„Wir sehen Nanoplastik“

Die Verschmutzung durch winzige Kunststoffpartikel ist ein zunehmendes Problem für unsere Umwelt und Gesundheit. Zwar ist die Belastung durch Mikroplastik bereits seit Jahren bekannt. Doch es gibt noch kleinere Partikel, sogenanntes Nanoplastik, deren Konzentration zum Beispiel in Flüssen bislang noch nicht direkt gemessen werden konnte. Deswegen haben Forscherinnen und Forscher nun eine Methode entwickelt, mit der sich selbst einzelne Nanoplastikpartikel schnell und genau nachweisen lassen. Im Interview mit Welt der Physik erläutert Sarah Skoff von der Technischen Universität Wien, wie ihre Methode funktioniert und wie sie und ihr Team darauf aufbauend Sensoren entwickeln möchten.

Welt der Physik: Was weiß man bereits über diese winzigen Plastikpartikel?

Sarah Skoff

Sarah Skoff: Mikroplastik belastet unsere Umwelt zunehmend. Solche Partikel, die kleiner als fünf Millimeter sind, entstehen zum Beispiel, wenn Plastikmüll in Gewässer gelangt und dort in immer kleinere Teilchen zerfällt. Inzwischen hat man Mikroplastik praktisch überall gefunden: in Gewässern vom Marianengraben bis zur Arktis und auch in Organismen. Und wo Mikroplastik ist, gibt es mit Sicherheit noch kleinere Partikel – und zwar in größerer Menge. Das hat Forscherinnen und Forscher dazu veranlasst, immer kleinere Partikel zu untersuchen. Sind diese Plastikteilchen kleiner als ein Mikrometer – also ein tausendstel Millimeter – bezeichnen wir sie als Nanoplastik.

Ist Nanoplastik gefährlicher für die Umwelt und Gesundheit als Mikroplastik?

Kunststoffe sind unter anderem in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet. Dadurch nehmen wir Mikro- und Nanoplastik über das Essen auf – etwa durch den Abrieb von Plastikschneidbrettern, durch Plastikflaschen oder beim Verzehr von Fisch. Biologische Experimente haben gezeigt, dass sich Nanoplastik viel leichter im Körper verteilt als Mikroplastik und sich diese Kunststoffe in Organismen anreichern können. Da die Zellen die Nanopartikel oft nicht als Fremdkörper wahrnehmen, kann das Plastik auch in Zellen eindringen. Bei Zebrafischembryonen wurden sogar Missbildungen durch Mikroplastik beobachtet und auch in der menschlichen Plazenta wurden bereits winzige Plastikpartikel mit einer Größe von 5 bis 10 Mikrometern nachgewiesen. Die Frage ist nun, welche Auswirkungen das auf uns, unsere Körper und unsere Kinder hat. Dafür müssen wir die kleinsten Partikel besser messen können, doch das ist nicht so einfach.

Was macht den Nachweis von Nanoplastik so schwierig?

Mikroplastik lässt sich bis zu einer Größe von etwa zwanzig Mikrometern unter anderem mit spektroskopischen Methoden nachweisen. Bei kleineren Partikeln wird dies aber zunehmend schwieriger. Bei Nanoplastik stößt man mit solchen Methoden an die Grenzen der Auflösbarkeit, weil die Partikel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Zum Nachweis dieser kleinsten Partikel, etwa in Gewebeproben, wurde daher bislang vor allem die Elektronenmikroskopie eingesetzt. Mit der Elektronenmikroskopie lassen sich zwar sehr kleine Partikel auflösen, doch die Methode hat mehrere Nachteile: Sie erfordert eine sehr gute und langwierige Probenpräparation und es ist sehr schwierig nachzuweisen, um welches Material es sich eigentlich handelt. Außerdem benötigt man aufwendige Anlagen vor Ort. Deswegen werden zurzeit häufig theoretische Simulationen verwendet, um aus gemessenen Konzentrationen von Mikroplastik auf das vorhandene Nanoplastik zu schließen. Doch im Gegensatz zu Mikroplastik verbreitet sich das Nanoplastik beispielsweise im Wasser viel leichter. Um das korrekt zu modellieren, benötigen wir empirische Messungen, mit denen wir die theoretischen Daten dann vergleichen können.

Mikroskop

Sie haben nun eine neue Nachweismethode entwickelt – wie funktioniert sie?

