Ανίχνευση εξαιρετικά μικρών πλαστικών μικροσωματιδίων στο νερό
Τα μικρά σωματίδια που υπάρχουν στο περιβάλλον παράγονται είτε φυσικά μέσα στα υπόγεια ύδατα είτε μέσω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων. Τα εξαιρετικά μικρά σωματίδια σε μικρό ή μικρότερο μέγεθος (1 micron =10 m) παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον επειδή συχνά βρίσκονται χημικά πιο δραστικά από τα ίδια υλικά σε μεγαλύτερο μέγεθος. Η μελέτη της χημείας ενός σωματιδίου μικρού ή νανο-μεγέθους θα μας βοηθήσει, επιπλέον, να κατανοήσουμε την εγγενή του αντιδραστικότητα. Αυτό θα μπορούσε περαιτέρω να μας οδηγήσει στον εντοπισμό ορισμένων από τις περιβαλλοντικές ειδικές ιδιότητες του στερεού, όπως η διαλυτότητα, η καταλυτική δραστηριότητα και η τοξικότητα.
Για παράδειγμα, τα σωματίδια σχηματίζονται στα υπόγεια ύδατα μέσω της πυρήνωσης συστάδων ορυκτών και αποτελούν σημαντική πηγή θρεπτικών συστατικών για μικροοργανισμούς και φυτά. Η γνώση της χημικής αντιδραστικότητας των φυσικώς υπαρχόντων σωματιδίων είναι ένα κλειδί για να κατανοήσουμε πώς απελευθερώνονται τα ορυκτά ιόντα από τα σωματίδια. Επιπλέον, είναι σημαντικό για εμάς να γνωρίζουμε τη χημεία της επιφάνειας των σωματιδίων με τους ρύπους, ώστε να μπορούμε να προβλέψουμε εάν οι ρύποι που έχουν προσληφθεί από ένα ορυκτό σωματίδιο θα επανεισαχθούν αλλού ή θα εξαλειφθούν οριστικά από τα υπόγεια ύδατα μέσω καθίζησης.
Τα εξαιρετικά μικρά σωματίδια υπάρχουν επίσης στη φύση λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων. Σήμερα, υπάρχει μια μαζική παραγωγή προσαρμοσμένων μικρών σωματιδίων για εμπορικούς σκοπούς. Αυτά τα σωματίδια έχουν συχνά ενισχυμένη χημική αντιδραστικότητα, η οποία θα μπορούσε να έχει επιζήμιες επιπτώσεις στην υγεία μας και στο φυσικό οικοσύστημα μόλις εκπλυθούν.
Τα εξαιρετικά μικρά πλαστικά σωματίδια θα μπορούσαν επίσης να είναι επιβλαβή για την υγεία μας. Συγκεκριμένα, τα πλαστικά σωματίδια μπορεί να είναι ικανά να προσροφήσουν άλλες χημικές ουσίες, όπως έμμονους οργανικούς ρύπους από το περιβάλλον περιβάλλον, οι οποίοι στη συνέχεια βιοσυσσωρεύονται στο φαγητό μας μέσω της κατάποσης από υδρόβιους οργανισμούς. Επιπλέον, σε αντίθεση με τα κατασκευασμένα σωματίδια, τα πλαστικά σωματίδια είναι χημικά σταθερά και δεν υφίστανται φυσική αποδόμηση. Για αυτούς τους λόγους, είναι σημαντικό για εμάς να μπορούμε να προσδιορίζουμε τις επιπτώσεις στην υγεία και την οικοτοξικότητα των εξαιρετικά μικρών σωματιδίων και να παρακολουθούμε συνεχώς την παρουσία τους στο φυσικό οικοσύστημα.
Μια πρόκληση για τη μελέτη της χημικής αντιδραστικότητας μικρών σωματιδίων είναι ότι ένα μόνο εξαιρετικά μικρό σωματίδιο είναι πολύ μικρό για να συνδεθεί χειροκίνητα σε οποιονδήποτε υπάρχοντα αναλυτικό ανιχνευτή. Επιπλέον, η μελέτη τους σε ένα μεγάλο σύμπλεγμα τείνει να χάσει μέρος της εγγενούς χημικής τους αντιδραστικότητας και δεν θα ήταν στην ίδια κατάσταση όπως στο περιβάλλον. Στο νερό, όλα τα αιωρούμενα σωματίδια κινούνται τυχαία. αυτό ονομάζεται κίνηση Brown.
