En ny sensor registrerer for evigt skadelige kemikalier i drikkevand

MIT-kemikere har designet en sensor, der registrerer bittesmå mængder af perfluoralkyl- og polyfluoralkylsubstanser (PFAS) -kemikalier, der findes i fødevareemballage, nonstick-kogegrej og mange andre forbrugerprodukter.

Disse forbindelser, også kendt som "kemikalier for evigt", fordi de ikke nedbrydes naturligt, er blevet forbundet med en række forskellige sundhedsskadelige virkninger, herunder kræft, reproduktionsproblemer og forstyrrelser af immunsystemet og endokrine systemer.

Ved hjælp af den nye sensorteknologi viste forskerne, at de kunne detektere PFAS-niveauer så lave som 200 dele pr. billion i en vandprøve. Den enhed, de har designet, kunne tilbyde en måde for forbrugerne at teste deres drikkevand, og den kan også være nyttig i industrier, der er stærkt afhængige af PFAS-kemikalier, herunder fremstilling af halvledere og brandslukningsudstyr.

"Der er et reelt behov for disse sensorteknologier. Vi har siddet fast med disse kemikalier i lang tid, så vi skal være i stand til at opdage dem og slippe af med dem," siger Timothy Swager, John D. MacArthur professor i kemi ved MIT og seniorforfatteren af ​​undersøgelsen, som vises i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Andre forfattere af papiret er tidligere MIT postdoc og hovedforfatter Sohyun Park og MIT kandidatstuderende Collette Gordon.

Detektering af PFAS

Belægninger indeholdende PFAS-kemikalier bruges i tusindvis af forbrugerprodukter. Ud over nonstick-belægninger til køkkengrej er de også almindeligt anvendt i vandafvisende tøj, pletafvisende stoffer, fedtbestandige pizzaæsker, kosmetik og brandslukningsskum.

Disse fluorholdige kemikalier, som har været i udbredt brug siden 1950'erne, kan frigives til vand, luft og jord fra fabrikker, rensningsanlæg og lossepladser. De er blevet fundet i drikkevandskilder i alle 50 stater.

I 2023 oprettede Environmental Protection Agency en "rådgivende sundhedsgrænse" for to af de mest farlige PFAS-kemikalier, kendt som perfluoroctansyre (PFOA) og perfluoroctylsulfonat (PFOS). Disse råd kræver en grænse på 0,004 dele pr. billion for PFOA og 0,02 dele pr. billion for PFOS i drikkevand.

I øjeblikket er den eneste måde, hvorpå en forbruger kan afgøre, om deres drikkevand indeholder PFAS, at sende en vandprøve til et laboratorium, der udfører massespektrometritestning. Denne proces tager dog flere uger og koster hundredvis af dollars.

For at skabe en billigere og hurtigere måde at teste for PFAS på, designede MIT-teamet en sensor baseret på lateral flow-teknologi – den samme tilgang, der bruges til hurtige COVID-19-tests og graviditetstests. I stedet for en teststrimmel belagt med antistoffer er den nye sensor indlejret med en speciel polymer kendt som polyanilin, som kan skifte mellem halvledende og ledende tilstande, når protoner tilsættes materialet.

Forskerne deponerede disse polymerer på en strimmel nitrocellulosepapir og coated dem med et overfladeaktivt middel, der kan trække fluorcarboner såsom PFAS ud af en dråbe vand placeret på strimlen. Når dette sker, trækkes protoner fra PFAS ind i polyanilinen og gør det til en leder, hvilket reducerer materialets elektriske modstand. Denne ændring i modstand, som kan måles præcist ved hjælp af elektroder og sendes til en ekstern enhed såsom en smartphone, giver en kvantitativ måling af, hvor meget PFAS der er til stede.

Denne tilgang virker kun med PFAS, der er sure, hvilket inkluderer to af de mest skadelige PFASâPFOA og perfluorbutansyre (PFBA).

Et brugervenligt system

Den nuværende version af sensoren kan detektere koncentrationer så lave som 200 dele pr. billion for PFBA og 400 dele pr. billion for PFOA. Dette er ikke helt lavt nok til at overholde de nuværende EPA-retningslinjer, men sensoren bruger kun en brøkdel af en milliliter vand.

Forskerne arbejder nu på et større apparat, der ville være i stand til at filtrere omkring en liter vand gennem en membran lavet af polyanilin, og de mener, at denne tilgang bør øge følsomheden mere end hundrede gange med det mål at opfylde meget lave EPA-rådgivningsniveauer.

"Vi forestiller os et brugervenligt husholdningssystem," siger Swager. "Du kan forestille dig at putte en liter vand i, lade det gå gennem membranen, og du har en enhed, der måler ændringen i membranens modstand."

En sådan enhed kunne tilbyde et billigere, hurtigt alternativ til nuværende PFAS-detektionsmetoder. Hvis der påvises PFAS i drikkevand, er der kommercielt tilgængelige filtre, som kan bruges på husholdningsdrikkevand for at reducere disse niveauer.

Den nye testmetode kan også være nyttig for fabrikker, der fremstiller produkter med PFAS-kemikalier, så de kan teste, om vandet, der bruges i deres fremstillingsproces, er sikkert at frigive til miljøet.

Flere oplysninger: Swager, Timothy M., Resistivitetsdetektion af perfluoralkylstoffer med fluorholdig polyanilin i en elektrisk lateral flowsensor, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317300121. doi.org/10.1073/pnas.2317300121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.