Nanokunststoffpartikel entstehen durch den Zerfall größerer Kunststoffteilchen. Sie können die Umwelt belasten und eventuell auch eine Gefahr für die Gesundheit darstellen. Denn diese Teilchen im Submikrometerbereich können organische Barrieren wie die Haut oder die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Aufgrund der geringen Partikelgröße stellt insbesondere ihre Detektion eine Herausforderung dar. So gibt es nicht nur Lücken im Verständnis darüber, wie sich die Partikel auf Organismen auswirken, sondern es fehlen auch rasche und verlässliche Nachweisverfahren. Forschende der Universität Stuttgart haben in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe aus Melbourne in Australien ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sich Nanokunststoffpartikel recht schnell detektieren lassen. Farbumschläge auf einem speziellen Teststreifen machen Nanokunststoffpartikel unter dem Lichtmikroskop sichtbar und machen es möglich, die Partikelanzahl zu zählen und ihre Größe zu bestimmen. "Perspektivisch kann der Teststreifen als einfaches Analysewerkzeug in der Umwelt- und Gesundheitsforschung dienen", erklärt Prof. Dr. Harald Giessen, Leiter des 4. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart. "Für die nähere Zukunft arbeiten wir darauf hin, Nanoplastik-Konzentrationen unmittelbar vor Ort zu analysieren. Aber auch Blut oder Gewebe könnte man mit unserem neuen Verfahren auf Nanoplastikpartikel untersuchen lassen."

Dr. Mario Hentschel, Leiter des Mikrostrukturlabors am 4. Physikalischen Institut, zum entwickelten Verfahren: "Im Vergleich zu herkömmlichen, verbreiteten Methoden wie der Rasterelektronenmikroskopie ist das neue Verfahren wesentlich günstiger, erfordert kein Fachpersonal für die Bedienung und reduziert die notwendige Zeit für eine ausführliche Analyse."

Prinzip: Optisches Sieb

Das "optische Sieb" nutzt Resonanzeffekte in kleinen Löchern, um Nanokunststoffpartikel sichtbar zu machen. Eine Studie zu optischen Effekten in solchen Löchern hat die Forschungsgruppe der Universität Stuttgart erstmals 2023 veröffentlicht. Das Verfahren basiert auf winzigen Vertiefungen, sogenannten Mie Voids, die in einem Halbleiter hergestellt werden. Deren Wechselwirkung mit dem einfallenden Licht ist in Abhängigkeit von deren Durchmesser und Tiefe charakteristisch. Dies führt zu einer eindeutigen Farbwirkung, die mit Hilfe eines optischen Mikroskops zu erkennen ist. "Fällt" nun ein Partikel in eine der Vertiefungen, so kommt es zu einer deutlichen Veränderung der Farbe. Aus der Farbe kann somit gefolgert werden, ob ein Partikel vorhanden ist oder nicht.

"Der Teststreifen funktioniert also wie ein klassisches Sieb", erklärt Dominik Ludescher, Doktorand und Erstautor der Veröffentlichung im Fachmedium "Nature Photonics". Partikel mit Größen von 0,2 bis 1 Mikrometer können so untersucht werden. "Die Partikel werden mithilfe des Siebs, bei dem die Größe und Tiefe der Löcher den Nanoplastikpartikeln angepasst werden können, aus der Flüssigkeit gefiltert und mittels des Farbumschlags detektiert. Damit können wir feststellen, ob die Vertiefungen gefüllt oder leer sind."

Partikelanzahl, -größe und Größenverteilung bestimmbar

Wenn man das Sieb mit Vertiefungen unterschiedlicher Größen versieht, sammelt sich in jedem Loch immer nur ein Teilchen, das eine passende Größe hat. "Ist ein Partikel zu groß, passt er gar nicht in die Vertiefung und wird beim Reinigungsprozess einfach weggespült", sagt Ludescher. "Ist ein Partikel zu klein, so bleibt er in der Vertiefung nur schlecht haften und wird bei der Reinigung ebenfalls weggespült." Auf diese Weise können die Teststreifen so angepasst werden, dass aus der Farbe die Größe und die Anzahl der Teilchen in einem einzelnen Loch bestimmt werden kann.

Prinzip des optischen Siebs: Nanokunststoffpartikel geraten in Vertiefungen passender Größe. Die dadurch verursachten Farbänderungen können in einer kolorimetrischen Analyse Aufschluss über Größe und Anzahl der Teilchen geben. © Universität Stuttgart / 4. Physikalisches Institut

Die Forschenden nutzten bei ihren Messungen kugelförmige Partikel verschiedener Durchmesser, die in bekannten Konzentrationen in Wasser im Markt erhältlich sind. Da reale Proben aus Gewässern mit bekannten Nanopartikelkonzentrationen bislang nicht verfügbar sind, stellte das Team selbst eine Probe her, um Bedingungen zu erhalten, wie sie in realen Umweltproben vorliegen. Die Forschenden verwendeten eine Wasserprobe aus einem See, die eine Mischung aus Sand und weiteren organischen Bestandteilen enthielt, und gaben kugelförmige Partikel hinzu, deren Menge bekannt war. Die Konzentration der Kunststoffpartikel betrug 150 Mikrogramm pro Milliliter. Auch in dieser Probe ließ sich mit dem "optischen Sieb" die Anzahl und Größenverteilung der Nanokunststoffpartikel bestimmen.

Ausblick

"Auf lange Sicht soll das optische Sieb als einfaches Analysewerkzeug in der Umwelt- und Gesundheitsforschung zum Einsatz kommen. Die Technik hat das Potenzial, als mobiler Teststreifen zu dienen, der dann direkt vor Ort Aussagen über den Gehalt von Nanoplastik in Gewässern oder Böden liefern könnte", erklärt Mario Hentschel. Als Nächstes plant das Team Experimente mit Nanokunststoffpartikeln, die nicht kugelförmig sind. Zudem wollen die Forschenden untersuchen, ob sich mit dem Verfahren Partikel unterschiedlicher Kunststoffe unterscheiden lassen. Auch an einer Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen, die spezifisches Know-how in der Aufbereitung realer Proben aus Gewässern haben, sind die Stuttgarter Forschenden sehr interessiert.

Publikation:
D. Ludescher, L. Wesemann, J. Schwab, J. Karst, S. B. Sulejman, M. Ubl, B. O. Clarke, A. Roberts, H. Giessen & M. Hentschel: Optical sieve for nanoplastic detection, sizing and counting. Nature Photonics 19 (2025). DOI:10.1038/s41566-025-01733-x

Quelle: Universität Stuttgart