Acoustofluidics for Micro and Nanoplastics Enrichment towards Environmental and Drinking Water Monitoring

QC 2024-11-15

Abstract

Plaster och deras derivat har för alltid förändrat karaktären av mänsklig aktivitet. Deras olika materialfördelar, såsom mångsidighet, låg kostnad och enkel tillverkning, har gjort dem oumbärliga för i princip alla industrier. Plasternas motståndskraft mot nedbrytning har hyllats som en av deras främsta egenskaper, men har även visat sig vara en betydande fara. När korrekt avfallshantering misslyckas, bryts större delar av plast långsamt ner till mikro- och nanoplaster. Dessa föroreningar är extremt små, svåra att upptäcka och utmanande att ta bort från både miljön och konsumentprodukter. Detta leder till deras ackumulering i alla ekosystem och i människokroppen, vilket i sin tur väcker frågor hos beslutsfattare och samhället i stort om hur farliga dessa föroreningar egentligen är. Av denna anledning bör nya övervakningslösningar utvecklas för att möjliggöra provberedning och identifiering av mikro- och nanoplaster så att plasternas livscykel kan studeras och deras påverkan på människor bättre kan förstås. 

För att hantera utmaningen att kontrollera föroreningar i dessa storlekar är akustofluidik – en sammanslagning av akustisk manipulering och mikrofluidik – en lovande kandidat. Detta beror på dess förmåga att manipulera partiklar även under flöde. Arbetet som presenteras i denna avhandling fokuserar på att utveckla en akustofluidisk plattform, kallad EchoGrid, som kan fånga mikro- och nanoplaster även vid genomflöden som traditionellt anses oåtkomliga för både mikro- och akustofluidik på ett sätt som är kompatibelt med slutpunktsanalys. 

I Artikel I presenterar vi EchoGrid, ett nytt instrument som är kapabel att koncentrera mikroplaster vid höga flödeshastigheter. Dessutom utvecklar vi en kiselberikad fröpartikel-metod för att hantera prover med låg koncentration av mikroplaster, där flödeshastigheten ökas ytterligare. Vi utvärderar också det komplexa sättet som mikroplaster i olika storlekar organiserar sig runt ett kluster av kiseldioxid.

I Artikel II rapporterar vi om EchoTilt, en mikrofluidisk metod som använder EchoGrid för att maximera nanoplast-uppfångning genom att manipulera hur det akustiska fältet interagerar med provets flödeslinjer. Detta görs genom att ändra vinkeln vid vilken transducern är integrerad med mikrokanalen, en vinkel som bestämdes med hjälp av simulering och algoritmer. Här bevisar vi även att den kiselberikade fröpartikel-metoden kan användas för att fånga även mycket små nanoplaster ner till 25 nm vid hög genomströmning. 

I Artikel III visar vi en studie baserad på fluorescens och Ramanspektroskopi av den geometri och interna struktur hos de akustiska kluster som leviteras av EchoGrid, och studerar hur mikropartiklar i olika storlekar organiserar sig runt och inom kiseldioxid-klustren. Vi lyckas även detektera olika typer av plast i samma akustiska kluster, vilket banar väg för komplexa, verkliga provtagningar i fält. 

I Artikel IV använder vi en elastoinertiell mikrokanal för att göra storleksbaserad separation med en icke-Newtonsk vätska, och uppnår en hög selektiv fokusering av mikropartiklar som är relevant för miljö- och biomedicinska tillämpningar. Denna studie utvärderar den påverkan partikelstorlek, flödeshastighet, viskoelasticitet och kanalens dimensioner har på partiklarnas slutgiltiga fokuseringspositioner. 

I Artikel V använder vi elastoinertiell separation för nanopartiklar och visar hur storlek påverkar fokuseringskvaliteten när den kombineras med olika koncentrationer av viskoelastisk vätska. Dessutom lyckas vi fokusera biomedicinska nanopartiklar, som är viktiga för medicinsk diagnostik, med samma metod och vid storleksintervall som inte tidigare setts.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-356451