גלאי ננו-פלסטיק מודפס בתלת-ממד מכוון לזיהום מיקרופלסטיק

צוות מהנדסים מאוניברסיטת מקגיל חשף לאחרונה גלאי ננו-פלסטיק מודפס בתלת-ממד. המכשיר החדש יכול לזהות מזהמים מזיקים בצורה יעילה יותר ובספקטרום רחב יותר. החוקרים מקווים שהמערכת החדשה שלהם תסייע לקדם שיתוף פעולה וחדשנות בתחום מזהמי המיקרו-פלסטיק. כך פיתוח זה יכול לסייע להפוך את העולם לבטוח יותר עבור הדורות הבאים.

מדוע מיקרופלסטיק מהווה משבר סביבתי הולך וגובר

מאז שייצור הפלסטיק החל במלוא עוצמתו בתחילת המאה ה-19, מיקרופלסטיק מצטבר באיטיות בסביבה. ראוי לציין כי המונח מיקרופלסטיק הופיע לראשונה בשנת 2004 לאחר שריצ'רד תומפסון וצוות חוקרים השתמשו במונח לאחר שחקרו מזהמי אוקיינוס. חלקיקי פלסטיק זעירים אלה, בגודל של פחות מ-5 מ"מ, נוצרים לאחר שחתיכות פלסטיק גדולות יותר מתפרקות לאורך זמן.

דיווחים מראים כי עד 40 מיליון פאונד של מיקרופלסטיק חודרים לסביבה מדי שנה. למרבה הצער, אותם דיווחים מצביעים על כך שבקצב זה, הוא יוכפל עד 2040. לדברי חוקרים, מיקרופלסטיק ניתן למצוא כיום כמעט בכל סביבה, ואפילו בתוך הגוף.

מיקרופלסטיק מסוכן במיוחד משום שהוא נכנס לשרשרת המזון, מה שמוביל לתרחישים מסוכנים. בשנת 2022, חוקרים בהולנד ערכו סדרה של ניסויים כדי לראות עד כמה חמור הזיהום ברמה האישית. הבדיקות גילו כי 80% מהנבדקים הכילו מזהמים מיקרופלסטיים בגופם.

מחקר נוסף¹, שביקש לקבוע את צריכת המיקרופלסטיק הממוצעת של אדם, מצא כי מבוגר ממוצע סופג מעל 121,000 חלקיקי מיקרופלסטיק בשנה דרך אוויר, מזון ומשקאות. בנוסף לחששות בנוגע לבליעה, ישנן גם בעיות באיכות האוויר והמים. הבעיה החמירה עד כדי כך שהאו"ם הפך את הפחתת המיקרופלסטיק למטרה עולמית.

שיטות עדכניות לגילוי מיקרופלסטיק

השיטה הנוכחית לגילוי מיקרופלסטיק בסביבה דורשת מספר שלבים. ספקטרומטריית מסות מספקת את הגילוי המפורט והמדויק ביותר של מיקרופלסטיק בקנה מידה ננומטרי. עם זאת, יש לאסוף דגימות אלו ולהכין אותן כראוי לפני שניתן יהיה לבדוק אותן.

אתגרים בטכניקות מסורתיות לגילוי מיקרופלסטיק

השיטה הנוכחית לגילוי מיקרופלסטיק מותירה את החוקרים במכשול בכך שעליהם להשקיע זמן רב בהכנת דגימות לסריקות ספקטרומטריית מסה (MS). הכנת הדגימות המורכבת, בשילוב עם היעדר מוחלט של פרוטוקולים מבוססים לגילוי ננופלסטיק, הובילה לפערים במחקר ולחוסר יכולת לזהות במדויק וביעילות ננופלסטיק ומיקרופלסטיק במגוון רחב של מטריצות סביבתיות.

מחקר פורץ דרך מאוניברסיטת מקגיל

חוקרים מאוניברסיטת מקגיל מאמינים שפתרו את הבעיה הזו. לאחרונה הם פרסמו את המחקר² פלטפורמת ספקטרומטריית מסות HoLDI לגילוי ננופלסטיקים באוויר, בכתב העת המדעי Nature's Communications Chemistry. מאמר זה מציג שיטה חדשנית לאיסוף וניתוח של ננו- ומיקרו-פלסטיק הנישאים באוויר ובמים.

מקור - טבע

מהו גלאי הננופלסטיק HoLDI המודפס בתלת-ממד?

