Нанополости обеспечивают отбор частиц и считывание цветового сигнала
Исследователи Штутгартского и Байройтского университетов продемонстрировали оптическую сенсорную платформу, которая различает модельные частицы нанопластика по форме и цветовому отклику, зависящему от материала. Работа опубликована в Nature Communications 7 августа 2026 года. В ней используются нанополости в арсениде галлия, называемые полостями Ми. Захваченная частица меняет оптический отклик полости и, следовательно, отражённый цвет.
Круглые и эллиптические полости служат одновременно местами захвата и источниками оптического сигнала. В экспериментах применяются оптическая микроскопия и изображения с камеры с последующим анализом цвета; в отдельных сравнениях также контролируется поляризация освещения. Сканирующая электронная микроскопия показывает частицы и их положение в полостях соответствующих участков. Эталонные измерения с одним типом полимера помогают соотнести измеренные цвета с частицами.
Эталонные измерения различают модельные полимеры
В первом сравнении материалов использовали частицы полистирола (PS) и полиметилметакрилата (PMMA) с номинальным диаметром 300 нм. Динамическое рассеяние света дало средние диаметры 363 нм для PS и 374 нм для PMMA по результатам трёх измерений. Полости с этими частицами образовали отдельные цветовые группы наряду с пустыми полостями. В отдельном примере частица загрязнения дала цветовой отклик, выходящий за пределы основных групп.
В последующем опыте со смесью сферические частицы PS, PMMA и PET объединили с вытянутыми частицами PS. Частицы PET были изготовлены с использованием затравочных частиц PS и содержали не менее 75% PET. Их точный состав был неизвестен и явно не учитывался в моделировании. Измеренный средний диаметр этой популяции частиц PET составлял 303 нм. Для итоговой смеси использовали отдельные эталонные измерения. Цвета круглых и эллиптических полостей анализировали раздельно, поскольку цветовые группы пустых эллиптических полостей и круглых полостей с PMMA могли перекрываться.
Форма и поляризация влияют на оптический сигнал
Исследователи сравнили сферические частицы с вытянутыми частицами PS, рассчитанными на отношения длинной оси к короткой 2:1, 3:1 и 4:1. Соответствие геометрии полости и частицы, а также последующая очистка способствовали избирательному захвату. В одном эксперименте 11 из 7500 круглых полостей удержали вытянутую частицу концом вперёд, что соответствует 0,15%. Эталонные измерения показали цветовое различие между этими случаями и круглыми полостями со сферическими частицами.
Значение имели также представление цвета и освещение. Четыре состояния круглых и эллиптических полостей — пустых или содержащих PS — образовали отдельные группы в пространстве RGB, тогда как представление CIE не позволило различить все четыре группы. Для эллиптических полостей изменение поляризации меняло цветовое расстояние между пустыми и занятыми состояниями. Дополнительные контроли показали пренебрежимо малые изменения при варьировании поляризации для пустых круглых полостей и круглых полостей с идеальным размещением частиц. Перед каждым экспериментальным снимком баланс белого настраивали по открытой поверхности арсенида галлия; в моделировании использовали идеальный белый эталон.
Измерения на реальных образцах предложены как следующий этап
В продемонстрированных смесях использовали подготовленные модельные частицы. В обсуждении авторы предлагают дальше оптимизировать геометрию полостей, чтобы согласовать её с частицами и усилить оптические резонансы, а также изучать функционализацию поверхности для более сложных сред. Измерения на реальных образцах окружающей среды и биологических образцах, включая кровь, они называют будущим способом проверки характеристик системы.
Авторы рассматривают возможность создания тест-полосок и мобильных детекторов для масштабного скрининга нанопластиков. Это предложенное ими направление разработки. Описывая во введении предыдущие подходы на основе полостей Ми, они отмечают, что недорогое применение вне лаборатории неспециалистами требует дальнейших исследований.
-
All-optical Mie void sensor for complex nanoplastic mixtures ↗
Nature Communications · CC-BY-4.0 ↗. Dominik Ludescher, Julian Schwab, Serkan Arslan, Evelyn Kubacki, Monika Ubl, Markus Retsch, Harald Giessen and Mario Hentschel (2026). All-optical Mie void sensor for complex nanoplastic mixtures. Nature Communications 17, 8010. DOI: 10.1038/s41467-026-76199-8. © The Author(s) 2026. CC BY 4.0. Adapted, edited and translated by FoodRadar. Переведено и адаптировано FoodRadar.