10 Minute
Bandă de test optică face vizibile nanoplasticele invizibile
Particule nanoplastice făcute vizibile: noul test de tip bandă dezvoltat la Universitatea din Stuttgart permite detectarea particulelor nanoplastice periculoase cu ajutorul unui microscop optic obișnuit. Credit: University of Stuttgart / 4th Physics Institute
Cercetătorii de la Universitatea din Stuttgart, în colaborare cu University of Melbourne, au creat o bandă optică ieftină — o adevărată "sită optică" — care scoate la iveală particulele nanoplastice folosind un microscop optic standard. Tehnica, prezentată în Nature Photonics, folosește orificii microscopice proiectate într-un substrat semiconductor care își schimbă culoarea atunci când o particulă rămâne blocată în ele, permițând astfel detectarea vizuală, numărarea și estimarea dimensiunii particulelor până la scale submicrometrice. Această soluție adaugă simplitate și scalabilitate în arsenalul instrumentelor pentru monitorizarea poluării cu plastice la scară foarte mică.
Cum funcționează sita optică
Sita optică valorifică efecte optice rezonante care apar în depresiuni minuscule denumite "Mie voids" sau goluri Mie. Fiecare depresiune reflectă o culoare puternică, caracteristică în funcție de diametru și adâncime; atunci când o particulă nanoplastică pătrunde în gol, proprietățile de reflectare se modifică și culoarea percepută se deplasează. Prin modelarea unor matrici de goluri cu dimensiuni diferite pe aceeași bandă, dispozitivul funcționează ca o sită: particulele cu dimensiuni corespunzătoare sunt în mod preferențial reținute în orificiile potrivite, generând o hartă de culori care indică prezența, numărul și distribuția aproximativă a mărimilor particulelor din probă.
Principiul se bazează pe rezonanțele Mie, fenomene electromagnetice care apar când particule sau cavități de dimensiuni comparabile cu lungimea de undă a luminii interacționează cu câmpurile electromagnetice. În cazul golurilor Mie din substratul semiconductor, geometria exactă (diametrul, adâncimea, profilul laterale) determină modul în care lumina incidentă este scurtcircuitată sau amplificată local, producând culori cu contrast ridicat. Acest contrast face posibilă detectarea particulelor chiar și atunci când masele totale sunt foarte mici, deoarece o singură particulă poate altera semnificativ răspunsul optic al unui gol.
Proiectarea matricelor permite folosirea unor strategii de calibrare: zonele cu goluri mici captează particule submicrometrice, iar golurile mai mari rețin particule ușor mai mari — astfel banda oferă simultan funcții de separare dimensională și de detecție vizuală. În practică, citirea se face cu un microscop optic standard, eventual asistat de un smartphone sau o cameră digitală pentru automatizarea numărului și a cuantificării culorilor, facilitând astfel analize rapide în laborator sau în teren.
Particulele nanoplastice cad în orificiile de dimensiune potrivită din banda de test. Culoarea orificiilor se schimbă. Noua nuanță oferă informații despre dimensiunea și numărul particulelor. Credit: University of Stuttgart / 4th Physics Institute
Avantaje şi validare experimentală
În comparație cu microscopul electronic de scanare (SEM), această abordare este mult mai ieftină, mai rapidă și mai ușor de utilizat, reducând dependența de instrumente și personal specializat. Echipa a efectuat teste de laborator în care a adăugat cantități cunoscute de nanoparticule sferice în apă de lac care conținea nisip și materie organică, apoi a folosit sita optică pentru a măsura concentrația probei (150 µg/ml) și a determina distribuția de mărimi. Rezultatele au arătat o corelație bună între numărul de găuri colorate şi cantitatea de particule introdusă, demonstrând utilitatea metodei pentru probe complexe, ce imită mediul real.
Pe lângă simplificarea operațiilor experimentale, metoda permite procesare paralelă: benzile pot fi produse în serie pe discuri sau foi semiconductoare, iar citirea se poate automatiza ușor cu algoritmi de procesare a imaginii. Echipele au comparat datele obținute cu sita optică cu măsurători standard efectuate prin microscopie electronică şi spectrometrie și au observat că, pentru anumite intervale de dimensiune, acuratețea contează suficient pentru multe aplicații de monitorizare și screening. Metoda excelează în detectarea rapidă a prezenței nanoplasticelor şi în furnizarea unei estimări dimensionale primare, de mare valoare pentru studii ecologice preliminare și pentru screeningul tip „triage”.
Intervalul de detecție și limitările actuale
Demonstrările curente rezolvă în mod fiabil particule cu diametre de aproximativ 0,2–1 µm. Acest interval acoperă o parte semnificativă a definiției „nanoplastic”, în special pentru fragmente create prin degradare avansată, dar nu include în mod robust particule mai mici de ~200 nm. Există provocări specifice atunci când se trece sub această limită, deoarece efectele de dispersie și interacțiunea cu substratul devin mai complexe, iar modificarea culorii reflectate scade în intensitate.
