Nanopartikler forbliver uforudsigelige

Den måde, nanopartikler opfører sig i miljøet på, er ekstremt kompleks. Der er i øjeblikket mangel på systematiske eksperimentelle data til at hjælpe med at forstå dem udtømmende, som ETHs miljøforskere har vist i et stort oversigtsstudie. En mere standardiseret tilgang vil bidrage til at fremme forskningsfeltet.

Nanoteknologiindustrien blomstrer. Hvert år, flere tusinde tons menneskeskabte nanopartikler produceres på verdensplan; før eller senere, en vis del af dem vil ende i vand eller jord. Men selv eksperter har svært ved at sige præcis, hvad der sker med dem der. Det er et komplekst spørgsmål, ikke kun fordi der er mange forskellige typer af menneskeskabte (konstruerede) nanopartikler, men også fordi partiklerne opfører sig forskelligt i miljøet alt efter de herskende forhold.

Forskere ledet af Martin Scheringer, Seniorforsker ved Institut for Kemi og Anvendt Biovidenskab, ønskede at bringe dette spørgsmål noget klarhed. De gennemgik 270 videnskabelige undersøgelser, og den næsten 1, 000 laboratorieforsøg beskrevet i dem, på udkig efter mønstre i opførsel af manipulerede nanopartikler. Målet var at lave universelle forudsigelser om partiklernes adfærd.

Partikler binder sig til alt

Imidlertid, fandt forskerne et meget blandet billede, da de så på dataene. "Situationen er mere kompleks, end mange videnskabsmænd tidligere ville have forudsagt, " siger Scheringer. "Vi er nødt til at erkende, at vi ikke kan tegne et ensartet billede med de data, vi har til rådighed i dag."

Nicole Sani-Kast, en ph.d.-studerende i Scheringers gruppe og førsteforfatter til analysen offentliggjort i tidsskriftet PNAS , tilføjer:"Konstruerede nanopartikler opfører sig meget dynamisk og er meget reaktive. De knytter sig til alt, hvad de finder:til andre nanopartikler for at danne agglomerater, eller til andre molekyler, der er til stede i miljøet. "

Netværksanalyse

Hvad præcist reagerer partiklerne på, og hvor hurtigt, afhænger af forskellige faktorer såsom surhedsgraden af ​​vandet eller jorden, koncentrationen af ​​de eksisterende mineraler og salte, og frem for alt, sammensætningen af ​​de organiske stoffer, der er opløst i vandet eller til stede i jorden. Det faktum, at de konstruerede nanopartikler ofte har en overfladebelægning, gør tingene endnu mere komplicerede. Afhængig af miljøforholdene, partiklerne bevarer eller mister deres belægning, hvilket igen påvirker deres reaktionsadfærd.

For at evaluere de tilgængelige resultater i litteraturen, Sani-Kast brugte for første gang en netværksanalyse i dette forskningsfelt. Det er en teknik, der er velkendt inden for social forskning til måling af netværk af sociale relationer, og tillod hende at vise, at de tilgængelige data om konstruerede nanopartikler er inkonsekvente, utilstrækkeligt forskelligartet og dårligt struktureret.

Flere metoder til maskinlæring

"Hvis mere struktureret, konsistente og tilstrækkeligt forskellige data var tilgængelige, det kan være muligt at opdage universelle mønstre ved hjælp af maskinlæringsmetoder, " siger Scheringer, "men vi er der ikke endnu." Der skal først være tilstrækkeligt med strukturerede eksperimentelle data.

"For at det videnskabelige samfund kan udføre sådanne eksperimenter på en systematisk og standardiseret måde, en form for koordinering er nødvendig, " tilføjer Sani-Kast, men hun er klar over, at sådant arbejde er svært at koordinere. Forskere er generelt kendte for at foretrække at udforske nye metoder og betingelser frem for rutinemæssigt at udføre standardiserede eksperimenter.

At skelne menneskeskabte og naturlige nanopartikler

Ud over manglen på systematisk forskning, der er også et andet håndgribeligt problem med at forske i manipulerede nanopartiklers adfærd:mange manipulerede nanopartikler består af kemiske forbindelser, der forekommer naturligt i jorden. Hidtil har det været svært at måle de konstruerede partikler i miljøet, da det er svært at skelne dem fra naturligt forekommende partikler med den samme kemiske sammensætning.

Imidlertid, forskere ved ETH Zürichs Institut for Kemi og Anvendt Biovidenskab, under ledelse af ETH professor Detlef Günther, har for nylig etableret en effektiv metode, der gør en sådan skelnen mulig i rutineundersøgelser. De brugte en state-of-the-art og meget følsom massespektrometriteknik (kaldet spICP-TOF massespektrometri) til at bestemme, hvilke kemiske elementer der udgør individuelle nanopartikler i en prøve.

I samarbejde med forskere fra universitetet i Wien, ETH-forskerne anvendte metoden på jordprøver med naturlige ceriumholdige partikler, hvori de blandede konstruerede ceriumdioxid-nanopartikler. Brug af maskinlæringsmetoder, som var ideelt egnet til netop dette problem, forskerne var i stand til at identificere forskelle i de kemiske fingeraftryk i de to partikelklasser. "Mens kunstigt fremstillede nanopartikler ofte består af en enkelt forbindelse, naturlige nanopartikler indeholder normalt stadig en række yderligere kemiske elementer, " forklarer Alexander Gundlach-Graham, en postdoc i Günthers gruppe.

Den nye målemetode er meget følsom:Forskerne var i stand til at måle manipulerede partikler i prøver med op til hundrede gange flere naturlige partikler.