Neuer Sensor spürt schädliche "Ewigkeitschemikalien" im Trinkwasser auf
Benutzerfreundliches System könnte einen kostengünstigen und schnellen Weg zum Testen auf PFAS bieten
MIT-Chemiker haben einen Sensor entwickelt, der winzige Mengen von Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) aufspürt - Chemikalien, die in Lebensmittelverpackungen, antihaftbeschichtetem Kochgeschirr und vielen anderen Verbraucherprodukten vorkommen.
Diese Verbindungen, die auch als "Ewige Chemikalien" bezeichnet werden, weil sie sich nicht auf natürliche Weise abbauen, werden mit einer Reihe von gesundheitsschädlichen Auswirkungen in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Fortpflanzungsprobleme und Störungen des Immun- und Hormonsystems.
Mit der neuen Sensortechnologie konnten die Forscher nachweisen, dass sie PFAS-Konzentrationen von bis zu 200 Teilen pro Billion in einer Wasserprobe nachweisen können. Das von ihnen entwickelte Gerät könnte Verbrauchern die Möglichkeit bieten, ihr Trinkwasser zu testen, und es könnte auch in Branchen nützlich sein, die stark auf PFAS-Chemikalien angewiesen sind, darunter die Herstellung von Halbleitern und Feuerlöschgeräten.
"Es besteht ein echter Bedarf an diesen Sensortechnologien. Wir haben diese Chemikalien für eine lange Zeit am Hals, also müssen wir in der Lage sein, sie aufzuspüren und loszuwerden", sagt Timothy Swager, John D. MacArthur Professor für Chemie am MIT und Hauptautor der Studie, die diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences erscheint.
Weitere Autoren der Studie sind der ehemalige MIT-Postdoc und Hauptautor Sohyun Park und die MIT-Absolventin Collette Gordon.
PFAS nachweisen
Beschichtungen, die PFAS-Chemikalien enthalten, werden in Tausenden von Konsumgütern verwendet. Neben Antihaftbeschichtungen für Kochgeschirr werden sie auch häufig in wasserabweisender Kleidung, schmutzabweisenden Stoffen, fettabweisenden Pizzakartons, Kosmetika und Feuerlöschschäumen verwendet.
Diese fluorierten Chemikalien, die seit den 1950er Jahren weit verbreitet sind, können aus Fabriken, Kläranlagen und Mülldeponien in Wasser, Luft und Boden freigesetzt werden. Sie wurden in Trinkwasserquellen in allen 50 Bundesstaaten gefunden.
Für zwei der gefährlichsten PFAS-Chemikalien, Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctylsulfonat (PFOS), hat die Umweltschutzbehörde im Jahr 2023 einen gesundheitlichen Grenzwert" festgelegt. In diesen Empfehlungen wird ein Grenzwert von 0,004 Teilen pro Trillion für PFOA und 0,02 Teilen pro Trillion für PFOS im Trinkwasser gefordert.
Derzeit kann ein Verbraucher nur feststellen, ob sein Trinkwasser PFAS enthält, indem er eine Wasserprobe an ein Labor sendet, das Massenspektrometrie-Tests durchführt. Dieser Prozess dauert jedoch mehrere Wochen und kostet Hunderte von Dollar.
Um einen billigeren und schnelleren Weg zum Nachweis von PFAS zu finden, hat das MIT-Team einen Sensor entwickelt, der auf der Lateral-Flow-Technologie basiert - demselben Ansatz, der auch für Covid-19-Schnelltests und Schwangerschaftstests verwendet wird. Anstelle eines mit Antikörpern beschichteten Teststreifens ist der neue Sensor in ein spezielles Polymer namens Polyanilin eingebettet, das zwischen halbleitenden und leitenden Zuständen wechseln kann, wenn dem Material Protonen zugeführt werden.
Die Forscher brachten diese Polymere auf einem Streifen aus Nitrocellulosepapier auf und beschichteten sie mit einem Tensid, das Fluorkohlenwasserstoffe wie PFAS aus einem Wassertropfen auf dem Streifen herausziehen kann. In diesem Fall werden Protonen aus den PFAS in das Polyanilin gezogen und machen es zu einem Leiter, wodurch sich der elektrische Widerstand des Materials verringert. Diese Widerstandsänderung, die mit Hilfe von Elektroden genau gemessen und an ein externes Gerät, wie z. B. ein Smartphone, weitergeleitet werden kann, gibt Aufschluss darüber, wie viel PFAS vorhanden ist.
Dieser Ansatz funktioniert nur bei PFAS, die sauer sind, zu denen zwei der schädlichsten PFAS - PFOA und Perfluorbutansäure (PFBA) - gehören.
Ein benutzerfreundliches System
Die derzeitige Version des Sensors kann Konzentrationen von bis zu 200 Teilen pro Billion für PFBA und 400 Teilen pro Billion für PFOA erkennen. Das 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 nun an einem größeren Gerät, mit dem etwa ein Liter Wasser durch eine Membran aus Polyanilin gefiltert werden kann. Sie sind der Meinung, dass dieser Ansatz die Empfindlichkeit um mehr als das Hundertfache erhöhen sollte, mit dem Ziel, die sehr niedrigen EPA-Grenzwerte zu erreichen.
"Wir stellen uns ein benutzerfreundliches System für den Haushalt vor", sagt Swager. "Man kann sich vorstellen, dass man einen Liter Wasser einfüllt, es durch die Membran laufen lässt und dann ein Gerät hat, das die Widerstandsänderung der Membran misst."
Ein solches Gerät könnte eine kostengünstige und schnelle Alternative zu den derzeitigen PFAS-Nachweisverfahren darstellen. Wenn PFAS im Trinkwasser nachgewiesen werden, gibt es im Handel erhältliche Filter, die im Trinkwasser der Haushalte eingesetzt werden können, um diese Werte zu reduzieren. Der neue Testansatz könnte auch für Fabriken nützlich sein, die Produkte mit PFAS-Chemikalien herstellen, damit sie prüfen können, ob das im Herstellungsprozess verwendete Wasser unbedenklich in die Umwelt abgegeben werden kann.
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