Nanoplastics detecteren in fracties van een seconde met gemodificeerde Raman-spectroscopie

Microplastics zijn kleine, nauwelijks zichtbare plastic deeltjes die schadelijk kunnen zijn voor het milieu, bijvoorbeeld als ze door dieren worden opgegeten. Het was echter moeilijk om het effect te beoordelen van nog kleinere deeltjes, die met conventionele methoden nauwelijks kunnen worden gedetecteerd – plastic deeltjes met een diameter van minder dan een micrometer, gewoonlijk “nanoplastics” genoemd. Zulke kleine deeltjes kunnen zelfs in levende cellen worden opgenomen.

Wetenschappers van TU Wien (Wenen) zijn er nu in geslaagd een meetmethode te ontwikkelen die individuele nanoplastic deeltjes veel sneller kan detecteren dan eerdere technieken. Deze resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten. De nieuwe methode heeft het potentieel om de basis te worden voor nieuwe meetinstrumenten voor omgevingsanalyse.

Moleculen detecteren op golflengte

“We gebruiken een fysisch principe dat ook vaak is gebruikt in chemische analyse, namelijk Raman-verstrooiing”, legt Sarah Skoff uit, groepsleider van de onderzoeksgroep 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 laserlicht dat oorspronkelijk werd uitgezonden, 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 zou echter niet geschikt zijn om de kleinste nanoplastics te detecteren”, zegt Skoff. “Het zou veel te ongevoelig zijn en veel te lang duren.” 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 op een uiterst fijn rooster van goud gelegd. De afzonderlijke gouden draden zijn slechts 40 nanometer dik en ongeveer 60 nanometer uit elkaar. “Dit metalen rooster werkt als een antenne”, zegt Skoff. “Het laserlicht wordt op bepaalde punten versterkt, dus er is een veel intensere interactie met de moleculen daar. Er is ook een interactie tussen het molecuul 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 welk molecuul het is. 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 10 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 milieurelevante en biologische monsters, zoals bloed.

“We hebben nu in ieder geval kunnen aantonen dat het fysieke basisprincipe werkt”, zegt 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.”