Mikroplaster är små, knappt synliga plastpartiklar som kan skada miljön, till exempel om de äts av djur. Det har dock varit svårt att bedöma effekten av ännu mindre partiklar, som knappast går att upptäcka med konventionella metoder – plastpartiklar med en diameter på mindre än en mikrometer brukar kallas "nanoplast". Sådana små partiklar kan till och med absorberas i levande celler.
Forskare vid TU Wien (Wien) har nu lyckats utveckla en mätmetod som kan upptäcka enskilda nanoplastpartiklar i storleksordningar snabbare än tidigare tekniker. Dessa resultat har publicerats i tidskriften Scientific Reports . Den nya metoden har potential att bli grunden för nya mätinstrument för miljöanalys.
"Vi använder en fysikalisk princip som också ofta har använts i kemisk analys, nämligen Raman-spridning", förklarar Sarah Skoff, gruppledare för forskargruppen Solid State Quantum Optics and Nanophotonics vid TU Wien. I denna process belyses molekyler med en laserstråle, vilket får dem att vibrera. En del av laserljusets energi omvandlas alltså till vibrationsenergi, medan resten av energin återutsänds i form av ljus.
Genom att mäta detta ljus och jämföra dess energi med laserljuset som ursprungligen sänds ut, bestäms molekylens vibrationsenergi – och eftersom olika molekyler vibrerar på olika sätt är det möjligt att ta reda på vilken molekyl det är.
"Vanlig Raman-spektroskopi skulle dock inte vara lämplig för att detektera de minsta nanoplasterna", säger Skoff. "Det skulle vara alldeles för okänsligt och ta alldeles för lång tid." Forskargruppen var därför tvungen att söka efter fysiska effekter som avsevärt kunde förbättra denna teknik.
Knepet med guldnätet
För att göra detta anpassade de en metod som redan har använts i liknande form för att upptäcka biomolekyler. Provet läggs på ett extremt fint rutnät av guld. De enskilda guldtrådarna är bara 40 nanometer tjocka och cirka 60 nanometer från varandra. "Det här metallnätet fungerar som en antenn", säger Skoff. "Laserljuset förstärks vid vissa punkter — så det är en mycket mer intensiv interaktion med molekylerna där. Det finns också en interaktion mellan molekylen och elektronerna i metallgittret, vilket säkerställer att ljussignalen från molekylerna är dessutom förstärkt."
I vanlig Ramanspektroskopi bryts normalt ljuset som sedan sänds ut av molekylerna ner i alla dess våglängder för att identifiera vilken molekyl det är. TU Wien-teamet kunde dock visa att tekniken också kan förenklas. "Vi vet vilka de karakteristiska våglängderna för nanoplastpartiklarna är, och därför letar vi mycket specifikt efter signaler vid just dessa våglängder", förklarar Skoff.
"Vi kunde visa att detta kan förbättra mäthastigheten med flera storleksordningar. Tidigare var man tvungen att mäta i 10 sekunder för att få en enda pixel av bilden du letade efter – hos oss tar det bara några millisekunder ." Experiment med polystyren (styroskum) visade att även vid denna mycket höga hastighet kan nanoplastpartiklarna detekteras tillförlitligt, även vid extremt låga koncentrationer. Till skillnad från andra metoder tillåter denna teknik till och med detektering av enskilda partiklar.
Forskargruppen vill nu undersöka de potentiella tillämpningarna av den nya tekniken mer i detalj, till exempel hur den kan användas för att detektera nanoplast i miljörelevanta och biologiska prover, som blod.
– Nu har vi i alla fall kunnat visa att den fysiska grundprincipen fungerar, säger Skoff. "Det här lägger i princip grunden för utvecklingen av nya mätinstrument som i framtiden kan användas för att undersöka prover direkt i naturen utanför laboratoriet."
Mer information: Ambika Shorny et al, Avbildning och identifiering av enskilda nanoplastiska partiklar och agglomerat, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-37290-y
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
