شريط اختبار بسيط يكشف عن تهديد غير مرئي نانوي

قام الباحثون في جامعة شتوتغارت بإنشاء “غربال بصري” قادر على اكتشاف جزيئات البلاستيك النانوية الدقيقة. يعمل هذا الابتكار مثل شريط الاختبار ، وهو مصمم لتوفير أداة تحليلية جديدة للبحوث البيئية والصحية.

قدم باحثون من جامعة شتوتغارت في ألمانيا وجامعة ملبورن في أستراليا طريقة بسيطة لتحليل جزيئات البلاستيك النانوية الصغيرة جدًا في العينات البيئية. يعتمد النهج على المجهر البصري القياسي وشريط اختبار مصمم حديثًا يسمى الغربال البصري. تم الإبلاغ عن النتائج في الطبيعة الضوئية.

“يمكن أن يكون شريط الاختبار بمثابة أداة تحليل بسيطة في البحوث البيئية والصحية” ، يوضح البروفيسور هارالد جيسن ، رئيس معهد الفيزياء الرابع بجامعة شتوتغارت. “في المستقبل القريب ، سنعمل على تحليل تركيزات البلاستيك النانوي مباشرة في الموقع. ولكن يمكن أيضًا استخدام طريقتنا الجديدة لاختبار الدم أو الأنسجة للجزيئات النانوية.”

البلاستيك النانوي كخطر على البشر والبيئة

تحتل النفايات البلاستيكية المرتبة بين أكثر التحديات العالمية العاجلة في القرن الحادي والعشرين. إنه يلوث المحيطات والأنهار والشواطئ والبلاستيك الدقيق في الكائنات الحية. حتى وقت قريب ، فحص الباحثون بشكل أساسي شظايا أكبر من البلاستيك. تشير الأدلة الآن إلى تهديد أكثر فيما يتعلق: جزيئات البلاستيك النانوية.

هذه الجسيمات أصغر بكثير من عرض شعر الإنسان ، وتشكل قطعًا أكبر من البلاستيك ، ولا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. بأحجام الميكرومتر الفرعية ، يمكنهم أيضًا المرور عبر الحواجز البيولوجية ، بما في ذلك الجلد وحاجز الدم في الدماغ.

تغييرات اللون تجعل الجزيئات الصغيرة مرئية

بسبب حجم الجسيمات الصغيرة ، يشكل اكتشافها تحديًا خاصًا. نتيجة لذلك ، لا توجد فجوات في فهمنا لكيفية تأثير الجزيئات على الكائنات الحية فحسب ، بل أيضًا عدم وجود طرق للكشف السريع والموثوق.

بالتعاون مع مجموعة أبحاث من ملبورن في أستراليا ، قام الباحثون في جامعة شتوتغارت الآن بتطوير طريقة جديدة يمكنها اكتشاف هذه الجسيمات الصغيرة بسرعة وبأسعار معقولة. إن تغييرات الألوان في شريط اختبار خاص تجعل البلاستيك النانوي مرئيًا في المجهر البصري وتسمح للباحثين بحساب عدد الجسيمات وتحديد حجمها.

“بالمقارنة مع الأساليب التقليدية والاستخدام على نطاق واسع مثل مسح المجهر الإلكتروني ، فإن الطريقة الجديدة أقل تكلفة بكثير ، ولا تتطلب موظفين مدربين للعمل ، ويقلل من الوقت اللازم للتحليل التفصيلي” ، كما يوضح الدكتور ماريو هينتشيل ، رئيس مختبر البنية المجهرية في معهد الفيزياء الرابع.

غربال بصري بدلاً من المجهر الإلكتروني باهظ الثمن

يستخدم “الغربال البصري” تأثيرات الرنين في ثقوب صغيرة لجعل جزيئات البلاستيك النانوية مرئية. تم نشر دراسة حول التأثيرات البصرية في مثل هذه الثقوب لأول مرة من قبل مجموعة الأبحاث بجامعة شتوتغارت في عام 2023. وتستند هذه العملية إلى انخفاضات صغيرة ، والمعروفة باسم Mie Voids ، والتي يتم حفرها في ركيزة أشباه الموصلات.

