یک حسگر جدید برای شناسایی مواد شیمیایی خطرناک در آب

حسگر جدیدی که در دانشگاه «ام‌آی‌تی» ابداع شده است، می‌تواند یک راه ارزان و سریع برای آزمایش کردن مواد شیمیایی موجود در آب باشد.

به گزارش ایسنا، شیمی‌دانان دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) یک حسگر طراحی کرده‌اند که مقادیر کمی از مواد موسوم به «پرفلوئوروآلکیل و پلی‌فلوئوروآلکیل»(PFAS) را تشخیص می‌دهد. این مواد شیمیایی در بسته‌بندی مواد غذایی، ظروف نچسب و بسیاری دیگر از محصولات مصرفی وجود دارند و برای سلامتی مضر هستند.

به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، این ترکیبات که «مواد شیمیایی برای همیشه» نیز نام دارند، به ‌طور طبیعی تجزیه نمی‌شوند. آنها با انواع اثرات مضر بر سلامتی، از جمله سرطان، مشکلات تولید مثل و اختلال در سیستم ایمنی و غدد درون‌ریز مرتبط هستند.

پژوهشگران در این پروژه نشان دادند که با استفاده از حسگر جدید خود می‌توانند سطوح PFAS را در نمونه‌های آب تا ۲۰۰ قسمت در تریلیون تشخیص دهند. این حسگر می‌تواند راهی را برای آزمایش کردن آب آشامیدنی ارائه دهد و در صنایعی که به شدت به مواد شیمیایی PFAS متکی هستند، از جمله ساخت نیمه‌رساناها و تجهیزات آتش‌نشانی سودمند باشد.

«تیموتی سواگر»(Timothy Swager) استاد شیمی دانشگاه ام‌آی‌تی و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: نیاز واقعی به این فناوری‌های سنجش وجود دارد. ما برای مدت طولانی با این مواد شیمیایی سر و کار داریم. بنابراین، باید بتوانیم آنها را شناسایی کنیم و از شر آنها خلاص شویم.

شناسایی PFAS

پوشش‌های حاوی مواد شیمیایی PFAS در هزاران محصول مصرفی استفاده می‌شوند. علاوه بر پوشش‌های نچسب برای ظروف آشپزی، این مواد شیمیایی معمولا در لباس‌های ضد آب، پارچه‌های ضد لک، جعبه‌های مقاوم در برابر چربی، لوازم آرایشی و فوم‌های آتش‌نشانی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مواد شیمیایی PFAS که از دهه ۱۹۵۰ به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند، می‌توانند از کارخانه‌ها، تصفیه‌خانه‌های فاضلاب و محل‌های دفن زباله منتشر شوند و به آب، هوا و خاک راه یابند. آنها در منابع آب آشامیدنی هر ۵۰ ایالت آمریکا یافت شده‌اند.

«آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا»(EPA) در سال ۲۰۲۳، یک محدودیت بهداشتی را برای دو مورد از خطرناک‌ترین مواد شیمیایی PFAS موسوم به «پرفلوئورواکتانوئیک اسید»(PFOA) و «پرفلوئورواکتان‌سولفونیک اسید»(PFOS) ایجاد کرد. آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا در این توصیه‌ها، خواستار محدودیت ۰.۰۰۴ قسمت در تریلیون برای PFOA و ۰.۰۲ قسمت در تریلیون برای PFOS در آب آشامیدنی شده است.

در حال حاضر، تنها راهی که مصرف‌کننده به کمک آن می‌تواند تشخیص دهد که آیا آب آشامیدنی‌ حاوی PFAS است یا خیر، فرستادن نمونه آب به آزمایشگاه است تا آزمایش‌های طیف‌سنجی جرمی روی آن انجام بگیرند. این فرآیند چندین هفته طول می‌کشد و صدها دلار هزینه دارد.

پژوهشگران ام‌آی‌تی به منظور ایجاد یک روش ارزان‌تر و سریع‌تر برای آزمایش PFAS، یک حسگر را مبتنی بر فناوری جریان جانبی طراحی کردند. این همان روشی است که برای آزمایش‌های سریع کووید-۱۹ و آزمایش‌های بارداری استفاده می‌شود. حسگر جدید به جای نوار آزمایش پوشیده‌شده با آنتی‌بادی‌ها، با پلیمر خاصی به نام پلی‌آنیلین تعبیه شده است که می‌تواند با اضافه شدن پروتون به ماده، بین حالت‌های نیمه‌رسانا و رسانا جابه‌جا شود.

پژوهشگران این پلیمرها را روی نواری از کاغذ نیتروسلولز قرار دادند و روی آنها را با یک ماده فعال سطحی یا «سورفکتانت»(surfactant) پوشاندند که می‌تواند فلوئوروکربن‌هایی مانند PFAS را از آب قرار داده‌شده روی نوار آزمایش بیرون بکشد. هنگامی که این اتفاق رخ می‌دهد، پروتون‌های PFAS به سوی پلی‌آنیلین کشیده می‌شوند و آن را به یک رسانا تبدیل می‌کنند تا مقاومت الکتریکی ماده را کاهش دهند. این تغییر در مقاومت که می‌توان آن را دقیقا با استفاده از الکترودها اندازه‌گیری کرد و به یک دستگاه مانند تلفن هوشمند فرستاد، میزان PFAS را نشان می‌دهد.

این روش فقط با PFAS که خاصیت اسیدی دارد و شامل دو مورد از مضرترین انواع PFAS  یعنی PFOA و PFBA است، کار می‌کند.

یک سیستم کاربرپسند

نسخه کنونی حسگر می‌تواند غلظت‌های کمتر از ۲۰۰ قسمت در تریلیون را برای PFBA و ۴۰۰ قسمت در تریلیون را برای PFOA تشخیص دهد. این مقدار برای مطابقت با دستورالعمل‌های کنونی آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا به اندازه کافی کم نیست اما توجه داشته باشید که حسگر، آب را فقط در کسری از میلی‌لیتر مورد بررسی قرار می‌دهد. پژوهشگران اکنون در حال کار کردن روی دستگاهی در مقیاس بزرگ‌تر هستند که می‌تواند حدود یک لیتر آب را با کمک یک غشای ساخته‌شده از پلی‌آنیلین فیلتر کند و معتقدند این روش می‌تواند میزان حساسیت را تا بیش از صد برابر افزایش دهد. هدف آنها تشخیص دادن سطوح مواد شیمیایی مضر حتی در اندازه‌های بسیار پایین است.

سواگر گفت: ما یک سیستم خانگی و کاربرپسند را در نظر داریم. کاربر می‌تواند یک لیتر آب را در آن قرار دهد تا از غشاء عبور کند و سپس، به اندازه‌گیری تغییر مقاومت غشا بپردازد.

چنین دستگاهی می‌تواند یک جایگزین ارزان‌تر و سریع را برای روش‌های کنونی تشخیص PFAS ارائه دهد. اگر PFAS در آب آشامیدنی تشخیص داده شود، فیلترهای تجاری موجود را می‌توان برای کاهش میزان آنها در آب آشامیدنی خانگی استفاده کرد. روش آزمایشی جدید می‌تواند برای کارخانه‌هایی که محصولات حاوی مواد شیمیایی PFAS را تولید می‌کنند نیز سودمند باشد. کارخانه‌ها می‌توانند آزمایش کنند که آیا آب مورد استفاده در فرآیند تولید آنها برای انتشار در محیط زیست بی‌خطر است یا خیر.

این پژوهش در مجله «PNAS» به چاپ رسید.