Nanoplastik in der Luft nachweisen

Große Plastikteile können in nanoskalige Partikel zerfallen, die oft ihren Weg in den Boden und ins Wasser finden. Vielleicht weniger bekannt ist, dass sie auch in der Luft schweben können. Es ist unklar, wie sich Nanokunststoffe auf die menschliche Gesundheit auswirken, aber Tierversuche deuten darauf hin, dass sie potenziell schädlich sind. Als Schritt zum besseren Verständnis der Verbreitung von Nanokunststoffen in der Luft haben Forscher einen Sensor entwickelt, der diese Partikel erkennt und die Arten, Mengen und Größen der Kunststoffe mithilfe von bunten Kohlenstoffpunktfolien bestimmt.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vor.

„Nanokunststoffe sind ein großes Problem, wenn sie in der Luft sind, die Sie atmen, in Ihre Lungen gelangen und möglicherweise gesundheitliche Probleme verursachen“, sagt Raz Jelinek, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts. „Ein einfacher, kostengünstiger Detektor wie der unsere könnte enorme Auswirkungen haben und eines Tages die Menschen auf das Vorhandensein von Nanoplastik in der Luft aufmerksam machen, sodass sie Maßnahmen ergreifen können.“

Jedes Jahr werden Millionen Tonnen Plastik produziert und weggeworfen. Einige Kunststoffmaterialien erodieren langsam, während sie verwendet oder entsorgt werden, und verschmutzen die Umgebung mit Partikeln in Mikro- und Nanogröße. Nanokunststoffe sind so klein – im Allgemeinen weniger als 1 µm breit – und leicht, dass sie sogar in der Luft schweben können, wo Menschen sie dann unwissentlich einatmen können. Tierversuche deuten darauf hin, dass das Verschlucken und Einatmen dieser Nanopartikel schädliche Auswirkungen haben kann. Daher könnte es hilfreich sein, das Ausmaß der Luftverschmutzung durch Nanoplastik in der Umwelt zu kennen.

Zuvor hatte das Forschungsteam von Jelinek an der Ben-Gurion-Universität des Negev eine elektronische Nase oder „E-Nase“ entwickelt, um das Vorhandensein von Bakterien zu überwachen, indem die einzigartige Kombination von Gasdampfmolekülen, die sie freisetzen, adsorbiert und erfasst wird. Die Forscher wollten sehen, ob dieselbe auf Kohlenstoffpunkten basierende Technologie angepasst werden könnte, um einen empfindlichen Nanokunststoffsensor für die kontinuierliche Umweltüberwachung zu schaffen.

Kohlenstoffpunkte entstehen, wenn ein Ausgangsmaterial, das viel Kohlenstoff enthält, wie Zucker oder andere organische Stoffe, mehrere Stunden bei mäßiger Temperatur erhitzt wird, sagt Jelinek. Dieser Vorgang kann sogar mit einer herkömmlichen Mikrowelle durchgeführt werden. Während des Erhitzens entwickelt sich das kohlenstoffhaltige Material zu bunten und oft fluoreszierenden Partikeln in Nanometergröße, die als „Kohlenstoffpunkte“ bezeichnet werden. Und durch die Veränderung des Ausgangsmaterials können die Kohlenstoffpunkte unterschiedliche Oberflächeneigenschaften haben, die verschiedene Moleküle anziehen können.

Um die bakterielle E-Nase herzustellen, strich das Team dünne Schichten verschiedener Kohlenstoffpunkte auf winzige Elektroden, jede so groß wie ein Fingernagel. Sie verwendeten ineinandergreifende Elektroden, die zwei Seiten mit eingestreuten kammartigen Strukturen haben. Zwischen den beiden Seiten baut sich ein elektrisches Feld auf und die gespeicherte Ladung wird Kapazität genannt. „Wenn mit den Kohlenstoffpunkten etwas passiert – entweder sie adsorbieren Gasmoleküle oder Nanoplastikstücke – dann gibt es eine Kapazitätsänderung, die wir leicht messen können“, sagt Jelinek.

Dann testeten die Forscher einen Proof-of-Concept-Sensor für Nanokunststoffe in der Luft und wählten Kohlenstoffpunkte, die gängige Kunststoffarten adsorbieren würden – Polystyrol, Polypropylen und Poly(methylmethacrylat). In Experimenten wurden nanoskalige Kunststoffpartikel aerosolisiert, sodass sie in der Luft schweben. Und als mit Kohlepunktfilmen beschichtete Elektroden den luftgetragenen Nanokunststoffen ausgesetzt wurden, beobachtete das Team Signale, die für jede Art von Material unterschiedlich waren, sagt Jelinek. Da die Anzahl der Nanokunststoffe in der Luft die Intensität des erzeugten Signals beeinflusst, fügt Jelinek hinzu, dass der Sensor derzeit die Menge an Partikeln eines bestimmten Kunststofftyps entweder über oder unter einer vorbestimmten Konzentrationsschwelle melden kann. Wenn Polystyrolpartikel in drei Größen – 100 nm breit, 200 nm breit und 300 nm breit – aerosolisiert wurden, stand die Signalintensität des Sensors außerdem in direktem Zusammenhang mit der Partikelgröße.

Der nächste Schritt des Teams besteht darin, zu prüfen, ob ihr System die Kunststoffarten in Gemischen von Nanopartikeln unterscheiden kann. So wie die Kombination von Kohlenstoffpunktfilmen in der bakteriellen E-Nase zwischen Gasen mit unterschiedlichen Polaritäten unterschied, ist es laut Jelinek wahrscheinlich, dass sie den Nanoplastiksensor optimieren könnten, um zwischen zusätzlichen Arten und Größen von Nanoplastik zu unterscheiden. Die Fähigkeit, verschiedene Kunststoffe anhand ihrer Oberflächeneigenschaften zu erkennen, würde Nanokunststoff-Sensoren nützlich machen, um diese Partikel in Schulen, Bürogebäuden, Wohnungen und im Freien zu verfolgen, sagt er.