Forschung am MIT Dank Lateral-Flow-Sensor kostengünstig saure Ewigkeitschemikalien aufspüren

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Forschende des MIT haben einen Sensor basierend auf der Lateral-Flow-Technologie entworfen, der es Nutzenden kostengünstig und schnell erlauben könnte, den beiden schädlichen Ewigkeitschemikalien PFOA und PFBA im Trinkwasser auf die Spur zu kommen. Der Sensor könnte in Haushalten wie in Fabriken zum Einsatz kommen.

Sogenannte Ewigkeitschemikalien, auch als PFAS (Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen) bekannt, bringen allerhand Vorteile mit sich - und auch mindestens genau so viele Nachteile. Es handelt sich dabei um modifizierte aliphatische organische Verbindungen, die (oder deren Abbauprodukte) in der Umwelt sehr persistent sind, also zurückbleiben. Deswegen auch der Name Ewigkeitschemikalien.

Es gibt Tausende PFAS-Verbindungen, die in Industrie- und Alltagsprodukten verwendet werden, und einige davon stehen im Verdacht, krebserregend zu sein. Weil PFAS allerdings kaum oder gar nicht abgebaut werden können und sie aufgrund ihrer als vorteilhaft angesehenen Antihaft-Eigenschaft, wie angesprochen, für viele Alltagsprodukte eingesetzt werden, werden sie fast überall gefunden. In unseren Nahrungsmitteln, in unserem Wasser, in menschlichem wie tierischem Gewebe.

Einer sozioökonomischen Studie des Nordischen Rats aus dem Jahr 2019 zufolge entstünden im Europäischen Wirtschaftsraum (EWR) plus Schweiz im Jahr Kosten zwischen 821 Millionen und 170 Milliarden EUR, wenn PFAS in der Umwelt gefunden und beseitigt werden. Die Summe setzt sich aus Schätzungen der Kosten für Umweltscreening, Überwachung bei Kontamination, Wasseraufbereitung, Bodensanierung und Gesundheitsbewertung zusammen (Seite 190, THE COST OF INACTION: A socioeconomic analysis of environmental and health impacts linked to exposure to PFAS).

Bislang lassen sich die Mengen von PFAS im Trinkwasser lediglich via Laboruntersuchungen feststellen, was nicht gerade wenig Zeit und Geld kostet. Forschende am MIT (Massachussets Institute of Technology) haben einen Sensor basierend auf Lateral-Flow-Technology entworfen, der eine günstige und schnelle Alternative darstellen könnte.

Lateral-Flow-Test mit einem speziellen Polymer

Der Sensor, ein Teststreifen, funktioniert dabei ähnlich wie ein Schwangerschaftstest oder ein Test für COVID-19. Solche Lateral-Flow-Tests sind beispielsweise mit Antikörpern beschichtet. Im Fall des Sensors vom MIT aber wurde das Polymer Polyanilin genutzt, das zwischen einem leitenden und halbleitenden Zustand wechseln kann, wenn Protonen zu dem Material zugefügt werden. Die Forscher brachten diese Polymere auf einem Streifen Nitrocellulosepapier auf und beschichteten sie mit einem Tensid, das Fluorkohlenwasserstoffe wie PFAS aus einem Wassertropfen auf dem Streifen herausziehen kann.

„Wenn dies geschieht, werden Protonen aus den PFAS in das Polyanilin gezogen und machen es zu einem Leiter, wodurch sich der elektrische Widerstand des Materials verringert. Diese Widerstandsänderung, die mithilfe von Elektroden genau gemessen und an ein externes Gerät wie ein Smartphone gesendet werden kann, liefert ein quantitatives Maß dafür, wie viel PFAS vorhanden ist“, so die Erklärung der Forschenden.

In größeren Dimensionen denken

Dieser MIT-Ansatz funktioniert allerdings nur mit sauren PFAS - doch das betrifft immerhin zwei der schädlichsten PFAS, nämlich Perfluorbutansäure (PFBA) und Perfluoroctansäure (PFOA). Zumindest das Inverkehrbringen von PFOA und Vorläuferverbindungen ist in der EU seit Sommer 2020 verboten. Doch wie zuvor bereits angesprochen ist das „Außerverkehrbringen“ von PFAS wie PFOA schwieriger und kostspieliger.

Die aktuelle Version des Sensors der Forschenden kann Konzentrationen von bis zu 200 Teilen pro Billion für PFBA (etwa 200 pg/l) und 400 Teilen pro Billion für PFOA (etwa 400 pg/l) nachweisen. Das ist bisher nicht niedrig genug, um Richtlinien zu erfüllen; etwa die der Environmental Protection Agency (EPA) in den USA. Die ruft für Trinkwasser Richtwerte wie 4pg/l für PFOA aus.

Deswegen arbeiten die Forschenden an einem größeren Gerät, mit dem etwa ein Liter Wasser durch eine Membran aus Polyanilin gefiltert werden kann. Dieser Ansatz sollte die Empfindlichkeit um mehr als das Hundertfache erhöhen. „Wir stellen uns ein benutzerfreundliches System für den Haushalt vor“, sagt Timothy Swager, der John D. MacArthur-Professor für Chemie am MIT. „Man kann sich vorstellen, dass man einen Liter Wasser einfüllt, es durch die Membran laufen lässt und dann ein Gerät hat, das die Veränderung des Widerstands der Membran misst.“

Sobald Ewigkeitschemikalien im Trinkwasser gefunden werden, lassen sich diese Mengen über Filter reduzieren. Wichtig finden die Forschenden Swager, Park und Gordon außerdem, dass ihr Ansatz für Hersteller infrage kommen könnte, die Produkte mit PFAS-Chemikalien produzieren, um ihre Abwässer vor dem Ablass in die Umwelt zu kontrollieren und gegebenenfalls zu handeln. Die Studie „Resistivity detection of perfluoroalkyl substances with fluorous polyaniline in an electrical lateral flow sensor“ finden Sie im Archiv von PNAS. (sb)

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