Kemister från MIT har designat en sensor som upptäcker små mängder perfluoralkyl- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS) – kemikalier som finns i livsmedelsförpackningar, nonstick-kokkärl och många andra konsumentprodukter.
Dessa föreningar, även kända som "för evigt kemikalier" eftersom de inte bryts ned naturligt, har kopplats till en mängd olika skadliga hälsoeffekter, inklusive cancer, reproduktionsproblem och störningar av immunförsvaret och endokrina systemen.
Med hjälp av den nya sensortekniken visade forskarna att de kunde upptäcka PFAS-nivåer så låga som 200 delar per biljon i ett vattenprov. Enheten de designade skulle kunna erbjuda ett sätt för konsumenter att testa sitt dricksvatten, och den kan också vara användbar i industrier som är starkt beroende av PFAS-kemikalier, inklusive tillverkning av halvledare och brandsläckningsutrustning.
"Det finns ett verkligt behov av dessa avkänningstekniker. Vi har fastnat i dessa kemikalier under lång tid, så vi måste kunna upptäcka dem och bli av med dem", säger Timothy Swager, professor i kemi vid John D. MacArthur vid MIT och seniorförfattaren till studien, som visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Andra författare till uppsatsen är tidigare MIT postdoc och huvudförfattare Sohyun Park och MIT doktorand Collette Gordon.
Beläggningar som innehåller PFAS-kemikalier används i tusentals konsumentprodukter. Förutom nonstick-beläggningar för köksredskap används de också ofta i vattenavvisande kläder, fläckbeständiga tyger, fettbeständiga pizzakartonger, kosmetika och brandsläckningsskum.
Dessa fluorerade kemikalier, som har varit i utbredd användning sedan 1950-talet, kan släppas ut i vatten, luft och mark, från fabriker, avloppsreningsverk och deponier. De har hittats i dricksvattenkällor i alla 50 stater.
År 2023 skapade Naturvårdsverket en "rådgivande hälsogräns" för två av de mest farliga PFAS-kemikalierna, känd som perfluoroktansyra (PFOA) och perfluoroktylsulfonat (PFOS). Dessa råd kräver en gräns på 0,004 delar per biljon för PFOA och 0,02 delar per biljon för PFOS i dricksvatten.
För närvarande är det enda sättet som en konsument kan avgöra om deras dricksvatten innehåller PFAS att skicka ett vattenprov till ett laboratorium som utför masspektrometritestning. Den här processen tar dock flera veckor och kostar hundratals dollar.
För att skapa ett billigare och snabbare sätt att testa för PFAS, designade MIT-teamet en sensor baserad på lateral flow-teknologi – samma tillvägagångssätt som används för snabba COVID-19-tester och graviditetstester. Istället för en testremsa belagd med antikroppar är den nya sensorn inbäddad med en speciell polymer som kallas polyanilin, som kan växla mellan halvledande och ledande tillstånd när protoner tillsätts materialet.
Forskarna deponerade dessa polymerer på en remsa av nitrocellulosapapper och belade dem med ett ytaktivt ämne som kan dra fluorkolväten som PFAS ur en droppe vatten som placerats på remsan. När detta händer dras protoner från PFAS in i polyanilinet och förvandlar det till en ledare, vilket minskar materialets elektriska motstånd. Denna resistansförändring, som kan mätas exakt med hjälp av elektroder och skickas till en extern enhet som en smartphone, ger ett kvantitativt mått på hur mycket PFAS som finns.
Detta tillvägagångssätt fungerar bara med PFAS som är sura, vilket inkluderar två av de mest skadliga PFAS-PFOA och perfluorbutansyra (PFBA).
Den nuvarande versionen av sensorn kan detektera koncentrationer så låga som 200 delar per biljon för PFBA och 400 delar per biljon för PFOA. Detta är inte tillräckligt lågt för att uppfylla de nuvarande EPA-riktlinjerna, men sensorn använder bara en bråkdel av en milliliter vatten.
Forskarna arbetar nu med en större apparat som skulle kunna filtrera ungefär en liter vatten genom ett membran av polyanilin, och de tror att detta tillvägagångssätt borde öka känsligheten med mer än hundra gånger, med målet att möta mycket låga EPA-rådgivningsnivåer.
"Vi föreställer oss ett användarvänligt hushållssystem", säger Swager. "Du kan tänka dig att lägga i en liter vatten, låta det gå genom membranet, och du har en anordning som mäter förändringen i membranets motstånd."
En sådan anordning skulle kunna erbjuda ett billigare, snabbt alternativ till nuvarande PFAS-detektionsmetoder. Om PFAS upptäcks i dricksvatten finns det kommersiellt tillgängliga filter som kan användas på hushållens dricksvatten för att minska dessa nivåer.
Den nya testmetoden kan också vara användbar för fabriker som tillverkar produkter med PFAS-kemikalier, så att de kan testa om vattnet som används i deras tillverkningsprocess är säkert att släppa ut i miljön.
Mer information: Swager, Timothy M., Resistivitetsdetektion av perfluoralkylsubstanser med fluorhaltig polyanilin i en elektrisk sidoflödessensor, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317300121. doi.org/10.1073/pnas.2317300121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
