Plastikmüll verunreinigt Meere, Flüsse und Strände weltweit und zerfällt dort zu Mikro- und Nanoplastik. Diese winzigen Kunststoffpartikel werden dann über Nahrung, Atemluft oder Haut von Lebewesen aufgenommen, landen in der Nahrungskette und letztlich auch in unserem Körper. Mit dem Blut verteilen sie sich in alle Organe, wo sie den Stoffwechsel stören und krank machen könnten, fürchten Experten. „Im Gegensatz zu Mikroplastik kann kleineres Nanoplastik biologische Barrieren – einschließlich der Blut-Hirn-Schranke – überwinden und sich im Körpergewebe anreichern, was tiefgreifende gesundheitliche Bedenken hinsichtlich der toxischen Exposition aufwirft“, sagt Co-Autor Brad Clarke von der University of Melbourne.
Doch die biologische Wirkung der Kunststoffteilchen ist erst in Ansätzen erforscht. Denn wie viel Plastik genau sich in der Natur und im Gewebe von Organismen befindet, ist nur schwer zu messen, insbesondere bei Nanoplastik. Denn diese Partikel sind mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen und mit gängigen Nachweismethoden nur zum Teil detektierbar. Unklar bleibt bei diesen Methoden oft auch, um welche Plastikart es sich handelt, wie groß die Partikel genau sind und wie viele Teilchen in der untersuchten Probe präsent sind. Dies erfordert aufwendige weitere Analysen, beispielsweise mit Elektronenmikroskopen. Es mangelt daher bisher an schnellen und verlässlichen Nachweisverfahren für Nanoplastik.
„Sieb“ fängt Plastik in winzigen Vertiefungen ein
Forschende um Erstautor Dominik Ludescher von der Universität Stuttgart haben nun ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sich solche extrem kleinen Plastikpartikel besser detektieren lassen. Sie bauten eine Art „optisches Sieb“, das Nanoplastik einfängt. Es besteht aus einem speziellen Teststreifen, auf dem sich die Farbe ändert, wenn solche Partikel daran binden. Dieser Farbumschlag ist dann unter dem Lichtmikroskop sichtbar. Das Verfahren basiert auf winzigen Vertiefungen, sogenannten Mie Voids, in einem Halbleitermaterial. „Unser neuartiges optisches Sieb ist eine Anordnung winziger Hohlräume unterschiedlicher Größe in einem Galliumarsenid-Mikrochip“, sagt Co-Autor Lukas Wesemann von der University of Melbourne.
Wenn Licht auf die kleinen Vertiefungen fällt, wird es je nach Durchmesser und Tiefe der Löcher unterschiedlich abgelenkt und reflektiert. Es entsteht eine charakteristische Farbe, die unter einem optischen Mikroskop zu erkennen ist. Fällt jedoch ein Plastikpartikel aus einer flüssigen Probe – etwa Seewasser – in eine dieser Vertiefungen, ändert sich dessen Farbe. „Damit können wir feststellen, ob die Vertiefungen gefüllt oder leer sind.“ erklärt Ludescher. „Ist ein Partikel zu groß, passt er gar nicht in die Vertiefung und wird beim Reinigungsprozess einfach weggespült. Ist ein Partikel zu klein, so bleibt er in der Vertiefung nur schlecht haften und wird bei der Reinigung ebenfalls weggespült.“ Auch Dreck und Sand bleiben kaum haften und werden weitgehend abgespült.
Größe und Tiefe der Löcher in dem Material können gezielt so angepasst werden, dass sie Partikel mit einem Durchmesser zwischen 200 und 1000 Nanometer einfangen. Wenn das Sieb mit Vertiefungen unterschiedlicher Größen versehen wird, sammelt sich in jedem Loch immer nur ein Teilchen mit passender Größe. Auf diese Weise können die Teststreifen so angefertigt werden, dass aus der Farbe die Zahl und Größe der Teilchen in den Löchern bestimmt werden kann, erklärt das Team. Der Farbumschlag verrät also nicht nur, ob und wie viele Partikel sich in der Probe befinden, sondern auch wie groß diese sind.
Analyse von Plastik in Gewässern, Blut und Körpergewebe
Die neue Messtechnik bietet einige Vorteile: „Im Vergleich zu herkömmlichen, verbreiteten Methoden wie der Rasterelektronenmikroskopie ist das neue Verfahren wesentlich günstiger, erfordert kein Fachpersonal für die Bedienung und reduziert die notwendige Zeit für eine ausführliche Analyse“, erläutert Seniorautor Mario Hentschel von der Universität Stuttgart. „Die Technik hat das Potenzial, als mobiler Teststreifen zu dienen, der dann direkt vor Ort Aussagen über den Gehalt von Nanoplastik in Gewässern oder Böden liefern könnte.“ Demnach könnte das neue Testverfahren künftig verwendet werden, um Umweltproben auf Plastikverschmutzung zu analysieren – was eine große Wissenslücke schließen würde.
„Aber auch Blut oder Gewebe könnte man mit unserem neuen Verfahren auf Nanoplastikpartikel untersuchen lassen“, erklärt Co-Autor Harald Giessen von der Universität Stuttgart. Das würde helfen, die Verbreitung und Auswirkung der Kunststoffe in unserem Körper zu verstehen. Dafür will das Team seinen Teststreifen nun weiter optimieren und in einer praktischen Form auf den Markt bringen. Unter anderem wollen die Forschenden dafür Experimente mit Nanoplastikpartikeln durchführen, die nicht kugelförmig sind. Zudem wollen sie untersuchen, ob sich mit dem Verfahren auch unterscheiden lässt, aus welchem Kunststoff die Partikel bestehen.
Quelle: Dominik Ludescher (Universität Stuttgart) et al.; Nature Photonics, doi: 10.1038/s41566-025-01733-x
