Organofluoridverbindungen – auch als „ewige Chemikalien“ bezeichnet – tauchen immer häufiger in unserem Trinkwasser, in den Meeren und sogar im menschlichen Blut auf und stellen eine potenzielle Gefahr für die Umwelt und die menschliche Gesundheit dar.
Forscher der University of Texas in Austin haben nun eine Methode entwickelt, diese Spuren zu erfassen. Wenn diese Spuren im Grundwasser, in Gewässern oder im Boden landen, könnten sie den Behörden damit leichter bis zu ihrer Quelle zurückverfolgt werden.
Bei dieser Technik werden Proben durch ein starkes Magnetfeld geleitet und dann die Radiowellen gemessen, die ihre Atome aussenden. Dadurch wird die Zusammensetzung der Kohlenstoffisotope im Molekül enthüllt und der chemische Stoff erhält seinen Fingerabdruck, eine Leistung, die mit unlöslichen Chemikalien bisher nicht erreicht wurde.
Die Arbeit sei wichtig, weil sie es Wissenschaftlern ermögliche, die Verbreitung dauerhafter Chemikalien in der Umwelt zu verfolgen, sagte Cornelia Rasmussen, wissenschaftliche Assistenzprofessorin am Institut für Geophysik der University of Texas an der Jackson School of Geosciences.
„Letztendlich werden wir in der Lage sein, Moleküle zu verfolgen und zu sehen, wie sie sich bewegen“, sagte Rasmussen, der die Entwicklung der Technik mit leitete. „Zum Beispiel, ob sie einfach dort bleiben, wo sie abgeladen wurden, oder ob sie sich flussabwärts bewegen.“
Die neue Technik wurde beschrieben in ein veröffentlichter Artikel im Journal Umweltwissenschaften und -technologie.
Die extrem starken Molekülbindungen, die den „Forever Chemicals“ ihre praktischen Eigenschaften verleihen – sie werden für alles Mögliche verwendet, von Flammschutzmitteln über Antihaftbeschichtungen bis hin zu Medikamenten mit verzögerter Wirkstofffreisetzung – verhindern auch, dass sie in der Umwelt zerfallen, was dazu führen würde, dass sie sich als Verschmutzung im Boden und in organischem Material ansammeln, an dem sie leicht haften bleiben.
Die US-Umweltschutzbehörde plant, Chemikalien wie PFAS zu regulieren und die meisten davon aus dem Trinkwasser zu entfernen. Allerdings sind diese Chemikalien aufgrund ihrer molekularen Bindungen auch schwer zu verfolgen. Das liegt daran, dass bei der herkömmlichen chemischen Fingerabdruckanalyse Moleküle in einem Massenspektrometer zerlegt werden müssen, was bei den starken molekularen Bindungen dieser Chemikalien nicht gut funktioniert.
Stattdessen griffen die Forscher auf eine Technologie namens Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) zurück, die die Struktur eines Moleküls misst und seine Isotope identifiziert, ohne es zu zerlegen.
Isotope sind chemische Elemente, deren Atome unterschiedliche Neutronenzahlen aufweisen. Die ewigen Chemikalien entstehen durch die Bindung von Kohlenstoffisotopen an das Element Fluor, was in der Natur so gut wie nie vorkommt. Sobald sich die molekularen Bindungen gebildet haben, sind sie praktisch unzerbrechlich.
Die Methode der Forscher verwendet das NMR-Instrument zusammen mit ihren eigenen Computertools, um die Mischung der Kohlenstoffisotope an jeder Position im Molekül zu bestimmen. Da die Mischung der Kohlenstoffisotope, die an jedes Fluoratom gebunden sind, für die Art und Weise, wie die Chemikalie hergestellt wurde, einzigartig ist, können diese Informationen wie ein Fingerabdruck verwendet werden, um eine Chemikalie zurückzuverfolgen.
Es sei wie ein eingebauter Barcode für Moleküle, sagte Co-Autor David Hoffman, außerordentlicher Professor an der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften des College of Natural Sciences der UT.
„Ein Grund, warum das so gut funktioniert hat, ist, dass wir Werkzeuge aus verschiedenen Bereichen der Wissenschaft zusammenführen. [chemistry and geosciences] die normalerweise nicht zusammenpassen und sie zu verwenden, um etwas zu tun, was noch niemand zuvor getan hat“, sagte er.
Die Forscher testeten ihre Methode an Proben, die Arzneimittel und ein gängiges Pestizid enthielten. Rasmussen und Hoffman führen derzeit eine Pilotstudie durch, um zu sehen, wie sich die Methode bei Schadstoffen bewährt, die in den Bächen und im Abwasser der Stadt Austin vorkommen. Wenn sie erfolgreich ist, könnte die Methode für staatliche und bundesstaatliche Behörden nützlich sein, die die Verbreitung von Chemikalien im Wasser verfolgen möchten.
Rasmussen sagte, dass die Arbeit eine neue Ebene der Isotopeninformation in der organischen Chemie erschlossen habe, die über die Nachverfolgung von Chemikalien hinaus viele Anwendungsmöglichkeiten finden könnte, wie etwa das Aufspüren gefälschter Medikamente oder die Astrobiologie. Ihr ultimatives Ziel ist es jedoch, die Technik noch weiter zu vertiefen.
„Es bietet uns eine ganze Reihe von Möglichkeiten, wirklich interessante Dinge über den Stoffwechsel auf der frühen Erde zu lernen“, sagte sie. „Es könnte uns sogar sagen, ob organische Stoffe auf dem Mars die letzten Überreste irgendeines alten Marslebens sind.“
Mehr Informationen:
Cornelia Rasmussen et al, Fingerprinting von Organofluoridmolekülen mittels positionsspezifischer Isotopenanalyse, Umweltwissenschaft und -technologie (2024). DOI: 10.1021/acs.est.4c02250