PFAS, eine Familie hochfluorierter Stoffe, stellen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Besonders problematische Mitglieder dieser Familie, wie Perfluoroctansulfonat (PFOS) und Perfluoroctansäure (PFOA), scheinen Organschäden und Krebs zu verursachen und das endokrine System zu stören.
Im Tagebuch Angewandte ChemieForscher haben jetzt eine neue Methode für einen wirtschaftlichen, einfach zu verwendenden Fluoreszenzsensor für empfindliche Vor-Ort-Tests auf PFAS in Wasserproben vorgestellt.
Der Begriff Per- und Polyfluoralkylstoffe (PFAS) bezeichnet eine Gruppe organischer Verbindungen, bei denen die meisten oder alle an den Kohlenstoffatomen gebundenen Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. Sie werden verwendet, um einer Vielzahl von Produkten Wasser-, Öl- und Schmutzbeständigkeit zu verleihen, beispielsweise antihaftbeschichteten Pfannen, Outdoor-Bekleidung und Verpackungen. Sie können auch in Feuerlöschschaum, Farbe und Autopolitur enthalten sein.
Diese Verbindungen sind äußerst nützlich – und äußerst gefährlich, wenn sie in die Umwelt gelangen: Sie werden nicht abgebaut und reichern sich daher in Pflanzen, Tieren und Menschen an.
Für Trinkwasser wurden in der EU Grenzwerte von 100 ng/l für einzelne spezifische PFAS-Stoffe und 500 ng/l für die Gesamtheit aller PFAS festgelegt. In Deutschland müssen Wasserversorger ab 2026 damit beginnen, Trinkwasser auf PFAS zu testen. Die US-Umweltschutzbehörde hat strengere Grenzwerte festgelegt: Für die am weitesten verbreiteten PFAS (PFOS und PFOA) liegt die Obergrenze bei jeweils 4 nm/l.
Die übliche Methode zum Nachweis solcher Spurenmengen umfasst Chromatographie und Massenspektrometrie, ist zeitaufwändig und teuer und erfordert komplexe Ausrüstung und erfahrenes Personal. Timothy M. Swager und Alberto Concellón vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, haben jetzt eine Technik zur Herstellung eines tragbaren, kostengünstigen Tests vorgestellt, der Fluoreszenzmessungen nutzt, um PFAS in Wasserproben einfach und selektiv nachzuweisen.
Der Test basiert auf einem Polymer – in Form eines dünnen Films oder Nanopartikels – mit fluorierten Seitenketten, in die fluorierte Farbstoffmoleküle (Squarain-Derivate) eingebettet sind. Das spezielle Polymerrückgrat (Polyphenylenethinylen) absorbiert violettes Licht und überträgt die Lichtenergie durch einen Elektronenaustausch (Dexter-Mechanismus) auf den Farbstoff.
Der Farbstoff fluoresziert dann rot. Sind PFAS in der Probe vorhanden, dringen sie in das Polymer ein und verdrängen die Farbstoffmoleküle um Bruchteile eines Nanometers. Dies reicht aus, um den Elektronenaustausch und damit die Energieübertragung zu stoppen. Die rote Fluoreszenz des Farbstoffs wird „ausgeschaltet“, während die blaue Fluoreszenz des Polymers „angeschaltet“ wird. Der Grad der Fluoreszenzänderung ist proportional zur PFAS-Konzentration.
Dieses neue Verfahren, dessen Nachweisgrenze für PFOA und PFOS im µg/l-Bereich liegt, eignet sich für den Vor-Ort-Nachweis in hochkontaminierten Regionen. Der Nachweis von Spuren dieser Schadstoffe im Trinkwasser kann nach Vorkonzentrierung der Proben durch Festphasenextraktion mit ausreichender Präzision erfolgen.
Mehr Informationen:
Alberto Concellón et al, Nachweis von Per‐ und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) durch unterbrochene Energieübertragung, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202309928