Nachweis von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) durch unterbrochene Energieübertragung
PFAS, eine Gruppe stark fluorierter Substanzen, stellen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. So scheinen besonders problematische Vertreter, wie Perfluoroktansulfonsäure (PFOS) und Perfluoroktansäure (PFOA), Organschäden und Krebs zu verursachen und das Hormonsystem durcheinander zu bringen. In Angewandte Chemie stellen Forscher jetzt open access einen neuen Ansatz eines kostengünstigen, einfach zu handhabenden Fluoreszenz-Sensoren für eine empfindliche Vor-Ort-Analytik von PFAS in Wasserproben vor.
PFAS-Nachweis durch unterbrochene Energieübertragung – Grafik © Angewandte Chemie – Wiley-VCH
Die Bezeichnung Per- und Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS) fasst eine Gruppe organischer Verbindungen zusammen, deren am Kohlenstoff gebundene Wasserstoffatome vollständig oder teilweise durch Fluoratome ersetzt sind. Eingesetzt werden sie u.a. für die Herstellung wasser-, fett- und schmutzabweisender Ausrüstungen vielfältiger Produkte, wie beschichteter Pfannen, Outdoortextilien und Verpackungen. Zudem können sie z.B. in Feuerlöschschäumen, Farben und Autopolituren enthalten sein. So nützlich diese Verbindungen sind, so schädlich sind sie, wenn sie in die Umwelt gelangen: Sie lassen sich nicht abbauen und reichern sich in Pflanzen, Tieren und Menschen an.
Für Trinkwasser wurden in der EU Grenzwerte von 100 ng/l für die Summe bestimmter PFAS-Einzelsubstanzen bzw. 500 ng/l für die Gesamtheit aller PFAS beschlossen. In Deutschland müssen Wasserversorger das Trinkwasser ab 2026 auf PFAS untersuchen lassen. Die Grenzwerte der US Environmental Protection Agency sind strenger: Für die verbreitetsten PFAS, PFOS und PFOA gelten jeweils 4 ng/l als Höchstgrenze.
Der übliche Nachweis solcher Spurenmengen durch Chromatographie/Massenspektrometrie ist zeitaufwändig, teuer und benötigt komplexe Geräte sowie erfahrenes Personal. Timothy M. Swager und Alberto Concellón vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, stellen jetzt einen Ansatz für tragbaren, kostengünstigen Test vor, mit dem die selektive Detektion von PFAS in Wasserproben einfach anhand von Fluoreszenzmessungen möglich ist.
Der Test basiert auf einem Polymer in Form dünner Filme oder Nanopartikel mit fluorierten Seitengruppen, in das fluorierte Farbstoffmoleküle (Squarain-Derivate) eingebettet sind. Das spezielle Polymer-Rückgrat (Poly-Phenylen-Ethinylen) absorbiert violettes Licht und überträgt die Lichtenergie über einen Elektronenaustausch auf den Farbstoff (Dexter-Mechanismus), der daraufhin rötlich fluoresziert. Sind PFAS in einer Probe, dringen diese in das Polymer ein und verschieben die Farbstoffmoleküle um den Bruchteil eines Nanometers. Das genügt, um den Elektronenaustausch und damit den Energietransfer zu stoppen. Die rote Fluoreszenz des Farbstoffs wird „abgeschaltet“, dafür wird eine blaue Fluoreszenz des Polymers „angeschaltet“. Die Stärke dieser Änderung ist der Konzentration des PFAS proportional.
Der neue Ansatz, dessen Nachweisgrenze für PFOA und PFOS im µg/l-Bereich liegt, eignet sich für die Vor-Ort-Detektion in stark kontaminierten Regionen. Spuren-Verunreinigungen von Trinkwasserproben können nach einer Vorkonzentrierung durch Festphasenextraktion ausreichend genau erfasst werden.
Über die Autoren: Dr. Timothy M. Swager ist Professor für Chemie am Massachusetts Institute of Technology. Er forscht an der Schnittstelle zwischen Chemie und Werkstoffen und leistet Pionierarbeit bei der Verwendung neuartiger Materialien für die Entwicklung chemischer Sensoren zum Ultraspuren-Nachweis. Dr. Alberto Concellón war Postdoc am MIT und arbeitet derzeit als Ramón y Cajal Researcher an der Universität von Saragossa (Spanien) an funktionellen selbstorganisiserten Materialien.
->Quellen:
- onlinelibrary.wiley.com/202345press
- Originalpublikation: Timothy M. Swager: Detection of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) by Interrupted Energy Transfer, in: doi.org/10.1002/ange.202309928 – Open Access