MIT-Chemiker haben einen Sensor entwickelt, der winzige Mengen von Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) erkennt – Chemikalien, die in Lebensmittelverpackungen, antihaftbeschichtetem Kochgeschirr und vielen anderen Verbraucherprodukten vorkommen.
Diese Verbindungen, die auch als „ewige Chemikalien“ bekannt sind, weil sie nicht auf natürliche Weise abgebaut werden, werden mit einer Vielzahl gesundheitsschädlicher Auswirkungen in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Fortpflanzungsprobleme und Störungen des Immun- und Hormonsystems.
Mit der neuen Sensortechnologie zeigten die Forscher, dass sie PFAS-Werte von nur 200 Teilen pro Billion in einer Wasserprobe nachweisen konnten. Das von ihnen entwickelte Gerät könnte Verbrauchern eine Möglichkeit bieten, ihr Trinkwasser zu testen, und es könnte auch in Branchen nützlich sein, die stark auf PFAS-Chemikalien angewiesen sind, einschließlich der Herstellung von Halbleitern und Feuerlöschgeräten.
„Es besteht ein echter Bedarf an diesen Sensortechnologien. Wir sind schon lange mit diesen Chemikalien beschäftigt, daher müssen wir in der Lage sein, sie zu erkennen und loszuwerden“, sagt Timothy Swager, John D. MacArthur-Professor für Chemie am MIT und leitender Autor der Studie, die in der erscheint Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Weitere Autoren des Papiers sind der ehemalige MIT-Postdoktorand und Hauptautor Sohyun Park und die MIT-Doktorandin Collette Gordon.
PFAS erkennen
Beschichtungen, die PFAS-Chemikalien enthalten, werden in Tausenden von Verbraucherprodukten verwendet. Neben Antihaftbeschichtungen für Kochgeschirr werden sie häufig auch in wasserabweisender Kleidung, schmutzabweisenden Stoffen, fettbeständigen Pizzakartons, Kosmetika und Feuerlöschschäumen verwendet.
Diese fluorierten Chemikalien, die seit den 1950er Jahren weit verbreitet sind, können aus Fabriken, Kläranlagen und Deponien in Wasser, Luft und Boden gelangen. Sie wurden in Trinkwasserquellen in allen 50 Bundesstaaten gefunden.
Im Jahr 2023 hat die Environmental Protection Agency einen „empfohlenen Gesundheitsgrenzwert“ für zwei der gefährlichsten PFAS-Chemikalien eingeführt, nämlich Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctylsulfonat (PFOS). Diese Empfehlungen fordern einen Grenzwert von 0,004 Teilen pro Billion für PFOA und 0,02 Teilen pro Billion für PFOS im Trinkwasser.
Derzeit kann ein Verbraucher nur feststellen, ob sein Trinkwasser PFAS enthält, indem er eine Wasserprobe an ein Labor schickt, das massenspektrometrische Tests durchführt. Dieser Vorgang dauert jedoch mehrere Wochen und kostet Hunderte von Dollar.
Um eine kostengünstigere und schnellere Möglichkeit zum Testen auf PFAS zu schaffen, hat das MIT-Team einen Sensor entwickelt, der auf der Lateral-Flow-Technologie basiert – dem gleichen Ansatz, der für schnelle COVID-19-Tests und Schwangerschaftstests verwendet wird. Anstelle eines mit Antikörpern beschichteten Teststreifens ist in den neuen Sensor ein spezielles Polymer namens Polyanilin eingebettet, das zwischen halbleitenden und leitenden Zuständen wechseln kann, wenn dem Material Protonen zugeführt werden.
Die Forscher trugen diese Polymere auf einen Streifen Nitrozellulosepapier auf und beschichteten sie mit einem Tensid, das Fluorkohlenwasserstoffe wie PFAS aus einem auf dem Streifen platzierten Wassertropfen ziehen kann. Dabei werden Protonen aus dem PFAS in das Polyanilin gezogen und wandeln es in einen Leiter um, wodurch der elektrische Widerstand des Materials verringert wird. Diese Widerstandsänderung, die mithilfe von Elektroden präzise gemessen und an ein externes Gerät wie ein Smartphone gesendet werden kann, liefert ein quantitatives Maß dafür, wie viel PFAS vorhanden ist.
Dieser Ansatz funktioniert nur mit sauren PFAS, zu denen zwei der schädlichsten PFAS gehören: PFOA und Perfluorbuttersäure (PFBA).
Ein benutzerfreundliches System
Die aktuelle Version des Sensors kann Konzentrationen von nur 200 Teilen pro Billion für PFBA und 400 Teilen pro Billion für PFOA erkennen. Dies ist nicht ganz niedrig genug, um die aktuellen EPA-Richtlinien zu erfüllen, aber der Sensor verbraucht nur einen Bruchteil eines Milliliters Wasser.
Die Forscher arbeiten derzeit an einem größeren Gerät, das etwa einen Liter Wasser durch eine Membran aus Polyanilin filtern könnte, und glauben, dass dieser Ansatz die Empfindlichkeit um mehr als das Hundertfache erhöhen sollte, mit dem Ziel, die Anforderungen zu erfüllen sehr niedrige EPA-Beratungsniveaus.
„Wir stellen uns ein benutzerfreundliches Haushaltssystem vor“, sagt Swager. „Man kann sich vorstellen, dass man einen Liter Wasser einfüllt, es durch die Membran laufen lässt und schon hat man ein Gerät, das die Widerstandsänderung der Membran misst.“
Ein solches Gerät könnte eine kostengünstigere und schnelle Alternative zu aktuellen PFAS-Nachweismethoden bieten. Wenn PFAS im Trinkwasser nachgewiesen werden, gibt es handelsübliche Filter, die für das Trinkwasser im Haushalt verwendet werden können, um diese Werte zu reduzieren.
Der neue Testansatz könnte auch für Fabriken nützlich sein, die Produkte mit PFAS-Chemikalien herstellen, um zu testen, ob das in ihrem Herstellungsprozess verwendete Wasser sicher in die Umwelt abgegeben werden kann.
Mehr Informationen:
Swager, Timothy M., Widerstandsdetektion von Perfluoralkylsubstanzen mit fluoriertem Polyanilin in einem elektrischen Lateralflusssensor, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2317300121. doi.org/10.1073/pnas.2317300121
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