7 دقیقه
نوار آزمایشی جدید نوری که نانوپلاستیک‌های نامرئی را قابل رؤیت میکند
ذرات نانوپلاستیک که پیش‌تر در میدان دید میکروسکوپ نوری نامرئی بودند، اکنون قابل مشاهده شده‌اند: نوار آزمایشی نوری تازه توسعه‌یافته در دانشگاه اشتوتگارت این امکان را فراهم میکند که ذرات خطرناک نانوپلاستیک با میکروسکوپ نوری معمولی شناسایی شوند. تصویر و اعتبار: University of Stuttgart / 4th Physics Institute.
پژوهشگران دانشگاه اشتوتگارت در همکاری با دانشگاه ملبورن یک نوار آزمایشی اپتیکی کم‌هزینه — یا به تعبیر دقیقتر یک «الک نوری» — ابداع کرده‌اند که با استفاده از میکروسکوپ نوری استاندارد، نانوپلاستیکها را آشکار می‌سازد. مقاله‌های منتشرشده در Nature Photonics جزئیات روش را شرح می‌دهد: این تکنیک مبتنی بر ایجاد حفره‌های میکروسکوپی مهندسی‌شده روی زیرلایه‌ای نیمه‌رسانا است که هنگام ورود ذره به درون حفره، رنگ بازتابی آن تغییر میکند. این تغییر رنگ امکان تشخیص بصری، شمارش و تخمین اندازه ذرات را تا مقیاس‌های کمتر از یک میکرومتر فراهم می‌آورد.
نحوه عملکرد «الک نوری»
الک نوری از اثرات تشدید اپتیکی در فرورفتگیهای بسیار کوچک بهره میبرد که به آن‌ها «Mie voids» گفته میشود. هر فرورفتگی، بسته به قطر و عمق خود، رنگ بازتابی مشخصی تولید میکند؛ وقتی یک ذره نانوپلاستیک وارد فرورفتگی شود، شرایط تشدید تغییر کرده و رنگ بازتابی جابهجا میشود. با الگوپردازی آرایهای از فرورفتگی‌ها با ابعاد متفاوت، نوار مانند یک الک عمل میکند: ذرات متناسب با اندازه‌شان تمایل دارند در حفره‌هایی با اندازه مشابه جمع شوند و نقشه‌ای رنگی پدید می‌آورند که حضور، تعداد و توزیع تقریبی اندازه‌ها را نشان می‌دهد.
از منظر فیزیکی، مکانیزم مبتنی بر تداخل و تشدید نور در مقیاس نانومتری است؛ وقتی ضریب شکست ذره با محیط اطراف تفاوت دارد، میدان الکترومغناطیسی موضعی درون فرورفتگی تغییر میکند و این امر موجب شیفت طیفی بازتاب میشود. این تغییر طیفی به صورت اختلاف رنگ تحت نور سفید قابل رؤیت است و به اپراتور اجازه می‌دهد بدون نیاز به برهم‌کنش مستقیم الکترونی یا برچسب‌گذاری شیمیایی، ذرات را شناسایی کند. فرایند الگوپردازی فرورفتگی‌ها معمولاً با تکنیک‌های لیتوگرافی و حکاکی مناسب نیمه‌رسانا انجام میشود تا کنترل دقیق بر قطر و عمق هر حفره حاصل شود.
در این تصویر، ذرات نانوپلاستیک متناسب با اندازۀ خود وارد حفره‌های مناسب روی نوار آزمایشی شده‌اند. رنگ حفره‌ها تغییر کرده و رنگ جدید حاوی اطلاعاتی دربارهٔ شمار و اندازه ذرات است. اعتبار تصویر: University of Stuttgart / 4th Physics Institute.
مزایا و تأیید تجربی
در مقایسه با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، این روش بسیار ارزانتر، سریعتر و سادهتر عملیات میشود و نیاز به تجهیزات تخصصی و اپراتورهای ماهر را کاهش می‌دهد. SEM ابزار قدرتمندی است اما هزینه بالا، زمان آمادهسازی نمونه و نیاز به خلأ و شرایط خاص را به همراه دارد؛ در مقابل، الک نوری میتواند با میکروسکوپ نوری معمولی و حتی میکروسکوپ‌های میدانی قابل حمل کار کند که این امر امکان پایش سریع و میدانی را فراهم می‌آورد.
برای ارزیابی تجربی، تیم پژوهشی مقادیر معلوم از نانوذرات کروی را به آب دریاچۀ آزمایشگاهی حاوی شن و مواد آلی افزود و سپس از الک نوری برای اندازه‌گیری نمونه‌ها استفاده کرد. در این آزمایش‌ها نمونه‌ای با غلظت معین — حدود 150 µg/ml — تست شد و با استفاده از نقشه رنگی حاصل از فرورفتگی‌ها، تعداد ذرات و توزیع اندازه آن‌ها تخمین زده شد. نتایج با اندازه‌گیری‌های مرجع مقایسه شد تا صحت و دقت روش سنجیده گردد؛ این ارزیابی اولیه نشان داد که الک نوری قادر به تشخیص و شمارش ذرات کروی در محدوده مشخص است و میتواند به سرعت نتایج مفیدی برای مطالعات کیفی و نیمه‌کمی فراهم کند.
