20 Nov. Nanoplastik einfach nachweisen
Ein Forschungsteam der Universität Stuttgart und der University of Melbourne hat ein Verfahren entwickelt, das winzige Nanoplastikpartikel in Umweltproben sichtbar machen soll. Statt aufwendiger Laboranalytik genügen künftig ein Teststreifen und ein optisches Mikroskop. Die Forschenden nutzen optische Resonanzeffekte in mikroskopischen Vertiefungen in Halbleitermaterial, um Partikel auf der Submikrometerskala nachzuweisen.
Resonanzbasiertes Nachweisprinzip
Das Verfahren beruht auf winzigen Löchern, sogenannten Mie Voids, die in einem Halbleiter erzeugt werden. Je nach Durchmesser und Tiefe wechselwirken diese Löcher charakteristisch mit dem einfallenden Licht. Dies führt zu einer eindeutigen Farbwirkung, die unter einem optischen Mikroskop zu erkennen ist. Fällt ein Partikel in eine der Vertiefungen, ändert sich die Farbe messbar, und es kann gefolgert werden, ob ein Partikel vorhanden ist oder nicht.
Die Empfindlichkeit des Verfahrens reicht für Partikelgrößen zwischen 0,2 und 1 µm. „Der Teststreifen funktioniert wie ein klassisches Sieb“, erläutert Doktorand Dominik Ludescher. Die Partikel würden mithilfe des optischen Siebs, bei dem die Größe und Tiefe der Löcher den Nanoplastikpartikeln angepasst werden könnten, aus der Flüssigkeit gefiltert und mittels des Farbumschlags detektiert. Ludescher: „Damit können wir feststellen, ob die Vertiefungen gefüllt oder leer sind.“
Anzahl, Größe und Größenverteilung
Versieht man das Sieb mit Vertiefungen unterschiedlicher Größen, sammelt sich in jedem Loch immer nur ein Teilchen passender Größe. „Ist ein Partikel zu groß, passt er gar nicht in die Vertiefung und wird beim Reinigungsprozess einfach weggespült“, sagt Ludescher. Zu kleine Partikel blieben in der Vertiefung nur schlecht haften und würden bei der Reinigung ebenfalls entfernt. Auf diese Weise könnten die Teststreifen so angepasst werden, dass sich aus der Farbe die Größe und die Anzahl der Teilchen in einem einzelnen Loch bestimmen ließen.
Bisher erforderte der Nachweis von Nanoplastikpartikeln komplexe und teure Messverfahren wie Rasterelektronenmikroskopie. Das neue Konzept reduziert die Analysezeit erheblich und lässt sich ohne spezielle Ausbildung anwenden. Das optische Sieb könnte künftig als mobiles Analysewerkzeug den Gehalt von Nanoplastik in Gewässern, Böden oder biologischen Geweben direkt vor Ort sichtbar machen.
Nanoplastikpartikel fallen im Teststreifen in Vertiefungen passender Größe. Die Farbe der Vertiefungen ändert sich. Die neue Farbe gibt Aufschluss über Größe und Anzahl der Teilchen. Bild: Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut
Technische Details des optischen Siebs
Das optische Sieb basiert auf einer Halbleiterstruktur mit regelmäßig angeordneten Vertiefungen, den Mie Voids, einer Tiefe von bis zu mehreren Hundert Nanometern. Sie wirken als optische Resonatoren; füllt ein Partikel die Vertiefung teilweise oder vollständig, verschiebt sich die Resonanzwellenlänge, was im Mikroskop als definierte Farbänderung erscheint.
Die Messung erfolgt mit einem Standardlichtmikroskop. Die Streifen lassen sich auf verschiedene Partikelgrößen anpassen, indem die Geometrie der Vertiefungen variiert wird. Damit deckt das Verfahren Partikelgrößen zwischen 0,2 und 1 µm ab.
Im Vergleich zu spektroskopischen oder elektronenmikroskopischen Verfahren ist der Aufbau für diese Methode sehr einfach. Dies reduziert Kosten und erlaubt portable Messgeräte. Perspektivisch könnten Einwegteststreifen entwickelt werden, um in Kombination mit einem kompakten optischen Auswertemodul Nanoplastikbelastungen vor Ort zu messen.
Originalveröffentlichung
[J. Ludescher et al.: Optical Sieve for Nanoplastic Detection, Sizing, and Counting; Nature Photonics, DOI 10.1038/s41566-025-01733-x]
Quelle: www.pi4.uni-stuttgart.de
Bild: Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut