Найден способ обнаруживать «вечные химикаты» за 3 минуты

Термин «вечные химикаты» — разговорное название веществ, для краткости обозначаемых международной аббревиатурой PFAS. Им свойственно постепенно накапливаться в воде и почве, так как из-за очень прочных связей между атомами углерода и фтора они практически не разлагаются.


То есть человечество на пути своего прогресса столкнулось с искусственными соединениями, распад которых может занять тысячи лет. А эти PFAS содержатся в очень многих видах промышленной продукции, от жиростойкой упаковки пищевых продуктов до одежды с водоотталкивающей пропиткой. В США уже выяснили, что «вечные вещества» попали почти в половину источников водопроводной воды.

Химики Технологического института Нью-Джерси (NJIT) провели обнадёживающее исследование. Его результаты опубликовали в Journal of Hazardous Materials («Журнале опасных материалов»). Учёные описали новый экспресс-метод обнаружения следов PFAS в упаковочных материалах для пищевых продуктов, воде и образцах почвы всего за три минуты или даже быстрее.

Профессор химии NJIT Хао Чен сказал, что существуют тысячи различных видов PFAS. Поэтому возникла необходимость как можно проще и дешевле понять степень их присутствия в окружающей среде. Современные методы тестирования и дорогие, и занимают много времени. Так, в некоторых случаях на подготовку образцов и их последующий анализ уходят часы.



Новый метод включает ионизацию, то есть выделение ионов, для анализа молекулярного состава образцов материалов. Этот способ масс-спектрометрии с распылением на бумаге (PS-MS) чувствительнее в 10–100 раз, чем традиционный стандартный метод выявления PFAS, где применяется сочетание жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

У масс-спектрометрии несколько синонимов: масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ, МС. В общем, это технология исследования и идентификации веществ, который позволяет позволяющий определять концентрацию различных компонентов. Суть в том, что под воздействием естественных сил искажается траектория заряженной частицы, движущейся в магнитном поле. Определив разницу траекторий ионизированных атомов, можно судить о соотношении массы и заряда иона. Типичный масс-спектрометр состоит из ионизатора вещества, ускорителя ионов, источника мощного магнитного поля и набора детекторов потока ионов.

В свою очередь, упомянутая жидкостная хроматография (ЖХ) — это метод разделения и анализа сложных смесей на основе жидкости. В итоге на поверхности анализируемого раствора собираются молекулы разделённых веществ. Детекторы для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) бывают пяти типов, включая, например, ультрафиолетовый.

Но вернёмся к изобретению химиков из NJIT. Для более сложных случаев, например, анализа почвы, исследователи применили вариант нового метода — масс-спектрометрию распыления на обессоливающей бумаги (DPS-MS). При таком подходе из образца вещества вымывает соли, которые обычно подавляют ионный сигнал PFAS.

Аспирант-химик Таним-Аль Хассан пояснил, что они с товарищами достигли предела обнаружения PFAS примерно в одну триллионную. То есть речь идёт о примеси в виде 10 в минус 12-й степени. Проще говоря, выявляемое количество можно сравнить с каплей воды в 20 бассейнах для олимпийских соревнований.

В ходе проверок учёные смогли обнаружить PFAS за одну минуту и даже быстрее, анализируя кусочки различных упаковочных материалов, например, бумагу для приготовления попкорна в микроволновке, кусок коробки из-под лапши быстрого приготовления, упаковку для бургеров из двух разных заведений быстрого питания.

Анализ выявил следы 11 различных молекул PFAS, включая связанные с риском развития рака и подавлением иммунной системы: PFOA (перфтороктановая кислота) и PFOS (перфтороктансульфоновая кислота).

При анализе также нашли следы PFOA в водопроводной воде менее чем за две минуты. Кстати, в образцах отфильтрованной воды из университетского питьевого фонтанчика следов PFAS не обнаружили. Используя DPS-MS, химики также идентифицировали два вида PFAS из всего лишь 40 мг почвы менее чем за три минуты.

Уже сейчас изобретённый экспресс-метод тестируются для использования наряду с передовыми методами разрушения PFAS, которые также разрабатывают в NJIT. Завкафедрой химии Вунми Садик рассказал, что им в лаборатории удалось совместить новый метод анализа с инновационным катализатором разложения, который разделяет на элементы 98,7% PFAS в образцах питьевой воды в течение трёх часов.

Ожидается, что сочетание достижений благотворно повлияет на всю страну. В особенности хотят добиться скорейшего эффекта на Северо-Востоке США. Там ситуация тревожная: 10% из 9,2 млн жителей Нью-Джерси пьют воду с высоким содержанием PFOA, хотя в среднем по стране с этим угрожающим фактором сталкиваются в быту «всего лишь» 1,9% населения.

Профессор Хао Чен сказал, что достижение поможет быстрому мониторингу товаров повседневного спроса, от косметики и лекарств до продуктов питания. Также в планах у химиков NJIT — испытать новый быстрый метод для мониторинга воздуха.

Стимулы для научной работы существенные. На решение проблемы с PFAS в окружающей среде правительство страны выделило гранты на 2 млрд $, так что влиться этот проект было бы вполне почётно и прибыльно.