一种新传感器可检测饮用水中有害的永久化学物质

麻省理工学院的化学家设计了一种传感器，可以检测微量的全氟烷基和多氟烷基物质 (PFAS)，这些化学物质存在于食品包装、不粘炊具和许多其他消费品中。

这些化合物也被称为“永远的化学物质”，因为它们不会自然分解，与多种有害的健康影响有关，包括癌症、生殖问题以及免疫和内分泌系统的破坏。

研究人员表明，利用新的传感器技术，他们可以检测到水样中低至万亿分之 200 的 PFAS 含量。他们设计的设备可以为消费者提供一种测试饮用水的方法，并且在严重依赖 PFAS 化学品的行业中也很有用，包括半导体和消防设备的制造。

约翰·D·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 表示：“确实需要这些传感技术。我们长期以来一直与这些化学物质接触，因此我们需要能够检测到它们并摆脱它们。”麻省理工学院的教授，也是该研究的资深作者，该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

该论文的其他作者包括前麻省理工学院博士后、主要作者 Sohyun Park 和麻省理工学院研究生科莱特·戈登 (Collette Gordon)。

检测PFAS

含有 PFAS 化学品的涂料被用于数以千计的消费品中。除了炊具的不粘涂层外，它们还常用于防水服装、防污织物、防油披萨盒、化妆品和消防泡沫。

这些氟化化学品自 20 世纪 50 年代以来就得到广泛使用，可从工厂、污水处理厂和垃圾填埋场释放到水、空气和土壤中。在全美 50 个州的饮用水源中都发现了它们。

2023 年，美国环境保护局为两种最危险的 PFAS 化学品(即全氟辛酸 (PFOA) 和全氟辛基磺酸 (PFOS))制定了“建议健康限值”。这些建议要求饮用水中 PFOA 的含量限制为万亿分之 0.004，PFOS 的含量限制为万亿分之 0.02。

目前，消费者确定饮用水中是否含有 PFAS 的唯一方法是将水样送到实验室进行质谱检测。然而，这个过程需要数周时间并花费数百美元。

为了创造一种更便宜、更快速的 PFAS 测试方法，麻省理工学院团队设计了一种基于侧向层析技术的传感器——与快速 测试和妊娠测试所用的方法相同。新的传感器不是涂有抗体的测试条，而是嵌入了一种称为聚苯胺的特殊聚合物，当质子添加到材料中时，它可以在半导体和导电状态之间切换。

研究人员将这些聚合物沉积在一条硝化纤维素纸上，并涂上表面活性剂，这种表面活性剂可以从纸条上的一滴水中提取出 PFAS 等碳氟化合物。当这种情况发生时，PFAS 中的质子被吸引到聚苯胺中并将其变成导体，从而降低材料的电阻。这种电阻的变化可以使用电极精确测量并发送到智能手机等外部设备，从而定量测量 PFAS 的含量。

这种方法仅适用于酸性 PFAS，其中包括两种最有害的 PFAS——PFOA 和全氟丁酸 (PFBA)。

用户友好的系统

当前版本的传感器可以检测低至万亿分之 200 的 PFBA 浓度和低至万亿分之 400 的 PFOA 浓度。这还不足以满足当前 EPA 指南的要求，但传感器仅使用零点一毫升的水。

研究人员现在正在研究一种更大规模的装置，能够通过聚苯胺制成的膜过滤约一升的水，他们相信这种方法应该将灵敏度提高一百倍以上，目标是满足EPA 咨询水平非常低。

“我们确实设想了一个用户友好的家庭系统，”斯瓦格说。“你可以想象放入一升水，让它穿过膜，你就有了一个测量膜电阻变化的装置。”

这种设备可以为当前的 PFAS 检测方法提供一种更便宜、更快速的替代方案。如果饮用水中检测到 PFAS，可以使用市售过滤器对家庭饮用水进行过滤，以降低这些含量。

新的测试方法对于生产含有 PFAS 化学品的产品的工厂也很有用，因此他们可以测试制造过程中使用的水是否可以安全地释放到环境中。