Neuer Durchbruch für Umwelt- und Gesundheitsforschung
Plastikverschmutzung ist eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit – und betrifft längst nicht mehr nur sichtbar herumliegende Plastikabfälle oder Mikroplastikpartikel. Unsichtbare Nanoplastikpartikel dringen mittlerweile in Wasser, Böden und sogar in Organismen ein. Forschende der Universität Stuttgart haben nun ein Verfahren entwickelt, das diese winzigen Partikel schnell, kostengünstig und vor allem vor Ort nachweisen kann.
Das neuartige „optische Sieb“, das gemeinsam mit der University of Melbourne entwickelt wurde, funktioniert ähnlich wie ein Teststreifen: Unter einem gewöhnlichen optischen Mikroskop werden Nanoplastikpartikel durch Farbveränderungen sichtbar. Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Arbeit wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Farbumschlag statt teures Speziallabor
Bisher war der Nachweis von Nanoplastik aufwendig: Rasterelektronenmikroskope, speziell geschultes Personal und lange Analysezeiten machten die Untersuchungen kostspielig. Das neue Verfahren hingegen benötigt nur ein optisches Mikroskop und den neu entwickelten Teststreifen. „Unser Ziel ist es, die Analyse so einfach zu machen wie einen Schnelltest“, erklärt Prof. Harald Giessen, Leiter des 4. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart.
Künftig könnte das Verfahren nicht nur in Laboren, sondern auch direkt vor Ort in Gewässern oder Kläranlagen eingesetzt werden – und sogar in der medizinischen Forschung, etwa für den Nachweis von Nanoplastik im Blut oder Gewebe.
Wie das optische Sieb funktioniert
Das „optische Sieb“ basiert auf winzigen Vertiefungen, sogenannten Mie Voids, die in einem Halbleitermaterial präzise eingearbeitet werden. Diese Löcher reagieren auf einfallendes Licht mit charakteristischen Resonanzeffekten, die sich als Farbveränderungen zeigen. Fällt ein Partikel in eine Vertiefung, ändert sich die Farbe deutlich.
„So können wir direkt sehen, ob eine Vertiefung gefüllt ist“, erläutert Dominik Ludescher, Doktorand und Erstautor der Studie. „Und wenn wir Vertiefungen unterschiedlicher Größen kombinieren, können wir gleichzeitig die Größe, Anzahl und Größenverteilung der Partikel bestimmen.“
Realitätsnahe Tests mit synthetischen Proben
Um das Verfahren zu überprüfen, nutzten die Forschenden Wasserproben, die sie gezielt mit Nanoplastikpartikeln bekannter Größe und Konzentration versetzten. Selbst bei komplexen Proben mit Sand und organischem Material konnten sie die Partikel zuverlässig detektieren und auswerten.
„Dass unser Verfahren auch in so realistischen Proben funktioniert, ist ein wichtiger Schritt in Richtung Praxiseinsatz“, betont Dr. Mario Hentschel, Leiter des Mikrostrukturlabors am 4. Physikalischen Institut.
Potenzial für Umweltmonitoring und Medizin
Die Vision des Forschungsteams geht weit über den Laborversuch hinaus: Ein künftiger mobiler Teststreifen könnte Behörden, Wissenschaftlerinnen und Bürgerinnen ermöglichen, Nanoplastikbelastungen direkt vor Ort zu messen. Das könnte ein entscheidender Fortschritt für die Überwachung von Flüssen, Seen und Trinkwasser sein.
Darüber hinaus könnte die Methode für die Medizin von großer Bedeutung werden: Mit ihr ließe sich erforschen, wie Nanoplastikpartikel im menschlichen Körper wirken, in welchen Geweben sie sich ablagern und welche gesundheitlichen Risiken daraus entstehen.
Nächste Schritte der Forschung
Das Stuttgarter Team plant nun, das Verfahren weiterzuentwickeln, um auch nicht-kugelförmige Partikel und unterschiedliche Kunststoffarten zu unterscheiden. Zudem sollen Kooperationen mit Arbeitsgruppen aufgebaut werden, die reale Umweltproben systematisch aufbereiten können.
„Unsere Forschung zeigt, dass wir dem unsichtbaren Problem Nanoplastik einen Schritt voraus sein können – mit einem Werkzeug, das einfach, robust und überall einsetzbar ist“, fasst Prof. Giessen zusammen.