Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Stuttgart und der University of Melbourne in Australien hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, um Nanoplastikpartikel in Umweltproben effizient und kostengünstig nachzuweisen. Dieses Verfahren kombiniert die Verwendung eines herkömmlichen optischen Mikroskops mit einem speziellen Teststreifen, der als „optisches Sieb“ bezeichnet wird. Die Ergebnisse dieser wegweisenden Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht (doi: 10.1038/s41566-025-01733-x).
Laut Professor Harald Giessen, dem Leiter des 4. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart, könnte dieses Testverfahren in naher Zukunft eine bedeutende Rolle in der Umwelt- und Gesundheitsforschung spielen. Es wird angestrebt, mit diesem Verfahren die Konzentration von Nanoplastik direkt vor Ort zu analysieren, was auch die Untersuchung von Blut- oder Gewebeproben auf Nanoplastikpartikel einschließt.
Nanoplastik: Eine unterschätzte Bedrohung für Mensch und Umwelt
Die Problematik des Plastikmülls gehört zu den drängendsten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Plastik verschmutzt nicht nur Gewässer und Landschaften, sondern hat sich auch in biologischen Organismen in Form von Mikroplastik nachgewiesen. Während Umweltforscher lange Zeit vor allem größere Plastikfragmente im Blick hatten, rückt zunehmend die Gefahr von Nanoplastikpartikeln in den Fokus. Diese winzigen Partikel, die deutlich kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares, entstehen durch den Zerfall größerer Kunststoffteile und sind mit bloßem Auge nicht erkennbar. Ihre geringe Größe ermöglicht es ihnen, biologische Barrieren wie die Haut oder die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, was potenzielle gesundheitliche Risiken birgt.
Herausforderungen bei der Detektion von Nanoplastik
Die Erkennung von Nanoplastikpartikeln stellt eine erhebliche Herausforderung dar, da es an zuverlässigen Nachweismethoden fehlt. Dies führt zu Wissenslücken hinsichtlich der Auswirkungen dieser Partikel auf Lebewesen und der Dringlichkeit, effektive Analysemethoden zu entwickeln. Das Forschungsteam der Universität Stuttgart hat nun ein Verfahren vorgestellt, das es ermöglicht, diese kleinen Partikel schnell und kostengünstig zu identifizieren. Durch Farbumschläge auf einem speziellen Teststreifen wird Nanoplastik unter dem Lichtmikroskop sichtbar. Dies ermöglicht die Zählung der Partikel und die Bestimmung ihrer Größe.
Dr. Mario Hentschel, der Leiter des Mikrostrukturlabors, hebt hervor, dass das neue Verfahren im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie der Rasterelektronenmikroskopie deutlich kostengünstiger ist und kein spezialisiertes Fachpersonal zur Bedienung benötigt. Zudem wird die Zeit für eine umfassende Analyse erheblich reduziert.
Funktionsweise des optischen Siebs
Das „optische Sieb“ nutzt Resonanzeffekte in kleinen Vertiefungen, um Nanoplastikpartikel sichtbar zu machen. Diese Vertiefungen, auch Mie Voids genannt, werden in einem Halbleitermaterial erzeugt. Ihre Wechselwirkung mit dem einfallenden Licht führt zu spezifischen Farbänderungen, die unter einem optischen Mikroskop wahrgenommen werden können. Wenn ein Nanoplastikpartikel in eine Vertiefung gelangt, verändert sich die Farbe signifikant, was darauf hinweist, dass ein Partikel vorhanden ist.
Dominik Ludescher, Doktorand und Erstautor der Veröffentlichung, erklärt, dass der Teststreifen wie ein klassisches Sieb funktioniert. Partikel zwischen 0,2 und 1 Mikrometer können somit problemlos untersucht werden. Die Größe und Tiefe der Vertiefungen kann dabei an die spezifischen Eigenschaften der Nanoplastikpartikel angepasst werden.
Potenzial für zukünftige Anwendungen
Die Forschenden verwendeten bei ihren Tests Kugelpartikel mit bekannten Durchmessern, um die Funktionsweise des Verfahrens zu demonstrieren. Da es bisher keine realen Proben mit bekannten Konzentrationen von Nanoplastikpartikeln gibt, stellte das Team eigene Proben her, indem sie eine Wasserprobe aus einem See mit Sand und organischen Bestandteilen anreicherten. Die Ergebnisse zeigten, dass das optische Sieb in der Lage ist, sowohl die Anzahl als auch die Größenverteilung der Nanoplastikpartikel präzise zu bestimmen.
Das langfristige Ziel ist es, das optische Sieb als einfaches Analysewerkzeug in der Umwelt- und Gesundheitsforschung zu nutzen. Die Technik hat das Potenzial, als mobiler Teststreifen eingesetzt
