一种新型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“永久化学物质”，因为它们不会自然分解，与各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。

使用新的传感器技术，研究人员表明，他们可以检测出水样中低至万亿分之200的PFAS水平。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，它也可以用于严重依赖PFAS化学品的行业，包括半导体和消防设备的制造。

“确实需要这些传感技术。我们长期被这些化学物质所困扰，因此我们需要能够检测它们并摆脱它们，“麻省理工学院约翰·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）说，该研究的资深作者本周发表在《 美国国家科学院院刊》上。

该论文的其他作者是前麻省理工学院博士后和主要作者Sohyun Park和麻省理工学院研究生Collette Gordon。

检测PFAS

含有PFAS化学物质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。

这些自 1950 年代以来一直被广泛使用的氟化化学物质可以从工厂、污水处理厂和垃圾填埋场释放到水、空气和土壤中。在所有 50 个州的饮用水源中都发现了它们。

2023 年，美国环境保护署为两种最危险的 PFAS 化学品（即全氟辛酸 （PFOA） 和全氟辛基磺酸 （PFOS））制定了“健康建议限值”。这些建议要求饮用水中PFOA的含量限制在万亿分之0.004，全氟辛烷磺酸的含量限制在万亿分之0.02。

目前，消费者确定其饮用水是否含有PFAS的唯一方法是将水样送到进行质谱测试的实验室。但是，这个过程需要数周时间，花费数百美元。

为了创造一种更便宜、更快速的PFAS检测方法，麻省理工学院的团队设计了一种基于侧向层析技术的传感器，与用于快速Covid-19检测和妊娠试验的方法相同。新传感器不是涂有抗体的试纸，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酸纤维素纸上，并在它们上涂上表面活性剂，这种表面活性剂可以从放置在纸条上的一滴水中拉出PFAS等碳氟化合物。当这种情况发生时，来自PFAS的质子被吸入聚苯胺并将其变成导体，从而降低材料的电阻。电阻的这种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 200 万亿分之 PFBA 的浓度和 400 万亿分之 PFOA 的浓度。这还不足以满足当前的 EPA 指南，但传感器仅使用几分之一毫升的水。研究人员现在正在研究一种更大规模的设备，该设备能够通过聚苯胺制成的膜过滤大约一升的水，他们认为这种方法应该将灵敏度提高一百倍以上，目标是满足非常低的EPA咨询水平。

“我们确实设想了一个用户友好的家庭系统，”Swager说。“你可以想象，把一升水放进去，让它穿过膜，你就有一个装置来测量膜电阻的变化。

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。如果在饮用水中检测到PFAS，则可以在家庭饮用水中使用市售过滤器来降低这些水平。新的测试方法对于生产含有PFAS化学品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释放到环境中。

该研究由麻省理工学院戈登科学学院奖学金、Bose 研究基金和帕克富布赖特奖学金资助。