Cercetătorii intenționează să extindă capabilitățile prin optimizarea geometriei golurilor, utilizarea unor materiale cu indice de refracție diferit și introducerea unor stratificări multilayer care pot amplifica răspunsul pentru particule mai mici. De asemenea, sunt planificate studii pentru particule non-sferice, care pot avea o orientare preferențială în goluri și pot produce răspunsuri optice mai variate. O altă direcție este diferențierea tipurilor de polimeri — momentan banda indică prezența și dimensiunea, dar nu identifică chimic polimerul (de exemplu, polietilenă versus polipropilenă). Combinații cu tratamente chimice selective sau cu metode spectroscopice ar putea adăuga acest nivel de discriminare.
Validarea pe probe de mediu reale, care conțin amestecuri naturale complexe de nanoplastice, materie organică, ioni și particule minerale, este esențială pentru a demonstra robustețea metodei. În astfel de medii, particulele pot aglomera, pot adera la bioparticule sau pot fi învelite de filme organice, aspecte care pot modifica comportamentul lor de captare în goluri și, implicit, semnalul optic. Implementarea unor proceduri standard de pregătire a probelor (filtrare, dispersare, pre-tratament chimic ușor) va fi importantă pentru obținerea de rezultate replicabile.
Implicații pentru monitorizarea mediului și sănătate
Nanoplasticele reprezintă o preocupare în creștere deoarece dimensiunile sub-micrometrice le permit să traverseze bariere biologice, având potențialul de a ajunge în țesuturi și organe. Expunerea cronică sau acută, în funcție de concentrație și chimia particulelor, poate avea efecte toxice directe sau indirecte — de exemplu, prin transportul contaminanților adsorbiți sau perturbarea funcțiilor celulare. De aceea, instrumentele care permit detectarea rapidă și răspândită a nanoplasticelor devin esențiale atât pentru cercetare toxicologică, cât și pentru programele de monitorizare a calității apei și a solului.
O sită optică ieftină și portabilă ar permite screening on-site al apei potabile, apelor uzate, cursurilor de apă sau al eșantioanelor biologice (de exemplu, probe de sânge sau fluide biologice în studiile de expunere), accelerând sondarea zonelor suspecte și ghidând decizii asupra analizelor mai detaliate care necesită laborator. De exemplu, o municipalitate ar putea folosi un astfel de test pentru a detecta rapid schimbări neobișnuite în concentrațiile de particule după un eveniment industrial sau după ploi torențiale care scot la suprafață contaminanți, declanșând investigații suplimentare atunci când se observă un semnal îngrijorător.
În toxicologie, accesul la date despre distribuția mărimilor nanoplastice este relevant deoarece interacțiunile biologice și capacitatea de penetrare a membranelor depind puternic de dimensiune și formă. Astfel, sită optică poate furniza date utile pentru proiectarea studiilor de expunere, pentru estimarea dozelor efective și pentru prioritizarea probelor care trebuie analizate cu tehnici chimice sau microscopice avansate.
Aspecte practice: pregătirea probelor și citirea rezultatelor
Pentru utilizarea eficientă a benzii optice, pașii practici includ colectarea probei (apă, suspensie de sol, biofluid), o etapă de pre-tratare pentru a elimina materialul foarte grosier (de exemplu, filtrare grossieră) și, dacă este necesar, o etapă de concentrare ușoară (centrifugare sau filtrare), pentru a aduce concentrațiile în intervalul optim de citire. Echipa a demonstrat rezultate bune cu probe de apă de lac contaminate cu nisip și materie organică fără pre-tratamente complexe, ceea ce sugerează o largă aplicabilitate în contexte de teren, dar standardizarea pasilor de pregătire va îmbunătăți comparabilitatea rezultatelor între laboratoare.
Citirea se poate face vizual: o simplă observație la microscop arată golurile care și-au schimbat culoarea. Pentru operare sistematică, recomandabilă la scară, se pot folosi imagini digitale și algoritmi de procesare care: (1) identifică pozițiile găurilor; (2) clasifică culorile în intervale calibrate; (3) calculează densitatea particulelor pentru fiecare mărime. Acest flux permite transformarea unei imagini în date cuantificate, utile pentru raportare, arhivare și analiză statistică.
Concluzie
Sita optică reprezintă un instrument promițător și scalabil pentru detectarea nanoplasticelor, care completează metodele existente de microscopie și analiză chimică. Prin combinația între costuri reduse, ușurință de utilizare și posibilitatea de a oferi rezultate rapide privind prezența și distribuția mărimilor particulelor, banda poate deveni un test de primă linie pentru cercetători și programe de monitorizare. Cu validare extinsă pe probe reale, îmbunătățiri pentru discriminarea materialelor polimerice și adaptări pentru intervale mai mici de dimensiuni, această tehnologie are potențialul să transforme felul în care supraveghem poluarea cu micro- și nanoplastice la scară largă.
Pe termen mediu, integrarea cu instrumente portabile de imagistică, dezvoltarea unor protocoale standardizate de probe și colaborarea cu agenții de mediu ar putea accelera adoptarea acestei tehnologii în programe de monitorizare operaționale. În plus, dacă producția poate fi optimizată pentru costuri foarte mici, benzile ar putea fi utilizate în proiecte citizen science, implicând comunități locale în colectarea de date despre poluarea cu nanoplastice — un pas important pentru conștientizarea și abordarea acestei probleme globale.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu