7 Minutės
Optinė sieta atskleidžia nematomus nanoplastikus
Nanoplastikų dalelės tampa matomos: naujai sukurta optinė testinė juostelė Štutgarto universitete leidžia aptikti pavojingas nanoplastiko daleles naudojant įprastinį šviesos mikroskopą. Kreditas: University of Stuttgart / 4th Physics Institute
Štutgarto universiteto tyrėjai, bendradarbiaudami su Melburno universiteto mokslininkais, sukūrė nebrangų optinį testinį juostelę — tarsi „optinę sietą“ — kuri, naudojant standartinį šviesos mikroskopą, atskleidžia nanoplastiko daleles. Aprašyta žurnale Nature Photonics, ši technika remiasi inžineriniais mikroskopiniais įdubimais puslaidininkiniame paviršiuje: kai dalelė įstringa tokiame įdubime, jo atspindėta spalva pasikeičia, leidžiant vizualiai aptikti, suskaičiuoti ir orientaciniškai įvertinti dalelių dydį net submikrometrinėje skalėje.
Kaip veikia optinė sieta
Optinė sieta išnaudoja rezonansinius optinius reiškinius mažose įdubose, kurias autoriai vadina Mie tuštumomis. Kiekviena tuštuma atspindi charakteringą ryškią spalvą, kuri priklauso nuo jos skersmens ir gylio; įeinant nanoplastiko dalelei, atspindėta spalva pasislenka. Suremius skirtingų dydžių tuštumų masyvus, juostelė veikia kaip sieta: dalelės, kurių dydis atitinka tam tikrą tuštumą, labiau linkusios kauptis būtent ten, todėl susidaro spalvų žemėlapis, atskleidžiantis dalelių buvimą, skaičių ir apytikrį dydžių pasiskirstymą.
Optinėje sietoje nanoplastiko dalelės patenka į juostelės tinkamo dydžio angas. Angų spalva keičiama. Nauja spalva suteikia informacijos apie dalelių dydį ir kiekį. Kreditas: University of Stuttgart / 4th Physics Institute
Technologiškai tai pasiekiama naudojant standartines puslaidininkių gamybos ir litografijos technologijas, kurios leidžia rašyti didelio tankio bei tikslumo tuštumų raštus ant plokštelių. Toks paviršiaus raštas yra statinis — tai reiškia, kad juostelės gali būti pagaminamos masiškai ir pigiai, o paėmus mėginį tereikia nuplauti arba nuleisti terpę per juostelę, kad dalelės natūraliai surinktųsi į atitinkamas tuštumas pagal dydį.
Sistemos pagrindas – optiniai rezonansai, kurių fiziką geriausiai paaiškina Mie sklaidos reiškiniai ir interferencijos efektai. Kai tuštumą apšviečia balta arba monochromatinė šviesa, tam tikri bangos ilgiai stipriai atspindimi priklausomai nuo geometrinių parametrų; dalelės buvimas tuštumoje keičia vietinę dielektrinę terpę ir šias rezonansų sąlygas, todėl matomas spalvų poslinkis. Tokiu būdu net labai mažos dalelės, kurių tiesiogiai neapčiuptum šviesos mikroskopu, gali būti identifikuotos dėl jų įtakos rezonansui.
Privalumai ir eksperimentinis patvirtinimas
Priešingai nei skenuojanti elektroninė mikroskopija (SEM), ši metodika yra žymiai pigesnė, greitesnė ir paprastesnė eksploatuoti — ji nereikalauja vakuumo kameros, aukštos kvalifikacijos operatorių arba brangios įrangos. Tyrimų metu mokslininkai į ežero vandenį, kuriame buvo smėlio ir organinių medžiagų, įterpė žinomas sferines nanodaleles ir panaudojo optinę sietą mėginio koncentruotumui (150 µg/ml) išmatuoti bei dydžių pasiskirstymui nustatyti. Gautų rezultatų palyginimai su tradicinėmis metodikomis parodė, kad spalvų žemėlapis tiksliai atspindėjo tiek dalelių kiekį, tiek jų dominančius dydžius.
Laboratoriniuose bandymuose tyrėjai taip pat išanalizavo, kaip įvairūs teršalai ir matricos komponentai — pvz., organinės dalelės ar mineralinės frakcijos — veikia surinkimo procesą ir spalvų interpretaciją. Buvo sukurti paprasti filtravimo ir plovimo protokolai, leidžiantys sumažinti foninį triukšmą ir taip pagerinti nanoplastikų signalą. Be to, automatizuoti vaizdo apdorojimo algoritmai padeda transformuoti spalvų žemėlapius į kiekybinius duomenis: kiekis, dydžių pasiskirstymas ir net erdvinis išsidėstymas ant plokštelės.
Tyrimo komanda taip pat aprašė reproducibility ir calibracijos metodus: naudojant standartizuotus testinius dalelių mišinius galima paruošti kalibracijos lenteles, kurios padeda susieti spalvos poslinkį su konkrečiais dalelių parametrais. Tokia kalibracija būtina, jei juostelė turi tarnauti kaip kiekybinis matavimo įrankis monitoringo programuose arba toksikologiniuose tyrimuose.