המהנדסים החלו את מאמציהם על ידי בנייה על פלטפורמת לייזר דסורפציה/יינון בסיוע מטריצה ​​(MALDI) שכבר קיימת למחקר ננו/מיקרופלסטיק מוטס. הם ציינו שאם יוכלו לשלב פלטפורמת לייזר חלול דסורפציה/יינון (HoLDI) מודפסת בתלת-ממד, היא תוכל להציע אותות MS יעילים, אמינים וברי קיימא יותר.

כיצד פועלת דסורפציה/יינון בלייזר חלול

ישנן מספר סיבות לכך שהמהנדסים קבעו ש-HoLDI-MS היא האפשרות הטובה ביותר. ראשית, היא ביטלה את הצורך בטיפולים מקדימים מורכבים בדגימות. שלבים אלה מהווים אתגר מרכזי עבור מהנדסים והובילו לחוסר סטנדרטיזציה עולמית, מה שמפחית את שיתוף הפעולה הבינלאומי.

בניית מערך הגלאי המודפס בתלת-ממד

החוקרים הקימו את המערכת החדשה שלהם באמצעות אנליטים המחזיקים בסובסטרט המחוברים ישירות לתחתית לוחית מטרה מודפסת תלת-ממדית מסוג HoLDI. משם, המערכת כולה מחוברת למחזיק לוחית לפני שהצוות מכניס את הדגימה לספקטרומטר המסות. לאחר סידור זה, הצוות משתמש בלייזרים כדי לחדור ללוחית המטרה. ראוי לציין כי הקרן עוברת דרך המבנים החלולים לפני שהיא מקרינה את החלקיקים הנישאים באוויר, מה שמאפשר לצוות לבצע ניתוח ישיר של הדגימה.

ניתוח מיקרופלסטי ישיר, ללא הכנה

המהנדסים ציינו כי הסרת תהליך הכנת הדגימות הייתה שדרוג משמעותי למערכת. מורכבות הכנת הדגימות מנעה זה מכבר שימוש בטכנולוגיית מיקרוסקופיה (MS) בשטח. גישה חדשה זו מסוגלת לקחת דגימות לא מוכנות ולקבוע את פיזור גודל החלקיקים שלהן, את ההרכב הכימי ואת המאפיינים הפיזיקוכימיים שלהן. ראוי לציין כי השיטה יכולה לעבוד הן עבור בדיקות אוויריות והן עבור בדיקות ימיות.

בדיקות בעולם האמיתי באוויר, בשלג ובמים

המהנדסים ביצעו מספר בדיקות כדי להבטיח את מדויקות ממצאיהם. באופן ספציפי, נעשה שימוש במכשיר סריקה לגודל חלקיקים ניידות (SMPS) כדי לעקוב אחר התפלגות גודל החלקיקים מתחת ל-1 מיקרומטר. בנוסף, מכשיר אופטי לגודל חלקיקים (OPS) אפשר לצוות למדוד במדויק חלקיקים שבין 0.3 ל-10 מיקרומטר. לבסוף, הצוות השתמש במכשיר MOUDI (Cascade Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor) כדי לאסוף אירוסולים על מצעי הפגיעה.

הבדיקות של הצוות אפשרו למהנדסים לעקוב אחר צפיפותם של חלקיקים ננומטריים הנישאים באוויר לאורך תקופת ניטור של 24 שעות. בנוסף, הם בדקו את הכלי שלהם על פני מטריצות סביבתיות שונות מהעולם האמיתי. באופן ספציפי, הצוות בדק אוויר, שלג ומים.

תוצאות מעולות משיטת הגילוי החדשה

תוצאות הבדיקה הראו שמערכת גילוי הננו-פלסטיק הציעה ניתוח תפוקה מעולה של אירוסולים. הצוות עקב בהצלחה אחר הצפיפות והכמות של פוליאתילן, פוליאתילן גליקול ופולידימתיל סילוקסאן בסביבה פנימית.

גם התוצאות עבור מעקב מים היו מרשימות. הגישה החדשה משיגה נתונים מבוססי מסה ומידע פיזיקוכימי מבוסס חלקיקים במקביל עם תקורה נמוכה יותר ותוצאות מהירות יותר. בנוסף, תוצאות הבדיקה סייעו למהנדסים ליצור מסגרת אוניברסלית לאיסוף, הכנה וניתוח אירוסולים.

יתרונות גלאי הננופלסטיק המודפס בתלת-ממד

מחקר זה מביא יתרונות רבים. ראשית, הוא מסייע בהכנת הקרקע לתקינה עולמית של מזהמי מיקרופלסטיק. הצוות כבר הצהיר כי בכוונתו להנגיש את כל המחקר שלו למהנדסים אחרים. הנגישות מתקדמת על ידי ביטול הצורך של מעבדות להחזיק בפריטים מתקדמים כמו מכשירי אימפקט קסדה. במקום זאת, מערכת סינון ואקום פשוטה משמשת כחלופה יעילה לאיסוף אירוסולים, ופותחת את הדלת להשתתפות עולמית.

