Дослідники університету Штутгарта створили «оптичне сито», здатне виявити хвилинні нанопластичні частинки. Функціонування так само, як тестова смуга, ця інновація розроблена для того, щоб забезпечити новий аналітичний інструмент для досліджень навколишнього середовища та охорони здоров’я.
Дослідники з Університету Штутгарта в Німеччині та Університету Мельбурна в Австралії представили простий спосіб проаналізувати дуже маленькі нанопластичні частинки у зразках навколишнього середовища. Підхід покладається на стандартний оптичний мікроскоп та нещодавно розроблену тестову смужку під назвою Оптичне сито. Результати повідомляються в Природні фотоніки.
“Тестова смуга може слугувати простим інструментом аналізу в галузі екологічних та медичних досліджень”, – пояснює професор Харальд Гіссен, керівник 4 -го інституту фізики Університету Штутгарта. “Найближчим часом ми будемо працювати над аналізом нанопластичних концентрацій безпосередньо на місці. Але наш новий метод також може бути використаний для перевірки крові або тканини на нанопластичні частинки”.
Нанопластики як небезпека для людини та навколишнього середовища
Пластикові відходи входять до числа найактуальніших глобальних проблем 21 століття. Він забруднює океани, річки та пляжі, а мікропластики були знайдені у живих організмах. До недавнього часу дослідники в основному вивчали більші фрагменти пластику. Зараз докази вказують на ще більше стосовно загрози: нанопластичні частинки.
Ці частинки набагато менші, ніж ширина людського волосся, утворюються як більші шматочки пластикової руйнування, і не можна побачити неозброєним оком. При розмірах субмікрометра вони також можуть проходити через біологічні бар’єри, включаючи шкіру та гематоенцефалічний бар’єр.
Зміни кольору роблять крихітні частинки видимими
Через розмір дрібних частинок їх виявлення ставить певну проблему. Як результат, в нашому розумінні того, як частинки впливають на організми, існують не лише прогалини, але й відсутність швидких та надійних методів виявлення.
У співпраці з дослідницькою групою з Мельбурна в Австралії дослідники університету Штутгарта тепер розробили новий метод, який може швидко та доступно виявити такі дрібні частинки. Зміни кольорів на спеціальній тестовій смузі роблять нанопластики видимими в оптичному мікроскопі та дозволяють дослідникам підраховувати кількість частинок та визначати їх розмір.
“У порівнянні зі звичайними та широко використовуваними методами, такими як скануюча електронна мікроскопія, новий метод значно дешевше, не вимагає від роботи підготовленого персоналу та скорочує час, необхідний для детального аналізу”, – пояснює доктор Маріо Хентшель, керівник лабораторії мікроструктури в 4 -му фізичному інституті.
Оптичне сито замість дорогого електронного мікроскопа
“Оптичне сито” використовує резонансні ефекти в невеликих отворах, щоб зробити нанопластичні частинки. Дослідження оптичних ефектів у таких отворах вперше було опубліковано дослідницькою групою в Університеті Штутгарта в 2023 році. Процес заснований на крихітних депресіях, відомих як Mie Voids, які врізаються в напівпровідниковий субстрат.
Залежно від їх діаметра та глибини, отвори характерно взаємодіють із падаючою світлом. Це призводить до яскравого кольорового відображення, яке можна побачити в оптичному мікроскопі. Якщо частинка потрапляє в один із відступу, його колір помітно змінюється. Тому можна зробити висновок із мінливого кольору, чи присутня частинка в порожнечі.
“Тестова смуга працює як класичне сито”, – пояснює Домінік Люудесер, докторант та перший автор публікації в “Nature Photonics”. Таким чином, частинки від 0,2 до 1 мкм можуть бути досліджені без труднощів. “Частинки фільтрують з рідини за допомогою сито, в якому розмір і глибина отворів можуть бути адаптовані до нанопластичних частинок, а згодом і отримана зміна кольору може бути виявлена. Це дозволяє нам визначати, чи заповнені або порожні порожнечі”.
Можна визначити число, розмір та розподіл розмірів частинок
Новий метод виявлення може зробити ще більше. Якщо сито забезпечено порожнечами різних розмірів, в кожному отворі збирається лише одна частинка відповідного розміру.
“Якщо частинка занадто велика, вона не вписується в порожнечу і буде просто відмиватися під час процесу очищення”, – каже Лудесер. “Якщо частинка занадто мала, вона буде погано дотримуватися свердловини і буде змита під час очищення”. Таким чином, тестові смужки можуть бути адаптовані, щоб розмір та кількість частинок у кожному окремому отворі можна було визначити з відбитого кольору.
Синтезовані досліджувані зразки навколишнього середовища
Для своїх вимірювань дослідники використовували сферичні частинки різних діаметрів. Вони доступні у водних розчинах із специфічними наночастинками. Оскільки справжні зразки з водойм з відомими концентраціями наночастинок ще не доступні, команда сама створила відповідний зразок.
Дослідники використовували зразок води з озера, який містив суміш піску та інших органічних компонентів та додала сферичні частинки у відомих кількостях. Концентрація пластичних частинок становила 150 мкг/мл. Розподіл кількості та розміру нанопластичних частинок також визначали для цього зразка за допомогою “оптичного сито”.
Можна використовувати як тестова смуга
“У довгостроковій перспективі оптичне сито буде використовуватися як простий інструмент аналізу в дослідженні навколишнього середовища та охорони здоров’я. Технологія може слугувати мобільною тестовою смугою, яка б надала інформацію про зміст нанопластиків у воді або ґрунті безпосередньо на місці”, – пояснює Гентшель.
Зараз команда планує експерименти з нанопластичними частинками, які не є сферичними. Дослідники також планують дослідити, чи можна використовувати процес для розмежування частинок різних пластмас. Вони також особливо зацікавлені у співпраці з дослідницькими групами, які мають конкретний досвід у обробці реальних зразків з водойм.
Довідка: “Оптичне сито для нанопластичного виявлення, розміру та підрахунку” Д. Лудесер, Л. Весеманн, Дж. Шваб, Дж. Карст, С.Б. Сулеман, М. Убл, Бо Кларк, А. Робертс, Х. Гіссен та М. Гентшель, 8 вересня 2025, Природні фотоніки.
Doi: 10.1038/s41566-025-01733-x
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