اعتمادًا على قطرها وعمقها ، تتفاعل الثقوب بشكل مميز مع ضوء الحادث. ينتج عن هذا انعكاس لون ساطع يمكن رؤيته في المجهر البصري. إذا وقع الجسيم في أحد المسافات البادئة ، فإن لونه يتغير بشكل ملحوظ. لذلك يمكن للمرء أن يستنتج من اللون المتغير ما إذا كان الجسيم موجودًا في الفراغ.

يوضح دومينيك لوديشر ، طالب الدكتوراه والمؤلف الأول للنشر في “الطبيعة الضوئية”: “يعمل شريط الاختبار مثل غربال كلاسيكي”. وبالتالي يمكن فحص الجسيمات التي تتراوح من 0.2 إلى 1 ميكرون دون صعوبة. “يتم ترشيح الجزيئات خارج السائل باستخدام الغربال الذي يمكن فيه تكييف حجم وعمق الثقوب مع الجزيئات النانوية ، وبعد ذلك ، يمكن اكتشاف تغيير اللون الناتج. وهذا يسمح لنا بتحديد ما إذا كانت الفراغات مملوءة أو فارغة.”

يمكن تحديد العدد والحجم وتوزيع الحجم للجزيئات

طريقة الكشف الجديدة المستخدمة يمكن أن تفعل المزيد. إذا تم تزويد الغربال بفراغات بأحجام مختلفة ، فسيتم جمع جسيم واحد فقط من الحجم المناسب في كل ثقب.

يقول لوديشر: “إذا كان الجسيم كبيرًا جدًا ، فلن يتناسب مع الفراغ وسيتم ببساطة التخلص منه أثناء عملية التنظيف”. “إذا كان الجسيم صغيرًا جدًا ، فسوف يلتزم بشكل سيء بالبئر وسيتم غسله بعيدًا أثناء التنظيف.” وبهذه الطريقة ، يمكن تكييف شرائط الاختبار بحيث يمكن تحديد حجم وعدد الجسيمات في كل ثقب فردي من اللون المنعكس.

تم فحص العينات البيئية التي تم تصنيعها

لقياساتهم ، استخدم الباحثون جزيئات كروية من أقطار مختلفة. هذه متوفرة في حلول مائية مع جسيمات نانوية محددة. نظرًا لأن العينات الحقيقية من مسطحات المياه ذات تركيزات الجسيمات النانوية المعروفة لم تكن متوفرة بعد ، فقد أنتج الفريق عينة مناسبة بأنفسهم.

استخدم الباحثون عينة مياه من بحيرة تحتوي على مزيج من الرمل والمكونات العضوية الأخرى وجزيئات كروية إضافية بكميات معروفة. كان تركيز الجزيئات البلاستيكية 150 ميكروغرام/مل. تم تحديد عدد وتوزيع حجم الجسيمات النانوية أيضًا لهذه العينة باستخدام “الغربال البصري”.

يمكن استخدامها مثل شريط الاختبار

“على المدى الطويل ، سيتم استخدام الغربال البصري كأداة تحليل بسيطة في البحوث البيئية والصحية. يمكن أن تكون التكنولوجيا بمثابة شريط اختبار متنقل من شأنه أن يوفر معلومات عن محتوى البلاستيك النانوي في الماء أو التربة مباشرة في الموقع” ، يوضح Hentschel.

يخطط الفريق الآن تجارب مع جزيئات البلاستيك النانوية غير كروية. يخطط الباحثون أيضًا للتحقيق فيما إذا كان يمكن استخدام العملية للتمييز بين جزيئات البلاستيك المختلفة. كما أنهم مهتمون بشكل خاص بالتعاون مع مجموعات الأبحاث التي لديها خبرة محددة في معالجة عينات حقيقية من أجسام المياه.

المرجع: “الغربال البصري للكشف النانوي ، التحجيم والعد” بقلم د. لوديشر ، ل. ويسمان ، ج. الطبيعة الضوئية.
الثاني: 10.1038/s41566-025-01733-x

لا تفوت اختراقًا أبدًا: انضم إلى النشرة الإخبارية ScitechDaily.