בדיקות מדויקות יותר, בנות קיימא ובמחיר סביר יותר

יתרון מרכזי נוסף של גישה זו הוא שהיא מבטלת את הצורך בהכנת דגימות. המהנדסים הצהירו כי הכנת דגימות לטרשת נפוצה היא אחד השלבים הגוזלים ביותר זמן ורגישים בתהליך גילוי המיקרופלסטיק הנוכחי. ביטול הצורך בהכנה פירושו שמדענים יכולים לקבל תוצאות מהר יותר ובפחות מאמץ.

מחקר זה מציג כלי ניתן למחזור המשפר את הקיימות. לדוגמה, ביטול הכנת דגימות מפחית את הצורך בכימיקלים של מטריקס ובחומרי זיווג יונים, מה שמוריד עלויות ומשפר את הקיימות לטווח ארוך.

ניידות ויישומי שטח

האופי הנייד של מערך בדיקות המיקרופלסטיק המשודרג הוא יתרון גדול. גישה זו תאפשר לאנשי איכות הסביבה ולמדענים לבצע בדיקות באתר לאיתור מיקרופלסטיק. גישה זו יכולה לעזור להם לקבוע טוב יותר את התורמים העיקריים לזיהום והיכן למקד את המאמצים תחילה.

הדיוק של בדיקת מיקרופלסטיק זו עולה בהרבה על קודמיה. ביטול הצורך בהכנה והכנסת גישה סטנדרטית הם כולם צעדים שסייעו לספק נתונים מדויקים יותר על מיקרופלסטיק בהשוואה לאפשרויות הישנות. כעת, חוקרים יכולים לראות בדיוק כיצד והיכן מיקרופלסטיק גורם נזק.

קידום סטנדרטיזציה ושיתוף פעולה גלובלי

הצוות נרגש מאוד מההשראה שהמחקר שלהם יביא לשוק. גישה זו מציעה השוואה ואימות נתונים מעולים במעבדות ברחבי העולם. כתוצאה מכך, היא אמורה לסייע בשיפור שיתוף הפעולה, ולהוביל לחדשנות רבה יותר תוך מילוי אלמנטים לא ידועים בנוגע לתהליכים.

שיטת גילוי המיקרופלסטיק המשודרגת משתלמת יותר מקודמותיה. העלויות הנמוכות יותר נובעות מביטול הצורך בהכנת דגימות. שלב זה ארך זמן ועלה כסף. הגישה החדשה משתלמת יותר, כאשר החוקרים מתפארים בכך שההקמה עולה רק כמה דולרים לדגימה.

יעילות היא יתרון נוסף שהופך גישה זו לפתרון טוב יותר. השיטה הישנה לגילוי ננו-פלסטיק הייתה מדויקת ודרשה הרבה יותר שלבים, כוח אדם וציוד. מערך גילוי הננו-חלקיקים המשודרג מפחית עלויות ומספק תוצאות מדויקות יותר באמצעות גישה חסכונית יותר באנרגיה.

מקרי שימוש עתידיים: ממערכות בטיחות ועד תקני תעשייה

ישנם יישומים רבים לגלאי מיקרופלסטיק פשוט לשימוש ומדויק. מכשיר זה יאפשר לכל אחד לאתר את מקורות הננו-פלסטיק והמיקרופלסטיק בסביבה, ויאפשר הן לאנשים והן ליצרנים להפחית את הזיהום שלהם ביעילות. הנה כמה יישומים מרכזיים לטכנולוגיה זו.

המהנדסים ציינו כי עם הזמן, ניתן יהיה להגדיר את הגלאי שלהם למעקב גם אחר כימיקלים מזיקים אחרים. המכשיר יכול לנטר מזהמי מתכת מסוכנים, חומרים אורגניים משניים וביו-אירוסולים. אופייה היעיל של המערכת וניידותה מוסיפים לתועלתה כמכשיר בטיחות.

ציר זמן צפוי לפריסה בעולם האמיתי

ייתכן שיחלפו עוד 5 שנים עד שתראו את המחקר הזה מיושם בצורה טובה. החששות הגוברים בנוגע למיקרופלסטיק ומזהמים הנכנסים לגוף בוודאי יסייעו להאיץ את השקת המוצר. לעת עתה, הצוות הצהיר כי יתמקד בשיפור היעילות והדיוק של המכונה.

