Kleine plastic deeltjes zijn een milieuprobleem. Ze kunnen zelfs levende cellen binnendringen. Aan de TU Wien is nu een methode ontwikkeld om dergelijke deeltjes snel en met hoge gevoeligheid te detecteren.
Dat microplastics een probleem vormen is algemeen bekend: het zijn minuscule, nauwelijks zichtbare plastic deeltjes die schadelijk kunnen zijn voor het milieu, bijvoorbeeld als ze door dieren worden opgegeten. Het is echter moeilijk om het effect van nog kleinere deeltjes te beoordelen, die met conventionele methoden nauwelijks kunnen worden gevonden: plastic deeltjes met een diameter van minder dan één micrometer, ook wel “nanoplastics” genoemd. Zulke kleine deeltjes kunnen zelfs door levende cellen worden opgenomen.
TU Wien (Wenen) is er nu in geslaagd een meetmethode te ontwikkelen die zelfs individuele nanoplastic deeltjes kan detecteren – sneller dan eerdere technieken. Deze resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports. De nieuwe methode heeft nu het potentieel om de basis te worden voor nieuwe meetinstrumenten voor omgevingsanalyse.
Moleculen detecteren op golflengte.
“We gebruiken een natuurkundig principe dat ook vaak gebruikt wordt bij chemische analyse, namelijk Raman-verstrooiing”, legt Sarah Skoff uit. Sarah is groepsleider van “Solid State Quantum Optics and Nanophotonics” aan de TU Wien. Hierbij worden moleculen belicht met een laserstraal, waardoor ze gaan trillen. Een deel van de energie van het laserlicht wordt zo omgezet in trillingsenergie, terwijl de rest van de energie weer wordt uitgestraald in de vorm van licht.
Door dit licht te meten en de energie ervan te vergelijken met het oorspronkelijk uitgezonden laserlicht, wordt de trillingsenergie van het molecuul bepaald – en omdat verschillende moleculen op verschillende manieren trillen, is het mogelijk om erachter te komen welk molecuul het is.
“Gewone Raman-spectroscopie is niet geschikt om de kleinste nanoplastics te detecteren”, zegt Sarah Skoff. “Het is veel te ongevoelig en duurt veel te lang.” Het onderzoeksteam moest dus op zoek naar fysieke effecten die deze techniek significant konden verbeteren.
De truc met het gouden rooster.
Om dit te doen, pasten ze een methode aan die al in een vergelijkbare vorm werd gebruikt om biomoleculen te detecteren. Het monster wordt daarbij op een uiterst fijn rooster van goud gelegd. De afzonderlijke gouden draden zijn slechts 40 nanometer dik en liggen ongeveer 60 nanometer uit elkaar. “Dit metalen rooster werkt als een antenne”, zegt Sarah Skoff. “Het laserlicht wordt op bepaalde punten versterkt – dus daar is er een veel intensere interactie met de moleculen. Er is ook een interactie tussen de moleculen en de elektronen in het metaalrooster, wat ervoor zorgt dat het lichtsignaal van de moleculen extra wordt versterkt.”
Bij gewone Raman-spectroscopie wordt het licht dat vervolgens door de moleculen wordt uitgezonden, normaal gesproken afgebroken in al zijn golflengten om te identificeren over welke molecule het gaat. Het TU Wien-team kon echter aantonen dat de techniek ook vereenvoudigd kan worden: “We weten wat de karakteristieke golflengten van de nanoplastic deeltjes zijn, en dus zoeken we heel specifiek naar signalen op precies deze golflengten”, legt Skoff uit. “We hebben kunnen aantonen dat dit de meetsnelheid met meerdere ordes van grootte kan verbeteren. Voorheen moest je tien seconden meten om een enkele pixel te krijgen van het beeld dat je zocht – bij ons duurt het slechts een paar milliseconden .” Experimenten met polystyreen (piepschuim) toonden aan dat zelfs bij deze zeer hoge snelheid de nanoplastic deeltjes betrouwbaar kunnen worden gedetecteerd – zelfs bij extreem lage concentraties. In tegenstelling tot andere methoden maakt deze techniek zelfs de detectie van individuele deeltjes mogelijk.
De basis voor nieuwe meetapparatuur.
Het onderzoeksteam wil nu de mogelijke toepassingen van de nieuwe techniek nader onderzoeken, bijvoorbeeld hoe deze kan worden gebruikt om nanoplastics te detecteren in milieu relevante en biologische monsters, zoals bloed. “We hebben nu in ieder geval kunnen aantonen dat het fysieke basisprincipe werkt”, zegt Sarah Skoff. “Dit legt in principe de basis voor de ontwikkeling van nieuwe meetapparatuur waarmee in de toekomst monsters direct in de natuur buiten het laboratorium kunnen worden onderzocht.”
Dit onderzoekswerk werd ondersteund door het Oostenrijkse bureau voor onderzoekspromotie (FFG, PhoQus2D) en het Oostenrijkse wetenschapsfonds (FWF, Quantoom).
Vertaling persbericht : Andre Teirlinck