Une approche microfluidique pour l'étiquetage

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11011 (2023) Citer cet article

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Les microplastiques marins deviennent une préoccupation environnementale croissante en raison de leurs dommages potentiels au biote marin. Les variations substantielles de leurs propriétés physiques et chimiques posent un défi de taille lorsqu’il s’agit d’échantillonner et de caractériser des microplastiques de petite taille. Dans cette étude, nous introduisons une nouvelle approche microfluidique qui simplifie le processus de piégeage et d’identification des microplastiques dans l’eau de mer de surface, éliminant ainsi le besoin d’étiquetage. Nous examinons divers modèles, notamment la machine à vecteurs de support, la forêt aléatoire, le réseau neuronal convolutif (CNN) et le réseau neuronal résiduel (ResNet34), pour évaluer leurs performances dans l'identification de 11 plastiques courants. Nos résultats révèlent que la méthode CNN surpasse les autres modèles, atteignant une précision impressionnante de 93 % et une aire moyenne sous la courbe de 98 ± 0,02 %. De plus, nous démontrons que les dispositifs miniaturisés peuvent piéger et identifier efficacement les microplastiques inférieurs à 50 µm. Dans l’ensemble, cette approche proposée facilite un échantillonnage et une identification efficaces des microplastiques de petite taille, contribuant potentiellement aux efforts cruciaux de surveillance et de traitement à long terme.

La pollution microplastique est devenue une préoccupation mondiale, et on estime qu’il y a environ 24 400 milliards de morceaux de microplastiques dans la couche supérieure de l’océan, ce qui souligne la présence étendue de ce polluant dans les environnements marins1. Au fil du temps, l’impact cumulé de la pollution microplastique sur le biote marin a entraîné d’importantes menaces pour la santé, posant un risque sérieux pour l’ensemble de l’écosystème2. Un échantillonnage efficace, une identification précise et une caractérisation chimique fiable des microplastiques sont essentiels pour comprendre leurs impacts environnementaux et biologiques. Néanmoins, l’absence de processus systématiques persiste en raison de la nature complexe des microplastiques environnementaux, englobant des facteurs tels que leurs différentes tailles, formes, stades de dégradation, agrégation et présence de biofilms associés. Actuellement, l’étude des microplastiques marins se concentre sur trois grands domaines : l’échantillonnage, le traitement des échantillons avec contrôle de la contamination et l’identification des microplastiques3. Un échantillonnage idéal permet une collecte haute fidélité de microplastiques qui conserve toutes les informations nécessaires acquises naturellement sans contamination croisée indésirable. Cependant, les méthodes conventionnelles d’échantillonnage et de séparation, telles que la séparation par densité, la séparation visuelle et la flottaison passive, sont limitées dans leur capacité à séparer efficacement les petites particules à l’échelle submicronique4, qui représentent en fait la majorité des microplastiques présents dans les mers. D’autres méthodes, telles que la digestion acide et la digestion enzymatique, sont des processus coûteux et peuvent impliquer l’utilisation de produits chimiques hautement toxiques susceptibles de nuire à l’intégrité des échantillons5. Un autre sujet de préoccupation est le potentiel de contamination croisée provenant des dispositifs d’échantillonnage et des particules atmosphériques, qui peut introduire des défis supplémentaires dans l’évaluation et la quantification précises de la pollution microplastique6. Bien que des stratégies d’atténuation telles que la mesure d’échantillons à blanc puissent contribuer à minimiser les erreurs expérimentales, ces méthodes n’éliminent les contaminations que dans le laboratoire central7. Comme le soulignent Hidalgo-Ruz et al.8 qui ont résumé les méthodologies traditionnelles dans 68 études sur les microplastiques marins, le développement de méthodologies efficaces permettant de distinguer davantage de fractions granulométriques, de prévenir la contamination et de permettre une identification et une caractérisation efficaces reste une tâche cruciale dans le monde. champ.

La technologie microfluidique s’est avérée aujourd’hui être un outil puissant pour le tri et la séparation des particules grâce à ses avantages tels que la réduction des coûts, la réponse rapide, le débit élevé et l’adaptabilité dans de nombreuses applications9,10. Des études récentes ont révélé que ses capacités ont été étendues à la recherche sur les microplastiques11,12,13,14,15. Par exemple, Elsayed et al.16 ont signalé une plateforme d’analyse micro-optofluidique pour trier les particules microplastiques dans l’eau du robinet. Les microplastiques triés (1 à 100 µm) ont été piégés dans des microfiltres pour la caractérisation chimique par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et Raman (FTIR). Cependant, une accumulation indésirable de particules entraînait des pics Raman mixtes qui augmentaient inutilement les difficultés de caractérisation des échantillons.