Analysemethode für Mikroplastik

Forschende der Tech­nis­chen Uni­ver­sität München (TUM) haben eine automa­tisierte Analysemeth­ode entwick­elt, mit der sich die Par­tikel von Mikro­plas­tik iden­ti­fizieren und quan­tifizieren lassen. Mikro­plas­tik ist in der Umwelt all­ge­gen­wär­tig. Die winzi­gen Teilchen mit ein­er Größe von unter fünf Mil­lime­tern kön­nen außer­dem Schad- und Gift­stoffe aufnehmen und trans­portieren. „Wir benöti­gen drin­gend Analysemeth­o­d­en, die Auskun­ft geben über die Größe, Konzen­tra­tion und Zusam­menset­zung der Par­tikel“, erk­lärt Dr. Natalia Ivl­e­va vom Lehrstuhl für Ana­lytis­che Chemie und Wasserchemie der TUM. Zusam­men mit ihrem Team hat die Wis­senschaft­lerin ein neues Ver­fahren entwickelt.

Um das Mikro­plas­tik zu detek­tieren, mussten die Forschen­den mehrere Hür­den über­winden: Das erste Prob­lem ist die geringe Konzen­tra­tion der Par­tikel. Fluss­wass­er zum Beispiel enthält jede Menge Schweb­stoffe und feinen Sand, nicht ein­mal ein Prozent der Par­tikel sind aus Kun­st­stoff. Diese Teilchen gilt es zu isolieren, dann muss deren Konzen­tra­tion bes­timmt wer­den und schließlich die chemis­che Zusam­menset­zung. Bish­er wur­den hier­für Analysemeth­o­d­en einge­set­zt, bei denen die Proben erhitzt und die Zer­set­zung­spro­duk­te unter­sucht wur­den. Anzahl, Größe und Form der Plas­tik-Par­tikel ließen sich auf diese Weise nicht ermitteln.

Kun­st­stoffe lassen sich durch Licht­streu­ung identifizieren

„Unser Ansatz ist grundle­gend anders“, betont Ivl­e­va: „Wir arbeit­en par­tikel­basiert, das heißt, wir zer­stören die Teilchen nicht, son­dern unter­suchen sie direkt.“ Dabei nutzen die Forschen­den die soge­nan­nte Raman-Mikrospek­troskopie, bei der mit Hil­fe eines Lasers mono­chro­ma­tis­ches Licht von den Molekülen ein­er Probe gestreut wird. Durch Ver­gle­ich des gestreuten mit dem einges­trahlten Licht lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die unter­suchte Sub­stanz. Um Plas­tik-Par­tikel mit mehr als einem Mikrom­e­ter Durchmess­er auf diese Weise zu analysieren, müssen die Kun­st­stoff-Teilchen aus der wäss­ri­gen Lösung her­aus­ge­filtert, unter dem Mikroskop detek­tiert und dann mit Laser­licht beleuchtet wer­den. Weil Kun­st­stoffe wie Poly­ethylen, Poly­sty­rol oder Polyvinylchlo­rid die Pho­to­nen auf charak­ter­is­tis­che Weise streuen, erzeu­gen sie jew­eils spez­i­fis­che Sig­nale, die sich wie ein Fin­ger­ab­druck zuord­nen lassen.

Automa­tisierung statt manueller Messungen

Die Entwick­lung des Nach­weisver­fahrens hat Jahre gedauert: „Als wir ange­fan­gen haben, waren manuelle Mes­sun­gen erforder­lich“, erin­nert sich die Chemik­erin. „Da haben wir Monate gebraucht, um ein paar Tausend Par­tikel zu unter­suchen.“ Mit­tler­weile ist es dem Team gelun­gen, den Nach­weis von Mikro­plas­tik zu automa­tisieren. Eine Analyse dauert nicht mehr Wochen, son­dern nur noch Stun­den. Man muss die winzi­gen Par­tikel zwar immer noch aus ein­er wäss­ri­gen Probe her­aus­fil­tern und den Fil­ter unter das Raman-Mikrospek­troskop leg­en, doch alles Weit­ere steuert eine eigens entwick­elte Soft­ware: Die Kun­st­stoffteilchen wer­den zunächst licht­mikroskopisch lokalisiert, fotografiert und ver­messen, wobei Par­tikel und Fasern unter­schieden wer­den. Das Com­put­er­pro­gramm berech­net aus diesen Dat­en die Anzahl von Par­tikeln und Fasern sowie die Auswahl von Bil­dauss­chnit­ten für die anschließende Raman-Spek­troskopie, die für ein sta­tis­tisch sig­nifikantes Ergeb­nis benötigt wer­den. Im näch­sten Schritt fällt Laser­licht auf die Probe, die Streu­ung wird detek­tiert und aus­gew­ertet. Anzahl, Größe, Form und Zusam­menset­zung von Mikro­plas­tik lässt sich auf diese Weise schnell und zuver­läs­sig analysieren. Die Soft­ware „TUM-Par­ti­cle Typer 2“ ist Open Source basiert.

Nanoplas­tik ver­langt beson­dere Nachweisverfahren

Um auch Par­tikel unter­suchen zu kön­nen, die Durchmess­er von weniger als einem Mikrom­e­ter aufweisen, arbeit­et Ivleva‘s Gruppe bere­its an einem mod­i­fizierten Ver­fahren. „Solche Nan­oteilchen sind unter einem Licht­mikroskop nur schw­er oder gar nicht zu detek­tieren. Um die Par­tikel nach­weisen zu kön­nen, müssen wir sie zuerst nach Größe frak­tion­ieren und dann iden­ti­fizieren“, erk­lärt die Forscherin. Hier­für wird ein Sys­tem für Feld­flussfrak­tion­ierung ver­wen­det. Dieses erzeugt einen Wasser­strom, der die Par­tikel erfasst und – abhängig von ihrer Größe – schneller oder langsamer trans­portiert und auf diese Weise tren­nt. Eine speziell entwick­elte Vor­rich­tung erlaubt in Kom­bi­na­tion mit Raman-Mikrospek­troskopie die chemis­che Charak­ter­isierung von unter­schiedlichen Arten von Nanoplas­tik. „Die neuen Analy­sev­er­fahren ermöglichen eine schnelle und genaue Unter­suchung der Konzen­tra­tion, Größe und Zusam­menset­zung von Mikro- und Nanoplas­tik“, resümiert Ivl­e­va. „Damit wird es kün­ftig möglich sein, auch den Ein­fluss dieser Par­tikel auf die Umwelt und die men­schliche Gesund­heit zu erforschen.“