חוקרי גלאי ננופלסטי מודפס בתלת-ממד

המחקר על מערכת גילוי ננו-פלסטיק מודפסת בתלת-ממד נוהל על ידי המחלקה לכימיה, אוניברסיטת מקגיל, מונטריאול, קוויבק, קנדה. פרופסור לכימיה, פריסה אריה, רשומה כמחברת ראשית לצד זי וואנג, נדים ק. סעדה, רוברט ג'יי פנטה, זי וואנג ורוברט ג'יי פנטה. ראוי לציין כי המחקר קיבל מימון ממועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC), הקרן הקנדית לחדשנות (CFI) והמועצה הלאומית למחקר של קנדה (NRC).

עתיד טכנולוגיית גילוי ננו-פלסטיק

עתיד מערכות גילוי ננו-פלסטיק מזהיר. קיים צורך ממשי בפתרונות אלה כיום. ככאלה, המהנדסים מקווים שהכלי שלהם יוכל לסייע בהנעת תנועות קהילתיות שיסייעו בהפחתת הזיהום. מטרת הפרויקט היא לקדם שיתוף פעולה בינלאומי וליצור הרמוניה בין מחקרים עולמיים בנושא זיהום פלסטיק.

השקעה במחזור פלסטיק

זיהום פלסטיק הוא בעיה מרכזית שהולידה תעשייה שלמה המוקדשת לניקוי פסולת זו ברחבי העולם. כיום, מספר חברות מובילות את המהלך לעבר עתיד בריא ובר קיימא. הנה חברה אחת המחזיקה בעמדה חזקה בשוק.

Loop Industries Inc

תעשיות לולאה (LOOP -2.1%) נוסדה על ידי דניאל סולומיטה בשנת 2014. החברה ייחודית בכך שמודל העסקי שלה מתמקד במחזור פסולת PET ופוליאסטר. גישה זו מגיעה לשיא בהכנסתה של טכניקת מיחזור פלסטיק מהפכנית הנקראת טכנולוגיית דה-פולימריזציה.

טכנולוגיית דה-פולימריזציה מאפשרת למשתמשים ליצור PET ממוחזר בטוהר גבוה לשימוש באריזות מוצרי צריכה ישירות מפסולת פלסטיק. גישה זו סייעה לחברה להבטיח לעצמה מקום נישה בשוק. לאחרונה היא החלה להציע מוצרים ממוחזרים ב-100% לשווקים, כולל בקבוקי PET מסוג Loop.

חברת Loop Industries חוותה צמיחה ניכרת מאז השקתה. ראוי לציין כי החברה הונפקה לציבור באמצעות מיזוג הפוך. כיום, היא זוכה לתמיכה חזקה מצד משקיעים מוסדיים ופרטיים כאחד. לדוגמה, היא הבטיחה השקעה של 56.5 מיליון דולר מ-SK Geo Centric כדי לקדם את המחקר שלה. כל הגורמים הללו תורמים להפוך את Loop Industries למניה חכמה שכדאי לעקוב אחריה בתחום מיחזור הפלסטיק.

חדשות ופיתוחים אחרונים של Loop Industries במניות

מחשבות אחרונות: כיצד גילוי ננו-פלסטיק יכול להציל חיים

גלאי הננו-פלסטיק התלת-ממדי משנה את כללי המשחק. מערכת גילוי זיהום זו, בעלת עלות נמוכה ומדויקת ביותר, תעזור יום אחד לשמור על סביבת העבודה, הבית והשכונה שלכם נקיים יותר. לעת עתה, ראוי לברך את המדענים הללו על עבודתם הקשה והצלחתם, שיכולה להוביל לעולם בטוח יותר לכולם.

למדו על פרויקטים מגניבים נוספים של קיימות כאן.

מחקרים שהוזכרו:

<sup>1. קוקס, ק.ד., קוברנטון, ג'.א., דייויס, ה.ל., דאוור, ג'.פ., חואנס, פ., ודודאס, ס.א. (2019). צריכה אנושית של מיקרופלסטיק. מדעי הסביבה וטכנולוגיה, 53(12), 7068-7074. https://doi.org/10.1021/acs.est.9b01517
2. Wang, Z., Saadé, NK, Panetta, RJ, & Ariya, PA (2025). פלטפורמת ספקטרומטריית מסות HoLDI לגילוי ננופלסטיקים הנישאים באוויר. כימיה בתקשורת, 8, סעיף 90. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01483-5</sup>