تشخیص نانوپلاستیک با میکروسکوپ معمولی؛ نوار تغییر رنگ، راهکاری مقرون‌به‌صرفه
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک تیم مشترک از دانشگاه اشتوتگارت در آلمان و دانشگاه ملبورن در استرالیا روش جدیدی را برای تجزیه و تحلیل ساده ذرات نانوپلاستیک ریز در نمونه‌های محیطی توسعه داده‌اند. برای این کار فقط به یک میکروسکوپ نوری معمولی و یک نوار تست تازه توسعه یافته - غربال نوری - نیاز است. نتایج این تحقیق اکنون در Nature Photonics منتشر شده است.
پروفسور هارالد گیسن، رئیس چهارمین موسسه فیزیک دانشگاه اشتوتگارت، توضیح می‌دهد: این نوار تست می‌تواند به عنوان یک ابزار تجزیه و تحلیل ساده در تحقیقات زیست‌محیطی و بهداشتی عمل کند. در آینده نزدیک، ما روی تجزیه و تحلیل غلظت نانوپلاستیک‌ها به طور مستقیم در محل کار خواهیم کرد. اما روش جدید ما همچنین می‌تواند برای آزمایش خون یا بافت برای ذرات نانوپلاستیک استفاده شود.
زباله‌های پلاستیکی یکی از مشکلات اصلی و حاد جهانی قرن بیست و یکم است. این زباله‌ها نه تنها اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و سواحل را آلوده می‌کنند، بلکه به شکل میکروپلاستیک‌ها در موجودات زنده نیز شناسایی شده‌اند. تاکنون، دانشمندان محیط زیست توجه خود را بر روی بقایای پلاستیکی بزرگتر متمرکز کرده‌اند.
با این حال، مدتی است که مشخص شده است که خطر بزرگتری ممکن است در افق باشد: ذرات نانوپلاستیک. این ذرات ریز بسیار کوچکتر از موی انسان هستند و از تجزیه ذرات پلاستیکی بزرگتر ایجاد می‌شوند. آنها را نمی‌توان با چشم غیرمسلح دید. این ذرات در محدوده زیر میکرومتر همچنین می‌توانند به راحتی از موانع آلی مانند پوست یا سد خونی-مغزی عبور کنند.
به دلیل اندازه کوچک ذرات، تشخیص آنها چالش خاصی را ایجاد می‌کند. در نتیجه، نه تنها شکاف‌هایی در درک ما از چگونگی تأثیر ذرات بر موجودات زنده وجود دارد، بلکه فقدان روش‌های تشخیص سریع و قابل اعتماد نیز احساس می‌شود.
محققان دانشگاه اشتوتگارت با همکاری یک گروه تحقیقاتی از ملبورن استرالیا، اکنون روش جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند به سرعت و با هزینه کم چنین ذرات کوچکی را تشخیص دهد. تغییرات رنگ روی یک نوار تست ویژه، نانوپلاستیک‌ها را در میکروسکوپ نوری قابل مشاهده می‌کند و به محققان اجازه می‌دهد تعداد ذرات را بشمارند و اندازه آنها را تعیین کنند.
دکتر ماریو هنتشل، رئیس آزمایشگاه ریزساختار در موسسه فیزیک چهارم، توضیح می‌دهد: «در مقایسه با روش‌های مرسوم و پرکاربرد مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی، این روش جدید به طور قابل توجهی ارزان‌تر است، نیازی به پرسنل آموزش‌دیده برای کار ندارد و زمان لازم برای تجزیه و تحلیل دقیق را کاهش می‌دهد.
این «غربال نوری» از اثرات رزونانس در سوراخ‌های کوچک برای قابل مشاهده کردن ذرات نانوپلاستیک استفاده می‌کند. مطالعه‌ای در مورد اثرات نوری در چنین سوراخ‌هایی برای اولین بار توسط گروه تحقیقاتی دانشگاه اشتوتگارت در سال ۲۰۲۳ منتشر شد. این فرآیند بر اساس فرورفتگی‌های کوچکی است که به عنوان حفره‌های Mie شناخته می‌شوند و به یک زیرلایه نیمه‌رسانا لبه‌دار شده‌اند.
