para a compreensão de seus impactos ambientais e biológicos. No entanto, a falta de processos sistemáticos persiste devido à natureza intrincada dos microplásticos ambientais, abrangendo fatores como os seus variados tamanhos, formas, estágios de degradação, agregação e presença de biofilmes associados. Atualmente, existem três grandes áreas de foco quando se trata de estudar microplásticos marinhos: amostragem, tratamentos de amostras com controle de contaminação e identificação de microplásticos3. A amostragem ideal permite uma coleta de microplásticos de alta fidelidade que retém todas as informações necessárias adquiridas naturalmente, sem contaminação cruzada indesejada. No entanto, os métodos convencionais de amostragem e separação, como a separação por densidade, a separação visual e a flutuação passiva, são limitados na sua capacidade de separar eficazmente pequenas partículas à escala submícron4, que de facto representam a maioria dos microplásticos nos mares. Outros métodos, como a digestão ácida e a digestão enzimática, são processos dispendiosos e podem envolver a utilização de produtos químicos altamente tóxicos que podem potencialmente danificar a integridade das amostras5. Outra área de preocupação é o potencial de contaminação cruzada de dispositivos de amostragem e partículas atmosféricas, o que pode introduzir desafios adicionais na avaliação e quantificação precisa da poluição por microplásticos6. Embora estratégias de mitigação, como a medição de amostras em branco, possam ajudar a minimizar erros experimentais, estes métodos apenas eliminam contaminações no laboratório central7. Conforme enfatizado em uma revisão de Hidalgo-Ruz et al.8 que resumiu metodologias tradicionais em 68 estudos de microplásticos marinhos, o desenvolvimento de metodologias eficazes que distinguem mais frações de tamanho, evitam a contaminação e permitem uma identificação e caracterização eficazes ainda são uma tarefa crítica no campo.

A tecnologia microfluídica provou ser uma ferramenta poderosa para classificação e separação de partículas hoje em dia, graças às suas vantagens, como economia de custos, resposta rápida, alto rendimento e adaptabilidade em muitas aplicações9,10. Estudos recentes revelaram que as suas capacidades foram alargadas à investigação de microplásticos11,12,13,14,15. Por exemplo, Elsayed et al.16 relataram uma plataforma de análise micro-optofluídica para classificar partículas microplásticas na água da torneira. Os microplásticos classificados (1–100 µm) foram aprisionados em microfiltros para caracterização química por espectroscopia de infravermelho Raman e por transformada de Fourier (FTIR). No entanto, o acúmulo indesejável de partículas resultou em picos Raman mistos que aumentaram desnecessariamente as dificuldades de caracterização da amostra.