Biosensor weist Nanokunststoffe im Wasser innerhalb weniger Minuten nach
Peptidbasierter Biosensor ermöglicht den direkten Nachweis von Polystyrol-Nanopartikeln
Anzeigen
Die zunehmende Verbreitung von Nanokunststoffen in der Umwelt hat die Notwendigkeit einfacherer Nachweismethoden deutlich gemacht, was Forscher am Science Tokyo dazu veranlasste, einen Schnellsensor zum Nachweis von Polystyrol-Nanopartikeln im Wasser zu entwickeln. Das Gerät wurde sowohl an Modellwasserproben als auch an echten Wasserproben getestet, denen Polystyrol-Nanopartikel zugesetzt worden waren, und erkannte 50-nm-Partikel innerhalb von 20 Minuten ohne Markierung oder aufwendige Probenvorbereitung. Die Technologie könnte die Bemühungen unterstützen, die Anreicherung von Nanoplastik in der Umwelt zu verstehen und zu bekämpfen.
Institute of Science Tokyo
Nachweis von Nanokunststoffen mit einem peptidbasierten optischen Biosensor
Kunststoffe zerfallen im Laufe der Zeit in immer kleinere Partikel und bilden schließlich Nanokunststoffe – Partikel mit einer Größe von 1 bis 1.000 nm. Diese nanoskaligen Kunststoffpartikel haben die Umwelt durchdrungen und wurden in lebenden Organismen, einschließlich des menschlichen Körpers, nachgewiesen, was wachsende Bedenken hinsichtlich ihrer potenziellen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit hervorruft. Zu den derzeitigen Analysetechniken zum Nachweis von Nanokunststoffen zählen mikroskopische und spektroskopische Verfahren. Diese herkömmlichen Ansätze erfordern jedoch teure Geräte und eine aufwendige Probenvorbereitung, was ihre Praxistauglichkeit für die routinemäßige Überwachung einschränkt.
Ein Forschungsteam am Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) in Japan hat nun einen Biosensor entwickelt, der Polystyrol-Nanopartikel (PS-NPs) in Süßwasser schnell nachweisen kann. PS ist einer der am häufigsten verwendeten Kunststoffe sowohl im Haushalt als auch in der Industrie, weshalb PS-NPs ein wichtiges Ziel für den Nachweis von Nanokunststoffen darstellen. Da das Gerät einen selektiven, markierungsfreien Nachweis in wässrigen Umgebungen mit minimaler Probenvorbereitung ermöglicht, könnte es die Bewertung der Wasserqualität erheblich verbessern und stellt damit einen wichtigen Schritt in Richtung eines praxistauglichen Nachweises von Nanokunststoffen dar.
Die Studie wurde von Associate Professor Mana Toma vom Fachbereich Elektrotechnik und Elektronik der Fakultät für Ingenieurwissenschaften in Zusammenarbeit mit Assistant Professor Shuo Cheng von der Fakultät für Umwelt und Gesellschaft in Japan geleitet
„Die extrem geringe Größe von Nanokunststoffen macht es schwierig, sie mit herkömmlichen Methoden nachzuweisen. Wir haben diese Herausforderung angegangen, indem wir eine Biosensorplattform entwickelt haben, die PS-NP-Partikel selektiv an der Sensoroberfläche einfängt und optisch nachweist“, sagt Toma.
Ein Biosensor besteht aus Bioerkennungselementen, die an spezifische Zielmoleküle binden und dabei ein messbares Signal erzeugen können. In diesem Fall dient ein PS-bindendes Peptid als Erkennungselement. Das Peptid wurde über einen Polyethylenglykol (PEG)-Linker auf einer dünnen Goldschicht immobilisiert, wodurch unspezifische Bindungen minimiert und die selektive Einfangung von PS-NPs verbessert werden.
Der Biosensor arbeitet mit Oberflächenplasmonenresonanz (SPR), einer optischen Sensortechnik, die winzige Änderungen des Brechungsindexes an einer Oberfläche in Echtzeit erfasst. In diesem Aufbau wird Laserlicht durch ein Glasprisma mit hohem Brechungsindex auf eine dünne Goldschicht gerichtet, wodurch Oberflächenplasmonen angeregt werden – kollektive Schwingungen freier Elektronen an der Metalloberfläche. Wenn PS-NPs an den Sensor binden, verändern sie den lokalen Brechungsindex in der Nähe der Goldschicht und verschieben so den Resonanzwinkel. Im vorliegenden System wird diese durch die Bindung induzierte SPR-Verschiebung als Änderung der Intensität des reflektierten Lichts bei einem ausgewählten Einfallswinkel erfasst. Durch den Vergleich dieser Intensitätsänderungen mit einer kalibrierten SPR-Reaktionskurve in Abhängigkeit von der Konzentration quantifiziert das System die PS-NP-Konzentrationen im Wasser.
Die Forscher testeten den Biosensor in Laborwasser, das so beschaffen war, dass es die ionische Zusammensetzung von Süßwasser nachahmte, und dem sie PS-NPs in bekannten und kontrollierbaren Konzentrationen zusetzten. In diesen Proben war der vorgeschlagene Biosensor in der Lage, 50 nm große PS-NPs innerhalb von 20 Minuten nachzuweisen und erreichte eine Nachweisgrenze von nur 1,3 μg/mL. Sie validierten den Nachweis zudem in umweltrelevanten Proben unter Verwendung von Aquarienwasser und Teichwasser, das mit PS-NPs versetzt worden war.
„Durch die Vereinfachung des Nachweisverfahrens könnte dieser Biosensor die Überwachung von Nanokunststoffen zugänglicher machen als herkömmliche Methoden, die spezielle Instrumente und aufwendige Probenvorbereitung erfordern“, sagt Toma.
Die fortgesetzte Nutzung und der Abbau von Kunststoffen werden unweigerlich zu einer zunehmenden Anreicherung von Nanokunststoffen in der Umwelt führen. Durch die Vereinfachung des Nachweises und die praktischere Gestaltung der Überwachung könnte der vorgeschlagene Biosensor Forschern helfen, die Ausbreitung und das Verhalten von Nanokunststoffen besser zu verstehen, und so die Bemühungen zur Bewältigung dieser wachsenden ökologischen Herausforderung unterstützen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