بسته به قطر و عمقشان، سوراخ‌ها به طور مشخص با نور تابیده شده برهمکنش می‌کنند. این منجر به بازتاب رنگی روشنی می‌شود که می‌توان آن را با میکروسکوپ نوری مشاهده کرد. اگر ذره‌ای در یکی از فرورفتگی‌ها بیفتد، رنگ آن به طور قابل توجهی تغییر می‌کند؛ بنابراین می‌توان از تغییر رنگ استنباط کرد که آیا ذره‌ای در فضای خالی وجود دارد یا خیر.
دومینیک لودشر، دانشجوی دکترا و نویسنده اول این مقاله، توضیح می‌دهد: «نوار تست مانند یک الک کلاسیک عمل می‌کند.» بنابراین ذراتی با اندازه ۰.۲ تا ۱ میکرومتر را می‌توان بدون مشکل بررسی کرد. ذرات با استفاده از الک از مایع فیلتر می‌شوند. در این الک، اندازه و عمق سوراخ‌ها با ذرات نانوپلاستیک تطبیق داده می‌شود و متعاقباً تغییر رنگ حاصل از آن قابل تشخیص است. این به ما امکان می‌دهد تا پر یا خالی بودن حفره‌ها را تعیین کنیم.
روش تشخیص جدید مورد استفاده می‌تواند حتی کار‌های بیشتری انجام دهد. اگر الک دارای حفره‌هایی با اندازه‌های مختلف باشد، فقط یک ذره با اندازه مناسب در هر سوراخ جمع می‌شود. لودشر می‌گوید: «اگر یک ذره خیلی بزرگ باشد، در فضای خالی جا نمی‌شود و به سادگی در طول فرآیند تمیز کردن از بین می‌رود.
«اگر ذره‌ای خیلی کوچک باشد، به خوبی به سوراخ نمی‌چسبد و هنگام تمیز کردن شسته می‌شود.» به این ترتیب، نوار‌های آزمایش را می‌توان طوری تنظیم کرد که اندازه و تعداد ذرات در هر سوراخ جداگانه از رنگ منعکس شده تعیین شود.
محققان برای اندازه‌گیری‌های خود از ذرات کروی با قطر‌های مختلف استفاده کردند. این ذرات در محلول‌های آبی حاوی نانوذرات خاص موجود هستند. از آنجا که نمونه‌های واقعی از آب‌های دارای غلظت نانوذرات مشخص هنوز در دسترس نیستند، این تیم خود نمونه مناسبی تولید کرد.
محققان از نمونه آب دریاچه‌ای که حاوی مخلوطی از شن و سایر اجزای آلی بود استفاده کردند و ذرات کروی را در مقادیر مشخص به آن اضافه کردند. غلظت ذرات پلاستیکی ۱۵۰ میکروگرم در میلی‌لیتر بود. تعداد و توزیع اندازه ذرات نانوپلاستیک نیز برای این نمونه با استفاده از غربال نوری قابل تعیین بود.
هنتشل توضیح می‌دهد: «در درازمدت، از این غربال نوری به عنوان یک ابزار تجزیه و تحلیل ساده در تحقیقات زیست‌محیطی و بهداشتی استفاده خواهد شد. این فناوری می‌تواند به عنوان یک نوار تست سیار عمل کند که اطلاعاتی در مورد محتوای نانوپلاستیک‌ها در آب یا خاک را مستقیماً در محل ارائه می‌دهد.
این تیم اکنون در حال برنامه‌ریزی آزمایش‌هایی با ذرات نانوپلاستیکی است که کروی نیستند. محققان همچنین قصد دارند بررسی کنند که آیا می‌توان از این فرآیند برای تمایز بین ذرات پلاستیک‌های مختلف استفاده کرد یا خیر. آنها همچنین به ویژه علاقه‌مند به همکاری با گروه‌های تحقیقاتی هستند که تخصص خاصی در پردازش نمونه‌های واقعی از آب‌ها دارند.