افزون بر نتایج آزمایشگاهی، تیم پژوهشی به مسائل عملی مانند کارآیی جداسازی ذرات، تاثیر ماتریس نمونه (وجود رسوبات، مواد آلی، و یون‌ها)، و نیاز به فرآیندهای آمادهسازی ساده مانند فیلتراسیون یا رسوب‌گذاری ملایم پرداخته است. آن‌ها نشان داده‌اند که با پروتکلهای آمادهسازی مناسب می‌توان اختلال‌های ناشی از شن یا ذرات درشت‌تر را کاهش داد تا سیگنال ناشی از نانوپلاستیکها واضح‌تر شود.
دامنه تشخیص و محدودیتها
در مراحل فعلی نمایش‌ها، توان تفکیک پایدار برای ذراتی در حدود 0.2 تا 1 میکرومتر قطر گزارش شده است. این بازه برای بسیاری از مطالعات زیست‌محیطی و سمیشناسی مفید است، اما محدودیت‌های شناخته‌شده‌ای نیز وجود دارد که نیاز به کار پژوهشی بیشتر دارند. به‌عنوان مثال، ذرات غیرکروی یا رشته‌ای ممکن است رفتار متفاوتی نسبت به حفره‌ها از خود نشان دهند و نیاز به بررسی‌های اضافی برای درک چگونگی قرارگیری و تأثیر آن‌ها بر تغییر رنگ فرورفتگی‌ها وجود دارد.
همچنین تمایز بین انواع پلیمرها تنها بر پایه تغییرات رنگ بازتابی میتواند دشوار باشد، زیرا سیگنال نوری وابسته به اندازه، شکل و ضریب شکست است و نه فقط ترکیب شیمیایی. برای تشخیص نوع پلیمر، ترکیب این روش با روشهای طیفسنجی یا شیمیایی (مثلاً طیفسنجی رامان یا FTIR) میتواند راهگشا باشد. نهایتاً پژوهشگران برنامه‌هایی برای آزمایش روی نمونههای محیطی با مخلوط‌های طبیعی نانوپلاستیک دارند تا پایداری روش در شرایط واقعی و تنوع ذرات را بسنجند.
پیامدها برای پایش محیط زیست و سلامت
نانوپلاستیکها به دلیل اندازه زیرمیکرومتری‌شان نگرانی فزاینده‌ای ایجاد کرده‌اند؛ این ذرات توان عبور از سدهای زیستی را دارند و ممکن است وارد بافت‌ها و اندام‌ها شوند. وجود ابزارهای ارزان، دقیق و قابل استفاده در میدان میتواند قابلیت پایش گسترده‌تری را فراهم آورد و به جمع‌آوری داده‌های مکانی و زمانی کمک کند که برای ارزیابی ریسک و تدوین سیاست‌های محیط‌زیستی ضروری‌اند.
الک نوری کم‌هزینه میتواند در موقعیت‌های مختلف بهکار گرفته شود: از نمونهبرداری آبهای سطحی و زیرسطحی گرفته تا خاک و حتی نمونههای زیستی مانند مایعات بدن یا بافت‌ها در مطالعات آزمایشگاهی. در موارد میدانی، ترکیب این ابزار با میکروسکوپ‌های رومیزی قابل حمل یا موبایل میتواند روند بررسی‌ها را تسریع کند و نیاز به ارسال نمونه به آزمایشگاه‌های تخصصی را کاهش دهد. علاوه بر این، یک رابط نرم‌افزاری مبتنی بر بینایی ماشین میتواند تصاویر رنگی حاصل را به‌صورت خودکار تحلیل کرده و شمار و اندازه ذرات را گزارش دهد؛ این کار دقت، تکرارپذیری و سرعت پردازش داده‌ها را بهبود می‌بخشد.
از منظر بهداشت عمومی، امکان تشخیص سریع نانوپلاستیکها به معنی توانایی نظارت زودهنگام بر منابع آب آشامیدنی، ارزیابی تاثیر تصفیه‌خانه‌ها، و پایش روندهای آلودگی در مقیاس محلی و منطقه‌ای است. داده‌های به‌دست‌آمده از طریق چنین ابزارهایی می‌توانند مبنای مطالعات سمی‌شناختی هدفمندتر شوند؛ برای مثال، تعیین اینکه کدام اندازه‌ها یا اشکال ذرات بیشترین نفوذپذیری زیستی را دارند و در نتیجه اولویت‌بندی اقدامات اصلاحی.
نتیجه‌گیری
الک نوری یک ابزار امیدوارکننده و مقیاس‌پذیر برای آشکارسازی نانوپلاستیکها است که میتواند روشهای میکروسکوپی و تحلیل شیمیایی موجود را تکمیل کند. با توسعه بیشتر برای تمایز مواد، انطباق با ذرات غیرکروی، و اعتبارسنجی گسترده روی نمونههای واقعی محیطی، این تکنیک پتانسیل تبدیل شدن به یک آزمون ابتدایی عملی برای پژوهشگران، برنامههای پایش و حتی کاربری‌های میدانی را دارد.
در چشم‌انداز کوتاه‌مدت، تمرکز بر افزایش دامنه اندازه قابل تشخیص، بهبود پروتکلهای آمادهسازی نمونه و توسعه الگوریتم‌های خودکار تحلیل تصویر خواهد بود. در میان‌مدت و بلندمدت، ادغام با روشهای طیفسنجی، استانداردسازی نمونهبرداری و ایجاد پایگاه‌های داده مقایسه‌ای میتواند موقعیت این روش را در زنجیره ابزارهای پایش محیطی و مطالعات زیست‌محیطی تثبیت کند. در نهایت، این تکنیک میتواند نقش مهمی در تسریع ارزیابی‌های زیست‌محیطی و کاهش هزینه‌های لجستیکی برای شناسایی نانوپلاستیکها بازی کند.
منبع: scitechdaily
نظرات