Aptikimo diapazonas ir ribotumai
Šiuo metu demonstracijos patikimai išsprendžia daleles maždaug nuo 0,2 iki 1 µm skersmens. Tai reiškia, kad sistema gerai aptinka daleles submikrometrinėje iki mažos mikrometrinės skalėje, tačiau mažesnių nei ~200 nm dalelių segmentą kol kas sunku robustiškai nustatyti. Taip pat svarbu pažymėti, kad dauguma laboratorinių bandymų atlikti su sferinėmis, monodisperinėmis dalelėmis; natūralioje aplinkoje nanoplastikai dažnai būna netaisyklingos formos, fragmentuoti arba agreguoti, tad jų elgsena gali skirtis.
Ateities darbai apims ne tik netaisyklingų ir plokščių formų dalelių testavimą, bet ir polimerų tipų skirtumų tyrimą. Vienas iš iššūkių — atskirti plastikines daleles nuo organinių biologinių fragmentų ar mineralinių dalelių, kurios gali sukelti panašius optinius poslinkius. Galimos sprendimo kryptys apima papildomą spektrinį analizavimą (pvz., platų spektro diapazoną, multispektrinę ar hiperspektrinę mašiną), chemines žymas arba integraciją su Raman / FTIR mikroskopija, kad būtų gauta cheminė identifikacija kiekvienai surinktai dalelei.
Be to, reikalingi tolesni bandymai su realių aplinkų mėginiais — upių, jūrų, nuotekų ir biologinių skysčių mišiniais, kuriuose gali būti sudėtingos matricos ir daugybė interferuojančių komponentų. Tokio tipo validacija padės nustatyti detekcijos ribas, klaidingo teigiamumo ir klaidingo neigiamumo dažnius bei optimizuoti paruošimo protokolus lauko sąlygoms.
Pasekmės aplinkos ir sveikatos stebėsenai
Nanoplastikai kelia vis didesnį susirūpinimą, nes jų submikrometrinis dydis leidžia jiems praeiti biologines barjerines struktūras ir potencialiai pasiekti audinius bei organus. Kadangi mažesnės dalelės turi santykinai didesnį paviršiaus plotą ir gali nešti priedus ar adsorbuotus toksinus, jų biologinis aktyvumas ir toksiškumas gali būti kitoks nei didesnių mikroplastikų.
Žemos kainos ir lauko sąlygoms pritaikoma optinė sieta galėtų tapti prieinamu įrankiu vietiniams tyrimams, greitai ekranuoti vandenį, gruntą ar net biologinius skysčius. Tai pagreitintų aplinkos monitoringo programas, leistų atlikti plataus masto įvertinimus ir nukreipti išsamesnius cheminius arba elektroninės mikroskopijos tyrimus tik į tas vietas, kuriose rasta didžiausia kontaminacija. Be to, toks įrankis būtų naudingas toksikologiniams tyrimams, nes suteiktų greitą būdą pasirengti eksperimentams su apibrėžta dalelių koncentracija ir dydžių spektru.
Praktinė nauda gali būti plati: nuo vandens gavybos vietų nuolatinio stebėjimo iki greitų įrankių maisto saugos laboratorijoms ar medicininėms studijoms, kurios tiria plastikų absorbciją ir paskirstymą organizme. Tuo pačiu metu svarbu sukurti standartizuotas procedūras — nuo mėginių ėmimo iki rezultatų interpretacijos — kad duomenys būtų palyginami tarp laboratorijų ir monitoringų programų.
Be aplinkos stebėjimo, ši technologija galėtų būti pritaikyta ir pramoninėse ekosistemose: gamybinių procesų kontrolėje, perdirbimo įmonėse ar vandens valymo įrenginiuose, kur realiu laiku reikėtų sekti nanodalelių emisiją arba efektyvumą filtravimo sistemų. Greita ir pigesnė vizualinė diagnozė taip pat atveria kelią decentralizuotam testavimui, kuris ypač reikalingas regionuose su ribotais ištekliais ar specialistų prieinamumu.
Išvados
Optinė sieta yra perspektyvus, masto didinamas įrankis nanoplastiko aptikimui, papildantis esamas mikroskopines ir chemines analizės metodikas. Ji suteikia greitą vaizdinį indikatorių apie dalelių buvimą ir dydžių pasiskirstymą, o tokie duomenys jau dabar yra vertingi kaip atrankos priemonė ar ankstyvosios įspėjančios sistemos komponentas. Su tolesne validacija realaus pasaulio mėginiams ir pažangomis polimerų diskriminacijoje, optinė sieta gali tapti praktišku pirmos linijos testu moksliniams tyrimams, aplinkos monitoringui ir net pramoniniam kontrolės poreikiui.
Norint ją integruoti į plataus masto praktinį naudojimą, reikės kelių papildomų žingsnių: standartizuotų kalibracijos protokolų, robustių paruošimo procedūrų skirtingoms matricoms, automatizuoto vaizdų apdorojimo sprendimo ir kombinacijos su cheminiais identifikacijos metodais ten, kur reikalinga polimerų klasifikacija. Vis dėlto ši optinė paradigma atveria patrauklią alternatyvą, kuri gali sumažinti priklausomybę nuo brangių instrumentų ir pagreitinti duomenų gavimą lauko sąlygomis.
Galiausiai, nors ši technologija dar neatsako į visus nanoplastiko aptikimo iššūkius, jos potencialas — paversti nesantį akimi pavojų matomu, greitai prieinamu ir kiekybiškai įvertinamu — yra reikšmingas žingsnis link geresnio supratimo apie nanoplastikų sklaidą ir poveikį aplinkai bei sveikatai.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą