3D-printet Nanoplastdetektor Målretter Mikroplastforurening

A team of engineers from McGill University recently unveiled a 3D-printed nanoplastic detector. The new device can detect harmful pollutants more efficiently and across a wider spectrum. The researchers hope their new system will help drive collaboration and innovation in the microplastic pollutants sector. Here’s how this development could help make the world safer for future generations.

Hvorfor Mikroplast er en Stigende Miljøkrise

Siden plastproduktionen gik for fuld fart i begyndelsen af det 19. århundrede, har mikroplast langsomt ophobet sig i miljøet. Bemærkelsesværdigt opstod begrebet mikroplast først i 2004, efter at Richard Thompson og et team af forskere brugte udtrykket i deres forskning i havforurenende stoffer. Disse mikroskopiske plastpartikler, mindre end 5 mm i størrelse, dannes, når større plaststykker nedbrydes over tid.

Rapporter viser, at op til 40 millioner pund mikroplast hvert år kommer ind i miljøet. Desværre antyder de samme rapporter, at ved dette tempo vil mængden fordobles inden 2040. Ifølge forskere kan mikroplast nu findes i næsten alle miljøer, og endda inde i din krop.

Mikroplast er især farlige, fordi de kommer ind i fødekæden, hvilket fører til farlige scenarier. I 2022 udførte forskerne i Nederlandene en række eksperimenter for at se, hvor alvorlig forureningen var på individuelt niveau. Testene afslørede, at 80 % af deltagerne havde mikroplastforurenende stoffer i deres kroppe.

En anden undersøgelse¹, der søgte at bestemme den gennemsnitlige persons mikroplastindtag, fandt, at den gennemsnitlige voksen indtager over 121.000 mikroplastpartikler om året gennem luft, mad og drikkevarer. Ud over bekymringer om indtagelse er der også problemer med luft- og vandkvalitet. Problemet er blevet så alvorligt, at FN har gjort reduktion af mikroplast til et globalt mål.

Nuværende Metoder til Påvisning af Mikroplast

Den nuværende metode til at påvise mikroplast i miljøet kræver flere trin. Massespektrometri giver den mest detaljerede og præcise påvisning af mikroplast på nanoskalering. Dog skal disse prøver indsamles og forberedes korrekt, før de kan testes.

Udfordringer ved Traditionelle Mikroplastdetekteringsteknikker

Den nuværende metode til mikroplastdetektion efterlader forskerne i en knibe, da de skal bruge meget tid på at forberede prøver til massespektrometri (MS)-scanninger. Den komplekse prøveforberedelse, kombineret med en fuldstændig mangel på etablerede protokoller for nanoplastdetektion, har ført til forskningshuller og en manglende evne til præcist og effektivt at påvise nano- og mikroplast i et bredt udvalg af miljømatricer.

Banebrydende Studie fra McGill University

Forskere fra McGill University mener, at de har løst dette problem. De udgav for nylig studiet² A HoLDI mass spectrometry platform for airborne nanoplastic detection i det videnskabelige tidsskrift Nature’s Communications Chemistry. Dette papir introducerer en ny metode til indsamling og analyse af luftbårne og vandbårne nano- og mikroplast.

Kilde – Nature

Hvad er den 3D-printede HoLDI Nanoplastdetektor?

Ingeniørerne begyndte deres arbejde ved at bygge videre på matrix-assisteret laserdesorption/ionisation (MALDI) MS for luftbåren nano-/mikroplastforskning, som allerede eksisterede. De bemærkede, at hvis de kunne integrere en 3D-printet hul-laser desorption/ionisation (HoLDI) platform, kunne den levere mere effektive, pålidelige og bæredygtige MS-signaler.

Hvordan Hollow-Laser Desorption/Ionisation Fungerer

Der er flere grunde til, at ingeniørerne fastslog, at HoLDI-MS var den bedste løsning. For det første eliminerede den behovet for komplicerede prøveforbehandlinger. Disse trin er en stor udfordring for ingeniører og har ført til en mangel på global standardisering, hvilket reducerer internationalt samarbejde.

