Application of NEMS-FTIR for micro- and nanoplastic detection in water : a study on artificially weathered polymer samples

Abstract

Nanoplastik stellt ein wachsendes Umweltproblem dar, da es sich leicht verbreiten kann,lange in Ökosystemen verbleibt und potenziell Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat. Herkömmliche Nachweismethoden wie FTIR und Raman-Spektroskopie stoßen beim Nachweis so kleiner Partikel aufgrund begrenzter Auflösung und Empfindlichkeit an ihre Grenzen. In dieser Arbeit wird der Einsatz von nanoelektromechanischen Systemen kombiniert mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (NEMS-FTIR) zur Detektion und chemischen Analyse von Nanoplastik in Wasser untersucht. Der Fokus liegt auf dem Abbauverhalten von Polyamid (PA) und Polystyrol (PS) unter künstlicher Verwitterung über einen Zeitraum von 25 Tagen. Polyethylenterephthalat (PET) wurde zunächst berücksichtigt,aber aufgrund geringer Veränderung im Experiment nicht weiter analysiert.Die Kunststoffproben, darunter Teebeutel, Flaschenstücke, Deckel und Partikel, wurden UV-Licht und Temperaturzyklen ausgesetzt, die ein Jahr natürlicher Verwitterung simulierten. Für die gleichmäßige Probenauftragung auf die NEMS-Chips wurde ein Vernebler verwendet. Die NEMS-FTIR Spektren wurden aufgenommen und mit einem Python-basierten Workflow analysiert, der Normalisierung, Hintergrundsubtraktion und die Identifikation wichtiger Schwingungsbanden ermöglichte. Die Ergebnisse zeigten chemische Veränderungen im Zeitverlauf, darunter verstärkte O-H/N-H Signale und oxidationsbedingte Modifikationen in PA und PS Proben.Diese Studie bestätigt die hohe Empfindlichkeit und Selektivität von NEMS-FTIR zur frühzeitigen Erkennung von Nanoplastikabbau und unterstreicht das Potenzial der Methode für den realitätsnahen Umweltnachweis sowie als Ergänzung zu bestehenden analytischen Verfahren.

Nanoplastics have become an increasing environmental concern due to their ability to spread easily, remain in ecosystems for long periods, and potentially affect human health. Traditional detection methods like FTIR and Raman spectroscopy often struggle to detect such small particles because of their limited resolution and sensitivity. This thesis investigates the use of nanoelectromechanical systems-based Fourier-transform infrared spectroscopy (NEMS–FTIR) to detect and analyze nanoplastics in water. The study focused on how polyamide (PA) and polystyrene (PS) materials break down under artificial weathering over 25 days. Polyethylene terephthalate (PET) was also considered initially but later excluded because it showed minimal changes during the experiment.Plastic samples, including teabags, bottle pieces, lids, and particles, were exposed to cycles of UV light and temperature changes that simulated one year of natural weathering. A nebulizer was used to evenly apply the samples onto NEMS chips. NEMS–FTIR spectra were recorded and analyzed using a Python-based workflow that enabled normalization, background subtraction, and identification of key vibrational features. The results showed chemical changes over time, such as stronger O–H/N–H signals and oxidation-related modifications in PA and PS samples.This study confirms the high sensitivity and selectivity of NEMS–FTIR for early-stage nanoplastic detection, highlighting its potential for real-world environmental monitoring and as a complementary tool to existing analytical techniques.