Unsere Methode basiert auf der sogenannten Raman-Spektroskopie: Wir richten Laserlicht auf eine Probe und beobachten, wie das Licht in der Probe gestreut wird. Im ersten Schritt untersuchen wir künstliche Laborproben: Flüssigkeiten, denen zuvor Nanoplastik in bekannter Konzentration zugesetzt wurde. Wir prüfen, ob wir die Plastikteilchen in solchen Proben korrekt identifizieren können. Dabei interessiert uns nur der Teil des Lichts, der stark mit den Molekülen in der Probe wechselwirkt und diese zum Schwingen anregt. Das Licht gibt dann einen Teil seiner Energie an die Schwingungen ab und verlässt die Probe mit weniger Energie, also sozusagen mit einer anderen Farbe. Dieser Farbwechsel ist charakteristisch für das jeweilige Molekül: Jedes Molekül vibriert auf seine Weise und mit einer anderen Energie. Aus der Veränderung des Lichtspektrums können wir also auf die vorhandenen Moleküle schließen und so zum Beispiel unterschiedliche Plastikarten voneinander unterscheiden, aber auch Kunststoff- von Glaspartikeln.

Und auf diese Weise sehen Sie tatsächlich einzelne Nanopartikel?

Ja, allerdings müssen wir noch etwas nachhelfen, denn der beschriebene Streuprozess ist sehr ineffizient. Das heißt, es entsteht nur sehr wenig geeignetes Streulicht, aus dem wir Bilder erzeugen können. Je kleiner die Teilchen, desto weniger Licht können wir nutzen und bei einzelnen Nanopartikeln haben wir keine Chance mehr, sie ohne weitere Verstärkung zu detektieren. Deshalb nutzen wir zusätzlich in unserem Experiment ein ultrafeines Goldgitter, das den Streueffekt verstärkt. Wenn Licht auf das Gitter fällt, wird es aufgrund sogenannter Plasmonen, das sind Elektronenwolken im Metall, auf bestimmte Punkte im Gitter fokussiert. Dort ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie besonders stark, sodass vermehrt Streulicht aus Molekülschwingungen entsteht. Dieses wird dann zusätzlich durch eine Art Resonanzeffekt des Gitters noch verstärkt. So erreichen wir, dass auch einzelne Nanopartikel hell leuchten. Das war sicher einer der spannendsten Momente in diesem Projekt: Dass wir mit dem Goldgitter plötzlich tatsächlich hundert Nanometer kleine Teilchen unter einem normalen Mikroskop sehen konnten.

Nanoplastik

Funktioniert die neue Methode auch außerhalb des Labors?

Bisher haben wir gezeigt, dass die Methode prinzipiell funktioniert. Jetzt sind wir dabei, die Probenträger und ihren verstärkenden Effekt noch weiter zu verbessern, damit sie für verschiedene Kunststoffarten und Partikelgrößen besser funktionieren. Dazu haben wir bereits theoretische Simulationen durchgeführt und wollen nun anstelle der Laborproben umweltrelevante Proben wie Wasser und biologische Proben untersuchen – zunächst im Labor, zukünftig auch unmittelbar vor Ort. Für direkte Anwendungen in der Umwelt brauchen wir schnelle und handliche Geräte. Eine Besonderheit unserer Methode ist, dass wir bei den Messungen viel Zeit sparen, weil wir nicht das gesamte elektromagnetische Spektrum betrachten. Da wir wissen, bei welchen Frequenzen die Plastikmoleküle schwingen, schauen wir uns gezielt diese charakteristischen Bereiche des Spektrums an. Die gesamte Technologie wollen wir schließlich auf einem kompakten Messsensor integrieren, mit dem wir dann vor Ort die Konzentration von Nanoplastik untersuchen können.

An welche Art von Proben denken Sie dabei?

Wir möchten einen Sensor entwickeln, den man zum Beispiel einfach in Wasser hält, um die darin enthaltenen Nanopartikel zu messen. Ähnlich könnte es auch mit Blutproben funktionieren. Der Vorteil an Flüssigkeiten ist, dass man sie durch eine Messvorrichtung im Sensor hindurchpumpen kann. Für komplexere Proben wie Gewebeproben aus Operationen benötigt man wahrscheinlich größere, komplexere Geräte und müsste die Proben vorher bearbeiten und auf einen Probenhalter aufbringen. Um diese Fragen zu beantworten, arbeiten wir eng mit Kolleginnen und Kollegen aus der Kunststoffforschung, der Chirurgie, der Mikrobiologie und der Medizin zusammen.

Eigentlich forschen Sie und Ihre Gruppe an Quantennetzwerken. Was hat Sie zu Nanoplastik geführt?

Zum einen mein persönliches Interesse und zum anderen der gemeinsame Nenner mit den Quantennetzwerken. Um Quanteninformation zu übertragen, brauchen wir auch eine sehr starke Licht-Materie-Wechselwirkung. Aus dieser Forschung heraus entstand die Idee: Wenn man einzelne Moleküle mit nur wenigen Lichtteilchen ansteuern kann, dann könnte das auch ein gutes Werkzeug sein, um kleine Teilchen zu finden und zu erkennen. In Zukunft wollen wir die Studien zu Nanoplastik parallel zu unserer Forschung an Quantennetzwerken weiterführen und werden dafür auch unsere Gruppe vergrößern und ein zweites Mikroskop aufbauen, damit niemand auf seine Experimente warten muss.