Detection, identification and quantification of metallic nanoparticles in aquaculture using electron microscopy and Surface-enhanced Raman scattering

Abstract

Nanomaterials are becoming more and more prevalent as ingredients or components for several consumer products such as paints, personal care products, food and cosmetics. It has been demonstrated that these nanomaterials are released in water bodies such as coastal waters. These could be accumulating not only in the sediments but also in the aquatic organisms. In line with this, aquaculture is a key component of both the Common Fisheries Policy and the Blue Growth agenda and currently makes up over 50 % of the fish and seafood destined for human consumption. Many of the most consumed aquaculture species in the Atlantic area are marine. Therefore, these species are in contact with all the components contained in seawater. As human exposure to such nanomaterials increases, there is a growing need for a method to identify and characterize nanoparticles present in complex matrices. The assessment of the presence of these new emerging contaminants (i.e. nanomaterials) in products destined to the human consumption as well as the development of portable sensors to detect them in seawater are necessary, since those will allow a quick implementation of measures for risk mitigation. Specifically, there is two main challenges, besides the difficulty in sample preparation and in the controlled conditions during analysis, that could hinder the implementation of the portable sensors: (1) their miniaturization and (2) the matrix interferences, which compromise the robustness, selectivity and sensitivity of the portable sensors. Therefore, there is a need to develop sample preparation methods to reduce the matrix interferences present on real samples, reduce the lack of specificity and noise, and increase the robustness of these sensors. Thus, the main objectives to develop during the PhD are: 1. The assessment of the potential bioaccumulation and biodistribution of metallic nanoparticles in aquaculture products using electron microscopy techniques (TEM, SEM, STEM-EDS). 2. The development of sample preparation methods for the detection and characterization of metallic nanoparticles in both, water and aquaculture products. 3. The design and fabrication of Surface-enhanced Raman scattering (SERS)-based portable sensors for monitoring and detection of metallic nanoparticles in aquaculture waters.

La utilización de nanomateriales como ingredientes o componentes en diferentes productos de consumos, tales como pinturas, productos de cuidado personal, comida y cosmético, ha aumentado súbitamente en los últimos años. El ciclo de vida de estos nanomateriales considera la posibilidad de que sean liberados en las masas de aguas como es en las aguas marinas costeras. Estos materiales pueden acumularse no solo en los sedimentos sino también en los organismos acuáticos. Esto nos permite estudiar a los nanomateriales desde otra perspectiva, como contaminantes emergentes en el medio ambiente. Una de las actividades que puede verse afecta por la presencia de estos nanomateriales es la Acuicultura. En Europa, la acuicultura representa aproximadamente el 20% de la producción de pescado y da empleo directo a unas 85 000 personas. La acuicultura de la Unión Europea es conocida por su alta calidad, su sostenibilidad y su normativa sobre protección de los consumidores. Por eso, ha despertado gran interés el análisis de la biodistribución y bioacumulación de estos nanomateriales en los productos de acuicultura así como la detección de estos mismos en aguas donde se crían especies marinas. Sin embargo, una de las limitaciones es que actualmente no hay una tecnología desarrollada para ello. Así, los esfuerzos están dirigidos al diseño de metodologías para la visualización de los nanomateriales en los tejidos para entender su asociación con los mismos así como su acumulación. Por otro lado, el desarrollo sensores portátiles es importante, ya que permitiría la monitorización descentralizada y la rápido implementación de medidas para la mitigación y gestión de riesgos. Sin embargo, dos grandes desafíos se presentan para la implementación de estos sensores portátiles: (1) su miniaturización y (2) las interferencias de matriz que compromete la robustez, selectividad y sensibilidad del método. Por tanto, hay una necesidad de desarrollar métodos de preparación de muestra para reducir las interferencias de matriz presentes en muestras reales, reducir la falta de especificidad y ruido e incrementar la robustez de estos sensores. Así, los objetivos principales para desarrollar durante el doctorado son: 1. Evaluación de la bioacumulación y biodistribución de nanopartículas metálicas en productores de acuicultura usando técnicas de microscopía electrónica (TEM, SEM, STEM-EDS). 2. Establecer métodos de preparación de muestra sin impacto en el tamaño de los nanomateriales en agua y productos de acuicultura permitiendo su posterior detección y caracterización. 3. Diseño y fabricación de los sensores portátiles basados en SERS para la monitorización y detección de nanopartículas metálicas en agua de acuicultura.

O uso de nanomateriais como ingredientes ou compoñentes en diferentes produtos de consumo, como pinturas, produtos de coidado persoal, alimentos e cosméticos, aumentou de súpeto nos últimos anos. O ciclo de vida destes nanomateriais considera a posibilidade de que sexan liberados en masas de auga como é nas augas mariñas costeiras. Estes materiais poden acumularse non só en sedimentos senón tamén en organismos acuáticos. Isto permítenos estudar nanomateriais dende outra perspectiva, como contaminantes emerxentes no ambiente. Unha das actividades que se poden ver afecta á presenza destes nanomateriais é a acuicultura. En Europa, a acuicultura representa aproximadamente o 20% da produción de peixe e emprega directamente a unhas 85.000 persoas. A acuicultura da Unión Europea é coñecida pola súa alta calidade, a súa sustentabilidade e a súa normativa sobre protección do consumidor. Por este motivo, a análise da biodistribución e bioacumulación destes nanomateriais en produtos acuícolas espertou un grande interese, así como a súa detección en augas onde se crían especies mariñas. Non obstante, unha das limitacións é que actualmente non hai tecnoloxía desenvolvida para iso. Así, os esforzos están dirixidos ao deseño de metodoloxías para a visualización de nanomateriais en tecidos para comprender a súa asociación con eles así como a súa acumulación. En segundo lugar, ao desenvolvemento de sensores portátiles é importante, xa que permitiría un seguimento descentralizado e unha implantación rápida de medidas de mitigación e xestión de riscos. Non obstante, xorden dous retos importantes para a implementación destes sensores portátiles: (1) a súa miniaturización e (2) a interferencia da matriz que compromete a robustez, a selectividade e a sensibilidade do método. Por iso, é necesario desenvolver métodos de preparación de mostras para reducir a interferencia de matriz presente en mostras reais, reducir a falta de especificidade e ruido e aumentar a robustez destes sensores. Así, os principais obxectivos a desenvolver durante o doutoramento son: 1. Avaliación da bioacumulación e biodistribución de nanopartículas metálicas en produtores acuícolas mediante técnicas de microscopía electrónica (TEM, SEM, STEM-EDS). 2. Establecer métodos de preparación de mostras sen impacto no tamaño dos nanomateriais en produtos de auga e acuicultura permitindo a súa detección e caracterización más tarde. 3. Deseño e fabricación de sensores portátiles baseados en SERS para o seguimento e detección de nanomateriais en auga.