Nanoplastics in de lucht detecteren

Grote stukken plastic kunnen uiteenvallen in nanodeeltjes die vaak in de bodem en in het water terechtkomen. Misschien minder bekend is dat ze ook in de lucht kunnen zweven. Het is onduidelijk hoe nanoplastics de menselijke gezondheid beïnvloeden, maar dierstudies suggereren dat ze mogelijk schadelijk zijn. Om de prevalentie van nanoplastics in de lucht beter te begrijpen, hebben onderzoekers een sensor ontwikkeld die deze deeltjes detecteert en de soorten, hoeveelheden en afmetingen van de plastics bepaalt met behulp van kleurrijke koolstofdotfilms.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

“Nanoplastics zijn een groot probleem als ze in de lucht zitten die je inademt, in je longen terechtkomen en mogelijk gezondheidsproblemen veroorzaken”, zegt Raz Jelinek, Ph.D., de hoofdonderzoeker van het project. “Een eenvoudige, goedkope detector zoals de onze kan enorme implicaties hebben en op een dag mensen waarschuwen voor de aanwezigheid van nanoplastics in de lucht, zodat ze actie kunnen ondernemen.”

Jaarlijks worden er miljoenen tonnen plastic geproduceerd en weggegooid. Sommige plastic materialen eroderen langzaam terwijl ze worden gebruikt of nadat ze zijn weggegooid, waardoor de omgeving wordt verontreinigd met deeltjes van micro- en nanogrootte. Nanoplastics zijn zo klein – over het algemeen minder dan 1 µm breed – en licht dat ze zelfs in de lucht kunnen zweven, waar mensen ze vervolgens onbewust kunnen inademen. Dierstudies suggereren dat het inslikken en inademen van deze nanodeeltjes schadelijke effecten kan hebben. Daarom zou het nuttig kunnen zijn om de niveaus van luchtvervuiling door nanoplastics in het milieu te kennen.

Eerder ontwikkelde het onderzoeksteam van Jelinek aan de Ben-Gurion Universiteit van de Negev een elektronische neus of “e-nose” voor het bewaken van de aanwezigheid van bacteriën door de unieke combinatie van gasdampmoleculen die ze afgeven te adsorberen en te voelen. De onderzoekers wilden zien of dezelfde op koolstof-dot gebaseerde technologie kan worden aangepast om een ​​gevoelige nanoplastische sensor te creëren voor continue omgevingsmonitoring.

Koolstofstippen ontstaan ​​als een uitgangsmateriaal dat veel koolstof bevat, zoals suiker of ander organisch materiaal, enkele uren op een matige temperatuur wordt verhit, zegt Jelinek. Dit proces kan zelfs worden gedaan met behulp van een conventionele magnetron. Tijdens het verhitten ontwikkelt het koolstofhoudende materiaal zich tot kleurrijke en vaak fluorescerende deeltjes van nanometergrootte die ‘koolstofstippen’ worden genoemd. En door het uitgangsmateriaal te veranderen, kunnen de koolstofstippen verschillende oppervlakte-eigenschappen hebben die verschillende moleculen kunnen aantrekken.

Om de bacteriële e-nose te maken, verspreidde het team dunne lagen van verschillende koolstofstippen op kleine elektroden, elk ter grootte van een vingernagel. Ze gebruikten in elkaar grijpende elektroden, die aan twee kanten een kamvormige structuur hebben. Tussen de twee zijden ontwikkelt zich een elektrisch veld en de opgeslagen lading wordt capaciteit genoemd. “Als er iets gebeurt met de koolstofstippen – of ze adsorberen gasmoleculen of nanoplastics – dan is er een verandering in capaciteit, die we gemakkelijk kunnen meten”, zegt Jelinek.

Vervolgens testten de onderzoekers een proof-of-concept-sensor voor nanoplastics in de lucht, waarbij ze koolstofstippen kozen die veelvoorkomende soorten plastic zouden adsorberen – polystyreen, polypropyleen en poly (methylmethacrylaat). In experimenten werden plastic deeltjes op nanoschaal verneveld, waardoor ze in de lucht zweefden. En toen elektroden bedekt met koolstof-dot-films werden blootgesteld aan de nanoplastics in de lucht, observeerde het team signalen die voor elk type materiaal anders waren, zegt Jelinek. Omdat het aantal nanoplastics in de lucht de intensiteit van het gegenereerde signaal beïnvloedt, voegt Jelinek eraan toe dat de sensor momenteel de hoeveelheid deeltjes van een bepaald plastictype boven of onder een vooraf bepaalde concentratiedrempel kan rapporteren. Bovendien, toen polystyreendeeltjes in drie maten – 100 nm breed, 200 nm breed en 300 nm breed – werden verneveld, was de signaalintensiteit van de sensor direct gerelateerd aan de grootte van de deeltjes.

De volgende stap van het team is om te kijken of hun systeem de soorten plastic in mengsels van nanodeeltjes kan onderscheiden. Net zoals de combinatie van koolstofstipfilms in de bacteriële e-neus onderscheid maakte tussen gassen met verschillende polariteiten, zegt Jelinek dat het waarschijnlijk is dat ze de nanoplastische sensor zouden kunnen aanpassen om onderscheid te maken tussen extra soorten en maten nanoplastics. De mogelijkheid om verschillende kunststoffen te detecteren op basis van hun oppervlakte-eigenschappen, zou nanoplastic-sensoren nuttig maken voor het volgen van deze deeltjes in scholen, kantoorgebouwen, huizen en buitenshuis, zegt hij.