Opbygning af den 3D-printede Detektors Opsætning

Forskerne opsatte deres nye system ved at bruge substrat, der holder analyter, som er direkte forbundet til bunden af en 3D-printet HoLDI-måltavle. Derfra fastgøres hele opsætningen til en pladeholder, før teamet placerer prøven i massespektrometeret. Når dette er på plads, bruger teamet laser til at trænge igennem måltavlen. Bemærkelsesværdigt passerer strålen gennem de hule strukturer, før den bestråler de luftbårne partikler, hvilket gør det muligt for teamet at udføre direkte analyse af prøven.

Direkte, Forberedelsesfri Mikroplastanalyse

Ingeniørerne bemærkede, at fjernelsen af prøveforberedelsesprocessen var en væsentlig opgradering af systemet. Kompleksiteten ved prøveforberedelse har længe hæmmet brugen af MS i felten. Denne nye tilgang er i stand til at tage uforberedte prøver og bestemme deres partikelstørrelsesfordeling, kemiske sammensætning og fysikokemiske egenskaber. Bemærkelsesværdigt kan metoden anvendes både til luftbårne og vandbaserede tests.

Reeltest i Luft, Sne og Vand

Ingeniørerne udførte flere tests for at sikre, at deres resultater var nøjagtige. Specifikt blev en scanning mobility particle sizer (SMPS) brugt til at spore partikelstørrelsesfordeling under 1 µm. Derudover gjorde en optisk partikelmåler (OPS) det muligt for teamet at måle partikler præcist mellem 0,3 og 10 µm. Endelig anvendte teamet en cascade micro-orifice uniform deposit impactor (MOUDI) til at indsamle eventuelle aerosoler på impaktionssubstrater.
Teamets testning gjorde det muligt for ingeniørerne at spore tætheden af nano-størrelses luftpartikler i løbet af en 24‑timmers overvågningsperiode. Derudover testede de deres værktøj på forskellige reelle miljømatricer. Specifikt testede teamet luft, sne og vand.

Overlegen Resultater fra den Nye Detektionsmetode

Testresultaterne viste, at nanoplastdetektionssystemet leverede overlegen gennemløbsanalyse af aerosoler.  Teamet sporede med succes tætheden og mængden af polyethylen, polyethylen glycol og polydimetylsiloxan i et indendørs miljø.
Resultaterne for vandbåren sporing var også imponerende. Den nye tilgang opnår samtidig massebaserede data og partikelbaseret fysikokemisk information med lavere omkostninger og hurtigere resultater. Derudover har testresultaterne hjulpet ingeniører med at skabe en universel ramme for aerosolindsamling‑forberedelse‑analyse.

Fordele ved den 3D-printede Nanoplastdetektor

Der er mange fordele, som dette studie bringer med sig. For det første hjælper det med at bane vejen for en global standardisering af mikroplastforurening. Teamet har allerede udtalt, at de har til hensigt at gøre al deres forskning tilgængelig for andre ingeniører. Tilgængeligheden fremmes ved at fjerne behovet for, at laboratorier skal eje avancerede udstyr som cascade‑impaktorer. I stedet fungerer en simpel vakuumfiltreringsopsætning som et effektivt alternativ til aerosolindsamling, hvilket åbner døren for global deltagelse.

Mere Præcis, Bæredygtig og Overkommelig Testning

En anden stor fordel ved denne tilgang er, at den eliminerer behovet for at forberede prøver. Ingeniørerne har udtalt, at forberedelse af prøver til MS er et af de mest tidskrævende og følsomme trin i den nuværende mikroplastdetektionsproces. Fjernelsen af behovet for forberedelse betyder, at forskere kan få resultater hurtigere og med mindre indsats.
Dette studie introducerer et genanvendeligt værktøj, der forbedrer bæredygtigheden. For eksempel reducerer fjernelsen af prøveforberedelser behovet for matrixkemi og ionparningsmidler, hvilket sænker omkostningerne og styrker langsigtet bæredygtighed.

