Ein Team der Universität Stuttgart und der Universität Melbourne in Australien hat eine neue Methode entwickelt, mit der sich winzige Nanoplastikpartikel in Umweltproben unkompliziert analysieren lassen. Benötigt werden dafür lediglich ein herkömmliches optisches Mikroskop und ein neu entwickelter Teststreifen – das optische Sieb. Die Forschungsergebnisse wurden nun in „Nature Photonics“ ( doi: 10.1038/s41566-025-01733-x ) veröffentlicht.
„Der Teststreifen kann als einfaches Analyseinstrument in der Umwelt- und Gesundheitsforschung dienen“, erklärt Prof. Harald Giessen, Leiter des 4. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart. „In naher Zukunft arbeiten wir daran, Nanoplastikkonzentrationen direkt vor Ort zu analysieren. Aber auch Blut oder Gewebe könnten mit unserer neuen Methode auf Nanoplastikpartikel untersucht werden.“
Nanoplastik als Gefahr für Mensch und Umwelt
Plastikmüll ist eines der zentralen und akutesten globalen Probleme des 21. Jahrhunderts. Er verschmutzt nicht nur Meere, Flüsse und Strände, sondern wurde in Form von Mikroplastik auch in Lebewesen nachgewiesen. Bisher richteten Umweltwissenschaftler ihr Augenmerk auf größere Plastikrückstände. Doch schon länger ist bekannt, dass eine noch größere Gefahr droht: Nanoplastikpartikel. Diese winzigen Teilchen sind deutlich kleiner als ein menschliches Haar und entstehen durch den Zerfall größerer Plastikpartikel. Sie sind mit bloßem Auge nicht erkennbar. Die Partikel im Submikrometerbereich können zudem problemlos organische Barrieren wie die Haut oder die Blut-Hirn-Schranke überwinden.
Farbveränderungen machen winzige Partikel sichtbar
Aufgrund ihrer geringen Partikelgröße stellt ihr Nachweis eine besondere Herausforderung dar. Daher mangelt es nicht nur an Verständnis für die Wirkung von Partikeln auf Organismen, sondern auch an schnellen und zuverlässigen Nachweismethoden. In Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe aus Melbourne, Australien, haben Forscher der Universität Stuttgart nun eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich solche kleinen Partikel schnell und kostengünstig nachweisen lassen. Farbveränderungen auf einem speziellen Teststreifen machen Nanoplastik im Lichtmikroskop sichtbar und ermöglichen es den Forschern, die Anzahl der Partikel zu zählen und ihre Größe zu bestimmen. „Im Vergleich zu herkömmlichen und weit verbreiteten Methoden wie der Rasterelektronenmikroskopie ist die neue Methode deutlich kostengünstiger, erfordert kein geschultes Personal und reduziert den Zeitaufwand für detaillierte Analysen“, erklärt Dr. Mario Hentschel, Leiter des Mikrostrukturlabors am 4. Physikalischen Institut .
Optisches Sieb statt teurem Elektronenmikroskop
Das „optische Sieb“ nutzt Resonanzeffekte in kleinen Löchern, um Nanoplastikpartikel sichtbar zu machen. Eine Studie zu optischen Effekten in solchen Löchern veröffentlichte die Forschungsgruppe der Universität Stuttgart erstmals 2023. Das Verfahren basiert auf winzigen Vertiefungen, sogenannten Mie-Hohlräumen, die in ein Halbleitersubstrat eingearbeitet sind. Je nach Durchmesser und Tiefe interagieren die Löcher auf charakteristische Weise mit dem einfallenden Licht. Dadurch entsteht ein heller Farbreflex, der im Lichtmikroskop sichtbar ist. Fällt ein Partikel in eine der Vertiefungen, verändert sich dessen Farbe deutlich. Anhand der Farbänderung lässt sich also erkennen, ob sich ein Partikel im Hohlraum befindet.
