Беспроводной сенсор определит количество микропластика в воде

Американские материаловеды разработали беспроводной сенсор для определения микропластика в воде. Они добавили в воду люминесцентный краситель, привязали его к микропластиковым частицам и обучили нейросеть отличать сигнал таких частиц от сигнала фона. Результаты измерений можно получать на смартфон, говорится в статье, опубликованной в журнале ACS Sensors.

Микропластиком называют пластиковые фрагменты и волокна длиной менее пяти миллиметров. Вряд ли на нашей планете найдется место, не загрязненное микропластиком: его уже находили на вершине Эвереста, во льдах Антарктиды, в человеческой крови и даже в плаценте. О влиянии таких частиц на здоровье пока известно не так много. В 2019 году ВОЗ не нашла достаточных доказательств опасности микропластика в воде для людей. Но с тех пор уже появились новые исследования: например, итальянские медики показали, что микропластик повышает риск инфаркта миокарда, и китайские ученые связали даже небольшие дозы микропластика с ухудшением мужской репродуктивной функции. Кроме того частицы микропластика могут адсорбировать на себя ядовитые вещества и усиливать их токсическое действие.

Ученые умеют определять концентрации микропластика по-разному — например, анализируя траектории частиц или с помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Но, как правило, все эти методы сложны и требуют дорогостоящего оборудования.

Материаловеды из Университета Британской Колумбии под руководством Тианкси Янга (Tianxi Yang) разработали более простой способ определения концентрации микропластика, который подходит даже для домашнего применения. Янг и его коллеги использовали уже хорошо известную способность микропластика связываться с разными органическими веществами. Они покрыли поверхность частиц люминесцентным красителем — комплексами циркония (Zr⁴⁺) c таниновой кислотой (TA). Танины — нетоксичные природные вещества, которые содержатся, например, в черном чае или гранате. Красители Zr⁴⁺/TA люминесцируют, просто находясь в растворе, но на поверхности микрочастицы много красителя собирается в одном месте, и сигнал усиливается. Измерив люминесценцию, можно подсчитать количество таких частиц в пробе и вычислить концентрацию микропластика, а также размер частиц.

В поисках оптимальной концентрации красителя, а также доли TA в нем, авторы провели серию экспериментов. Они хотели с одной стороны получить как можно более яркий сигнал от частиц микропластика с красителем, но в то же время снизить фоновый сигнал, а главное — избежать выпадания самого красителя в осадок — в этом случае такие частицы осадка светились бы тоже ярко, и можно было бы спутать с микропластиковыми частицами. В результате Янг и его коллеги остановились на соотношении TA/Zr⁴⁺ равно 1:600.

Само устройство состоит из беспроводного цифрового микроскопа, зеленого светодиода и фильтра возбуждения. Для детектирования достаточно нанести на предметное стекло микроскопа небольшую каплю воды. Янг и его коллеги проводили эксперименты с водой, искусственно загрязненной микропластиком, с горячей водой, которую налили в пластиковый стакан, и с холодной водой, в которой длительное время находились мелкие кусочки пластика. Микропластик, удалось выявить во всех образцах. Минимальный размер детектируемых частиц составил 50 нанометров, а минимальная концентрация — 330 в одной пробе или около 17 тысяч на миллилитр.

Для обработки результатов, отделения фоновых сигналов и пересчета объемных концентраций ученые использовали пакет MATLAB и алгоритм машинного обучения. Пользователю овладевать этим программным обеспечением не нужно — приложение имеет простой интерфейс и может присылать результат анализа даже на смартфон.

Янг и его коллеги проводили большинство экспериментов с полистиролом, но в дальнейшем устройство можно будет настроить и на поиск других типов пластика и на разные жидкости, например кофе и чай. Авторы надеются, что их устройство будет востребовано в пищевой промышленности и заведениях общепита. Оно также подходит для образовательных целей и просто для домашнего применения.

В начале года группа китайских ученых выяснила, что кипячение удаляет до 80 процентов микропластикового загрязнения из воды. При этом в жесткой воде эффект был сильнее, чем в мягкой.