Έτσι, αντί να προσπαθήσουμε να στερεώσουμε ένα σωματίδιο σε έναν ανιχνευτή, η ανάλυσή μας περιμένει να συγκρουστεί τυχαία ένα σωματίδιο με τον ανιχνευτή. Επιπλέον, για να ανιχνευθούν τα σωματίδια πρόσκρουσης, εφαρμόζεται δυναμικό στο ηλεκτρόδιο ανίχνευσης. Όταν ένα δυναμικό ηλεκτροδίου επαρκεί για την παρατήρηση της χημικής αντίδρασης σε ή ενός συγκρουόμενου σωματιδίου, μια μεταβατική απόκριση σήματος, που συνήθως μοιάζει με ακίδα, θα καταγραφεί από τον ποτενσιοστάτη. Το σχήμα 1 παρουσιάζει μια γραφική αναπαράσταση ενός γεγονότος πρόσκρουσης σωματιδίων και ένα τυπικό χρονοαμπερόγραμμα (καμπύλη χρόνου-ρεύματος).
Διαπιστώθηκε ότι το παρατηρούμενο ρεύμα προέρχεται από την ηλεκτροχημική αναγωγή μορίων οξυγόνου που έχει προσροφηθεί από ένα πλαστικό σωματίδιο. Το ίδιο το πλαστικό δεν μπορεί να αντιδράσει ή να διευκολύνει οποιαδήποτε αντίδραση επειδή είναι ένα ηλεκτρικά μονωτικό και χημικά μη αντιδραστικό υλικό. Επιπλέον, από τη στιγμή που το απορροφούμενο οξυγόνο καθαριστεί με διέλευση καθαρού αερίου αζώτου για παρατεταμένο χρονικό διάστημα, δεν καταγράφεται αιχμή. Αυτό μπορεί να υπονοηθεί ότι τα πλαστικά μικροσωματίδια προσροφούν εύκολα άλλες χημικές ουσίες από το περιβάλλον, αν και απαιτείται περαιτέρω μελέτη.
Για το πολυαιθυλένιο, η διαλυτότητα του οξυγόνου είναι γνωστή, επομένως θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε το μέγεθος των σωματιδίων με βάση την ποσότητα οξυγόνου που βρίσκεται σε κάθε σωματίδιο, η οποία λαμβάνεται από την ενσωματωμένη περιοχή κάτω από έναν λούτσο. Σε αυτή τη μελέτη απόδειξης της ιδέας, είμαστε σε θέση να δείξουμε ότι η κατανομή μεγέθους της πλαστικής μικροσφαίρας που προκύπτει από την ηλεκτροχημική ανάλυση είναι σε καλή συμφωνία με την παρατήρηση χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Αυτό το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά σημαντικό, διότι δεν θα χρειαστεί να εξαχθούν σωματίδια από το δείγμα για τον προσδιορισμό του μεγέθους εάν μπορεί να αναγνωριστεί η χαρακτηριστική χημική αντίδραση του σωματιδίου.
Βρέθηκε ότι ο αριθμός των λούτσων που παρατηρούνται ανά μέτρηση εξαρτάται από τη συγκέντρωση των σωματιδίων. Δηλαδή, παρατηρήσαμε περισσότερες αιχμές καθώς η συγκέντρωση πλαστικών μικροσωματιδίων αυξήθηκε σταδιακά. Επιπλέον, είμαστε πραγματικά σε θέση να δημιουργήσουμε μια καμπύλη βαθμονόμησης, η οποία είναι μια γραμμική συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης των πλαστικών σωματιδίων και του αριθμού των παρατηρούμενων αιχμών. Είναι επιπλέον ενθαρρυντικό ότι η καμπύλη βαθμονόμησης περιλαμβάνει πάνω από περίπου τρεις τάξεις μεγέθους της συγκέντρωσης σωματιδίων (από 3,6 × 10 σωματίδια ανά λίτρο έως 1,4 × 10 σωματίδια ανά λίτρο). Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι η συγκέντρωση μικρών πλαστικών υπολειμμάτων σε φυσικά δείγματα νερού μπορεί να προσδιοριστεί αναλυτικά χρησιμοποιώντας την προσέγγιση πρόσκρουσης σωματιδίων.
Συμπερασματικά, τα εξαιρετικά μικρά σωματίδια μπορούν να μελετηθούν μεμονωμένα ενώ εξακολουθούν να αιωρούνται στο νερό χρησιμοποιώντας τυχαία σύγκρουση μεταξύ ενός σωματιδίου και ενός στατικού ηλεκτροδίου ανίχνευσης. Επιπλέον, εφαρμόζοντας δυναμικό στο ηλεκτρόδιο, μπορεί να μελετηθεί η χημεία που περιλαμβάνει το κρουστικό σωματίδιο. Αυτή η προσέγγιση είναι επίσης πολλά υποσχόμενη αναλυτική μέθοδος για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης σωματιδίων στο φυσικό υδάτινο περιβάλλον του.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο In situ Detection of Microplastics:Single Microparticle-electrode Impacts, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Electroanalysis . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Kenichi Shimizu, Stanislav V. Sokolov, Enno Kätelhön, Jennifer Holter, Neil P. Young και Richard G. Compton από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.
