Nouvelle méthode simple de détection des nanoplastiques
Le "tamis optique" fonctionne comme une bandelette de test
Une équipe conjointe de l'université de Stuttgart (Allemagne) et de l'université de Melbourne (Australie) a mis au point une nouvelle méthode d'analyse directe des minuscules particules nanoplastiques présentes dans les échantillons environnementaux. Il suffit d'un microscope optique ordinaire et d'une nouvelle bande de test, le tamis optique. Les résultats de la recherche viennent d'être publiés dans "Nature Photonics".
"La bandelette de test peut servir d'outil d'analyse simple dans la recherche environnementale et sanitaire", explique le professeur Harald Giessen, directeur du 4e institut de physique de l'université de Stuttgart. "Dans un avenir proche, nous nous efforcerons d'analyser les concentrations de nanoplastiques directement sur place. Mais notre nouvelle méthode pourrait également être utilisée pour analyser le sang ou les tissus à la recherche de particules nanoplastiques."
Les nanoplastiques, un danger pour l'homme et l'environnement
Les déchets plastiques constituent l'un des principaux problèmes mondiaux du XXIe siècle. Non seulement ils polluent les océans, les rivières et les plages, mais ils ont également été détectés dans des organismes vivants sous la forme de microplastiques. Jusqu'à présent, les scientifiques de l'environnement ont concentré leur attention sur les résidus de plastique de plus grande taille. Cependant, on sait depuis un certain temps qu'un danger encore plus grand pourrait se profiler à l'horizon : les nanoparticules de plastique. Ces minuscules particules, bien plus petites qu'un cheveu humain, sont issues de la décomposition de particules de plastique plus grandes. Elles ne sont pas visibles à l'œil nu. Ces particules d'une taille inférieure au micromètre peuvent également traverser facilement les barrières organiques telles que la peau ou la barrière hémato-encéphalique.
Les changements de couleur rendent les particules minuscules visibles
En raison de la petite taille des particules, leur détection pose un défi particulier. Par conséquent, non seulement notre compréhension de la manière dont les particules affectent les organismes est lacunaire, mais nous manquons également de méthodes de détection rapides et fiables. En collaboration avec un groupe de recherche de Melbourne (Australie), des chercheurs de l'université de Stuttgart ont mis au point une nouvelle méthode qui permet de détecter rapidement et à moindre coût ces petites particules. Les changements de couleur sur une bande de test spéciale rendent les nanoplastiques visibles au microscope optique et permettent aux chercheurs de compter le nombre de particules et de déterminer leur taille. "Par rapport aux méthodes conventionnelles et largement utilisées telles que la microscopie électronique à balayage, la nouvelle méthode est considérablement moins coûteuse, ne nécessite pas de personnel qualifié et réduit le temps nécessaire à une analyse détaillée", explique le Dr Mario Hentschel, chef du laboratoire de microstructure du 4e institut de physique.
Un tamis optique au lieu d'un microscope électronique coûteux
Le "tamis optique" utilise les effets de résonance dans de petits trous pour rendre visibles les particules de nanoplastique. Une étude sur les effets optiques dans de tels trous a été publiée pour la première fois par le groupe de recherche de l'université de Stuttgart en 2023. Le processus est basé sur de minuscules dépressions, connues sous le nom de vides de Mie, qui sont bordées dans un substrat semi-conducteur. En fonction de leur diamètre et de leur profondeur, les trous interagissent de manière caractéristique avec la lumière incidente. Il en résulte une réflexion de couleur vive visible au microscope optique. Si une particule tombe dans l'une des indentations, sa couleur change sensiblement. Le changement de couleur permet donc de déduire si une particule est présente dans le vide.
"La bandelette fonctionne comme un tamis classique", explique Dominik Ludescher, doctorant et premier auteur de la publication dans "Nature Photonics". Les particules de 0,2 à 1 µm peuvent ainsi être examinées sans difficulté. "Les particules sont filtrées du liquide à l'aide du tamis dont la taille et la profondeur des trous peuvent être adaptées aux nanoparticules plastiques, et le changement de couleur qui en résulte permet de les détecter. Cela nous permet de déterminer si les vides sont remplis ou non".
Le nombre, la taille et la distribution des particules peuvent être déterminés
La nouvelle méthode de détection utilisée permet d'aller encore plus loin. Si le tamis est pourvu de trous de différentes tailles, une seule particule de taille appropriée s'accumulera dans chaque trou. "Si une particule est trop grosse, elle n'entre pas dans le trou et est simplement évacuée lors du processus de nettoyage", explique M. Ludescher. "Si une particule est trop petite, elle adhérera mal au puits et sera emportée lors du nettoyage". Ainsi, les bandelettes de test peuvent être adaptées de manière à ce que la taille et le nombre de particules dans chaque trou individuel puissent être déterminés à partir de la couleur réfléchie.
Examen d'échantillons environnementaux synthétisés
Pour leurs mesures, les chercheurs ont utilisé des particules sphériques de différents diamètres. Celles-ci sont disponibles en solutions aqueuses avec des nanoparticules spécifiques. Comme il n'existe pas encore d'échantillons réels de masses d'eau avec des concentrations connues de nanoparticules, l'équipe a produit elle-même un échantillon approprié. Les chercheurs ont utilisé un échantillon d'eau d'un lac contenant un mélange de sable et d'autres composants organiques et y ont ajouté des particules sphériques en quantités connues. La concentration de particules de plastique était de 150 µg/ml. Le nombre et la distribution de la taille des particules nanoplastiques ont également été déterminés pour cet échantillon à l'aide du "tamis optique".
Peut être utilisé comme une bandelette de test
"À long terme, le tamis optique sera utilisé comme un outil d'analyse simple dans la recherche environnementale et sanitaire. La technologie pourrait servir de bandelette de test mobile qui fournirait des informations sur la teneur en nanoplastiques de l'eau ou du sol directement sur place", explique Hentschel. L'équipe planifie à présent des expériences avec des particules de nanoplastiques qui ne sont pas sphériques. Les chercheurs prévoient également d'étudier si le processus peut être utilisé pour distinguer les particules de différents plastiques. Ils sont également particulièrement intéressés par une collaboration avec des groupes de recherche ayant une expertise spécifique dans le traitement d'échantillons réels provenant d'étendues d'eau.
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