La pollution plastique est partout: dans les rivières et les océans, dans les airs et les montagnes, même dans notre sang et nos organes vitaux. La majeure partie de l'attention du public s'est concentrée sur les dangers des microplastiques. Ce sont des fragments inférieurs à 5 millimètres.
Mais une classe encore plus petite de fragments, nanoplastiques, peut présenter un plus grand risque pour notre santé et notre environnement. Avec des diamètres de moins d'un micromètre (un millionième de mètre), ces minuscules particules peuvent traverser des barrières biologiques importantes et s'accumuler dans le corps. Parce qu'ils sont si minuscules, la détection des nanoplastiques est extrêmement difficile et coûteuse. En conséquence, la détermination de l'étendue de leur impact a été largement contente.
Un moyen bon marché, facile et fiable de détecter les nanoplastiques est la première étape pour traiter leur impact potentiel. Dans notre nouvelle étude publiée aujourd'hui dans Photonique de la natureMes collègues et moi décrivons une méthode simple et à faible coût qui détecte, tailles et compte les nanoplastiques en utilisant rien de plus qu'un microscope standard et une caméra de base.
Décomposer en pièces toujours plus sales
Ce qui rend les plastiques utiles, c'est leur durabilité. Mais c'est aussi ce qui les rend problématiques.
Les plastiques ne disparaissent pas. Ils ne sont pas décomposés par l'écosystème de la même manière que les autres matériaux. Au lieu de cela, la lumière du soleil, la chaleur et les contraintes mécaniques divisent lentement le plastique séparément en fragments toujours plus petits. Des pièces plus grandes deviennent des microplastiques, qui deviennent finalement les nanoplastiques une fois qu'elles sont inférieures à un micromètre.
À une si petite taille, ils peuvent passer par d'importantes garanties biologiques telles que les barrières sanguines et placentaires. Ils peuvent ensuite commencer à s'accumuler dans nos organes, y compris nos poumons, notre foie et nos reins. Ils peuvent également transporter d'autres contaminants dans notre corps, comme les polluants et les métaux lourds.
Pourtant, malgré ces dangers, les données réelles sur les nanoplastiques sont rares.
Aujourd'hui, la détection et le dimensionnement des particules en dessous d'un micromètre repose souvent sur des méthodes de séparation et de filtration complexes suivies de processus coûteux, tels que la microscopie électronique. Ces méthodes sont puissantes. Mais ils sont également lents, coûteux et généralement confinés aux laboratoires avancés.
D'autres techniques de laboratoire optique, telles que la diffusion dynamique de la lumière, fonctionnent bien dans des échantillons « propres ». Cependant, ils luttent dans des échantillons du monde réel «désordonné» tels que l'eau du lac car ils ne peuvent pas facilement distinguer le plastique de la matière organique.
Un tamis optique
Pour résoudre ces problèmes, notre équipe internationale de l'Université de Melbourne et de l'Université de Stuttgart en Allemagne ont décidé de rendre la détection simple, abordable et portable.
Le résultat de nos travaux de collaboration est un tamis optique: une gamme de minuscules cavités avec différents diamètres gravés à la surface d'un type de matériau semi-conducteur appelé arséniure de gallium. Essentiellement, une collection de minuscules trous, invisibles à l'œil nu, dans un morceau plat d'un matériau approprié.
Les physiciens appellent ces cavités «mie vides». Selon leur taille, ils produisent une couleur distincte lorsque la lumière est brillante sur eux. Lorsqu'une goutte de liquide contenant des nanoplastiques s'écoule sur la surface, les nanoparticules auront tendance à s'installer dans des cavités qui correspondent étroitement à leur taille.
Ensuite, avec un rinçage chimique, les particules tardives se lavent tandis que celles appariées restent étroitement maintenues en place par les forces électromagnétiques.
Cette partie est simple. Mais cela ne rendrait pas le processus moins cher ou plus portable s'il nécessitait toujours un grand microscope électronique coûteux pour visualiser les particules piégées.
Mais voici la clé: lorsqu'une particule est capturée à l'intérieur d'une cavité, elle change la couleur de cette cavité. Cela signifie que les cavités remplies se distinguent facilement de celles vides au microscope optique standard avec une caméra en couleur ordinaire, passant souvent des teintes bleuâtre aux teintes rougeâtre.
En observant les changements de couleur, nous pouvons voir quelles cavités contiennent des particules. Étant donné que seules des particules de taille remplissent certaines cavités de taille, nous pouvons également déduire leur taille.
Dans nos expériences, en utilisant que notre tamis optique, un microscope optique standard et une caméra simple, nous avons pu détecter des sphères en plastique individuelles à environ 200 nanomètres de diamètre – dans la gamme de taille qui compte pour les nanoplastiques.
Le mettre à l'épreuve
Pour valider le concept, nous avons d'abord utilisé des billes de polystyrène dans une solution propre. Nous avons observé des changements de couleur claire pour les particules de diamètres entre 200 nanomètres et un micromètre.
Nous avons ensuite testé un échantillon plus « du monde réel », combinant l'eau du lac non filtrée (y compris les matériaux biologiques) avec du sable propre et des perles en plastique de tailles connues: 350 nanomètres, 550 nanomètres et un micromètre.
Après avoir déposé ce mélange sur le tamis optique, puis lui donner un rinçage, nous avons pu voir des bandes distinctes de cavités remplies de diamètres qui correspondaient aux perles que nous avions ajoutées.
Cela a confirmé que le tamis optique avait détecté avec succès les particules nanoplasiques dans l'échantillon d'eau du lac et déterminé leurs tailles. Surtout, cela ne nous a pas obligé à séparer d'abord les plastiques de la matière biologique.
Quelle est la prochaine étape?
Notre nouvelle méthode est une première étape pour développer une méthode bon marché, facile et portable pour la surveillance de routine des voies navigables, des plages et des eaux usées, et pour le dépistage des échantillons biologiques où le pré-nettoyage est difficile.
De là, nous explorons des chemins vers un dispositif de test portable et disponible dans le commerce qui peut être adapté pour une gamme d'échantillons du monde réel, en particulier ceux comme le sang et les tissus qui seront cruciaux pour surveiller l'impact des nanoplastiques sur notre santé.
