شیمی‌دانان دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) یک حسگر طراحی کرده‌اند که مقادیر مقداری از مواد موسوم به «پرفلوئوروآلکیل و پلی‌فلوئوروآلکیل»(PFAS) را تشخیص می‌دهد. این مواد شیمیایی در بسته‌بندی مواد غذایی، ظروف نچسب و تعداد بسیاری دیگر از محصولات مصرفی وجود دارند و برای سلامتی زیان اور می باشند.

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

پژوهشگران در این پروژه نشان دادند که با منفعت گیری از حسگر تازه خود می‌توانند سطوح PFAS را در مثالهای آب تا ۲۰۰ تکه در تریلیون تشخیص دهند. این حسگر می‌تواند راهی را برای آزمایش کردن آب آشامیدنی اراعه دهد و در صنایعی که به شدت به مواد شیمیایی PFAS متکی می باشند، از جمله ساخت نیمه‌رساناها و تجهیزات آتش‌نشانی سودمند باشد.

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

شناسایی PFAS

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

مواد شیمیایی PFAS که از دهه ۱۹۵۰ به طور گسترده مورد منفعت گیری قرار گرفته‌اند، می‌توانند از کارخانه‌ها، تصفیه‌خانه‌های فاضلاب و محل‌های دفن زباله انتشار شوند و به آب، هوا و خاک راه یابند. آنها در منبع های 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) تشکیل کرد. آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا در این پیشنهاد‌ها، خواستار محدودیت ۰.۰۰۴ تکه در تریلیون برای PFOA و ۰.۰۲ تکه در تریلیون برای PFOS در آب آشامیدنی شده است.

اکنون، تنها راهی که مصرف‌کننده به پشتیبانی 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 تشکیل یک روش ارزان‌تر و سریع تر 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 منفعت گیری می‌شود. حسگر تازه 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 همانند PFAS را از آب قرار داده‌شده روی نوار آزمایش بیرون بکشد. هنگامی که این اتفاق رخ می‌دهد، پروتون‌های PFAS به سوی پلی‌آنیلین کشیده خواهد شد و آن را به یک رسانا تبدیل می‌کنند تا مقاومت الکتریکی ماده را افت دهند. این تحول در مقاومت که می‌توان آن را دقیقا با منفعت گیری از الکترودها اندازه‌گیری کرد و به یک دستگاه همانند تلفن هوشمند فرستاد، مقدار PFAS را مشخص می کند.

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 جاری حسگر می‌تواند غلظت‌های کمتر از ۲۰۰ تکه در تریلیون را برای PFBA و ۴۰۰ تکه در تریلیون را برای PFOA تشخیص دهد. این مقدار برای مطابقت با دستورالعمل‌های جاری آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا به قدر کافی کم نیست اما دقت داشته باشید که حسگر، آب را فقط در کسری از میلی‌لیتر مورد بازدید قرار می‌دهد. پژوهشگران اکنون در حال کار کردن روی دستگاهی در مقیاس بزرگ‌تر می باشند که می‌تواند نزدیک به یک لیتر آب را با پشتیبانی یک غشای ساخته‌شده از پلی‌آنیلین فیلتر کند و اعتقاد دارند این روش می‌تواند مقدار حساسیت را تا بیشتر از صد برابر افزایش دهد. مقصد آنها تشخیص دادن سطوح مواد شیمیایی زیان اور حتی در اندازه‌های زیاد پایین است.

سواگر او 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 تحول مقاومت غشا بپردازد.

این چنین دستگاهی می‌تواند یک جانشین ارزان‌تر و سریع را برای راه حلهای جاری تشخیص PFAS اراعه دهد. اگر PFAS در آب آشامیدنی تشخیص داده شود، فیلترهای تجاری حاضر را می‌توان برای افت مقدار آنها در آب آشامیدنی خانگی منفعت گیری کرد. روش آزمایشی تازه می‌تواند برای کارخانه‌هایی که محصولات حاوی مواد شیمیایی PFAS را تشکیل می‌کنند نیز سودمند باشد. کارخانه‌ها می‌توانند آزمایش کنند که آیا آب مورد منفعت گیری در فرآیند تشکیل آنها برای انتشار کردن در محیط زیست بی‌خطر است یا خیر.

این پژوهش در مجله «PNAS» به چاپ رسید.