Kemister från University at Buffalo har visat att självmonterande molekylära fällor kan användas för att fånga upp PFAS - farliga föroreningar som har förorenat dricksvattenförsörjning runt om i världen.

Fällorna är gjorda av järnbaserade och organiska byggstenar som förbinder, som Legos, för att bilda en tetraedrisk bur. Experiment visade att dessa strukturer binder till vissa PFAS (förkortning för per- och polyfluoralkylsubstanser), och en labbanalys visade hur detta händer. Som det visar sig, PFAS fastnar starkt på utsidan av burarna istället för att fastna inuti, säger forskare.

Dessa insikter var detaljerade i en studie som släpptes den här månaden och kan hjälpa forskare att finjustera fällorna på gynnsamma sätt-till exempel genom att förstora burarnas öppningar för att potentiellt fånga upp andra typer av PFAS. Det slutliga målet är att använda sådana burar - så kallade metallhål - i system som isolerar PFAS från vatten, vilket kan leda till bättre vattenrening, eller förbättrade tekniker för att upptäcka föroreningar i vatten.

"PFAS är mycket stabila och giftiga kemikalier som kan orsaka negativa effekter på människors hälsa, säger Diana Aga, Ph.D., Henry M. Woodburn Professor i kemi vid UB College of Arts and Sciences. "Det finns allt fler bevis som tyder på samband mellan exponering för PFAS och negativa hälsoeffekter hos människor och djur, med potentiella effekter inklusive minskad födelsevikt, minskad fertilitet, och ökad risk för diabetes och vissa cancerformer, för att nämna några. Fynden i vårt nya dokument är spännande eftersom de ger bevis på att molekylfällorna är effektiva sorbenter för vissa PFAS."

"Vi är väldigt glada över några sätt som detta arbete kan utvecklas på, från att möjliggöra detektering av PFAS som nuvarande analyser kan missa, att ändra burarna så att förutom att binda PFAS, de förstör dem också, " säger Timothy Cook, Ph.D., biträdande professor i kemi vid UB College of Arts and Sciences.

Cook och Aga ledde studien, tillsammans med Cressa Ria P. Fulong, Ph.D., en nyutexaminerad Cook lab, och Mary Grace E. Guardian, en doktorsexamen kandidat i Agas labb. Alla lagmedlemmar gjorde viktiga bidrag, med Fulong och Guardian i spetsen för experimentellt och analytiskt arbete som ägde rum i labbet.

Forskningen presenterades på omslaget till 18 maj-numret av tidskriften Oorganisk kemi . Cook skapade omslagskonsten, som han ritade för hand med en reservoarpenna på papper, sedan digitaliseras och färgläggas. Illustrationen visar molekylära byggstenar som själva monterar ihop för att bilda tetraedriska strukturer som konvergerar på en PFAS-molekyl.

Fällorna fångar en delmängd av PFAS

PFAS är inte en enda förening; de är en grupp konstgjorda kemikalier som används i livsmedelsförpackningar, nonstick beläggningar, brandsläckningsskum och andra varor. Eftersom föreningarna inte bryts ner lätt, de finns kvar i miljön under lång tid.

Många studier har upptäckt PFAS i dricksvattenförsörjning över hela världen, inklusive ett papper som Aga och kollegor publicerade den 19 maj i tidskriften Chemosphere. Det projektet sökte efter föroreningarna i Filippinerna och Thailand och hittade dem i ytvatten, vatten på flaska och vatten från påfyllningsstationer. Andra studier har visat att PFAS ackumuleras i människors blod.

Med dessa farhågor i åtanke, Laga mat, Aga, Fulong och Guardian försökte ta reda på om molekylära burar kunde hjälpa till att fånga PFAS.

Forskarna undersökte omkring ett dussin olika typer av självmonterande burar som innehåller metaller. Fulong syntetiserade burarna i Cooks labb, och Guardian använde avancerade analytiska tekniker i Agas labb för att studera om varje struktur var bindande till PFAS.

Denna process ledde laget till de järnbaserade burarna, som fångade en undergrupp av PFAS med kedjor av sex eller fler fluorerade kolatomer, inklusive perfluorkarboxylsyror, sulfonsyror och fluortelomerer.

Nästa? Justera burarna för att fånga mer PFAS - och kanske förstöra dem

Studien ger forskarna ny kunskap som kan hjälpa dem att göra experimentella förbättringar av burarna. Genom att justera burarnas byggstenar, forskare skulle potentiellt kunna skapa strukturer som binder starkare till PFAS, svampar upp ytterligare sorter av föroreningarna, eller till och med förstöra kemikalierna, säger Cook.

"Jag har läst rapporter i populära medier om att folk försöker förbränna dessa PFAS, och det kan göra problemet ännu värre, "Cook säger." Det skickar dem i princip bara upp i luften och sprider dem ännu mer. Jag undrar om vi kan utveckla burar med elektro- eller fotokemiska egenskaper som gör det möjligt för dem att bryta upp bindningarna i PFAS."

"Jag är hoppfull att de molekylära fällorna kan designas för att potentiellt fånga de mest vattenlösliga PFAS som vanligtvis undkommer konventionell vattenbehandlingsteknik, " säger Aga. "Det finns redan många sorbenter i bruk, som aktivt kol, som interagerar med PFAS. Dock, aktivt kol har inga byggstenar eller porer som enkelt kan ställas in - och det är det fina med metallhålorna. "