Bærbarhed og Feltanvendelser

Den bærbare karakter af den opgraderede mikroplasttestopsætning er en stor fordel. Denne tilgang vil gøre det muligt for miljøforkæmpere og forskere at udføre on‑site testning af mikroplast. Tilgangen kan hjælpe dem med bedre at identificere de primære bidragydere til forureningen og hvor indsatsen skal fokuseres først.
Nøjagtigheden af denne mikroplasttest overgår langt dens forgængere. Fjernelsen af forberedelse og indførelsen af en standardiseret tilgang er alle skridt, der har bidraget til at levere mere præcise mikroplastdata sammenlignet med de gamle metoder. Nu kan forskere se præcis hvordan og hvor mikroplast forårsager skade.

Fremme af Standardisering og Globalt Samarbejde

Teamet er mest begejstret for den inspiration, deres studie vil bringe til markedet. Denne tilgang tilbyder overlegen datacomparison og validering på tværs af laboratorier verden over. Som følge heraf bør den hjælpe med at styrke samarbejdet, hvilket fører til mere innovation, mens den udfylder de ukendte aspekter ved processerne.

Den opgraderede mikroplastdetektionsmetode er mere overkommelig end sine forgængere. De lavere omkostninger skyldes fjernelsen af prøveforberedelser. Dette trin tog tid og kostede penge. Den nye tilgang er mere overkommelig, hvor forskerne hævder, at opsætningen kun koster et par dollars pr. prøve.

Effektivitet er en anden fordel, der gør denne tilgang til en bedre løsning. Den gamle metode til påvisning af nanoplast var præcis, men krævede mange flere trin, personale og udstyr. Den opgraderede nanopartikeldetektionsopsætning reducerer omkostninger og leverer mere præcise resultater gennem en mere energieffektiv tilgang.

Fremtidige Anvendelsesområder: Fra Sikkerhedssystemer til Industrielle Standarder

Der er mange anvendelser for en brugervenlig og præcis mikroplastdetektor. Denne enhed vil gøre det muligt for alle at lokalisere kilderne til nano- og mikroplast i miljøet, så både personer og producenter kan reducere deres forurening effektivt. Her er nogle nøgleanvendelser for denne teknologi.
Ingeniørerne bemærkede, at deres detektor med tiden kan opsættes til også at spore andre skadelige kemikalier. Enheden kan overvåge farlige metalforureninger, sekundære organiske stoffer og bioaerosoler. Systemets effektive karakter og bærbarhed bidrager til dets anvendelighed som sikkerhedsanordning.

Forventet Tidslinje for Implementering i Den Virkelige Verden

Det kan tage yderligere 5 år, før du ser denne forskning blive sat i god brug. De stigende bekymringer omkring mikroplast og forurenende stoffer, der trænger ind i kroppen, vil helt sikkert hjælpe med at fremskynde produktlanceringen. Indtil videre har teamet udtalt, at de vil fokusere på at forbedre maskinens effektivitet og nøjagtighed.

Forskere bag 3D-printet Nanoplastdetektor

Studiet af det 3D-printede nanoplastdetektionssystem blev ledet af Institut for Kemi, McGill University, Montreal, QC, Canada. Kemi professor Parisa Ariya er opført som hovedforfatter sammen med Zi Wang, Nadim K. Saadé, Robert J. Panetta, Zi Wang og Robert J. Panetta. Bemærkelsesværdigt modtog studiet finansiering fra Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), Canadian Foundation for Innovation (CFI) og National Research Council Canada (NRC).

Fremtiden for Nanoplastdetektionsteknologi

Fremtiden for nanoplastdetektionssystemer er lovende. Der er et reelt behov for disse løsninger i dag. Derfor håber ingeniørerne, at deres værktøj kan styrke fællesskabsdrevne initiativer til at reducere forurening. Projektets mål er at fremme internationalt samarbejde og harmonisere global forskning om plastforurening.

Investering i Plastgenanvendelse

Plastforurening er et stort problem, der har givet anledning til en hel industri dedikeret til at rense dette affald globalt. I dag er flere virksomheder i front for at skabe en sundere og bæredygtig fremtid. Her er en virksomhed, der har en stærk position på markedet.

Loop Industries Inc

Loop Industries (LOOP ) blev grundlagt af Daniel Solomita i 2014. Virksomheden er unik, da dens forretningsmodel fokuserer på genanvendelse af PET- og polyesteraffald. Denne tilgang suppleres af introduktionen af en revolutionerende plastgenanvendelsesteknik kaldet depolymerisationsteknologi.