"Ewige Chemikalien" in weniger als 3 Minuten nachweisen

Neue laborbasierte Methode zum Nachweis von PFAS-Spuren in Lebensmittelverpackungen, Wasser- und Bodenproben

12.02.2024

In Tests konnte das Team PFAS in einer Minute oder weniger nachweisen, indem es Teile verschiedener Lebensmittelverpackungen direkt analysierte, darunter auch Instant-Nudelschachteln (symbolisches Bild).

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PFAS werden nicht umsonst als "Chemikalien für die Ewigkeit" bezeichnet. Die künstlich hergestellten Verbindungen, die sich erst nach Tausenden von Jahren abbauen und von fettabweisenden Lebensmittelverpackungen bis hin zu wasserabweisenden Kleidungsstücken reichen, sind bereits in fast der Hälfte des US-Leitungswassers enthalten.

In einer Studie, die im Elsevier's Journal of Hazardous Materials veröffentlicht wurde, haben Chemiker des New Jersey Institute of Technology ein neues laborgestütztes Verfahren vorgestellt, mit dem sich Spuren von PFAS in Lebensmittelverpackungen, Wasser und Bodenproben in nur drei Minuten oder weniger nachweisen lassen.

Die Forscher sagen, dass ihr Ansatz die Bemühungen zur Untersuchung und Bekämpfung der Bioakkumulation von PFAS in der Umwelt erheblich beschleunigen könnte. Dazu gehören auch die mehr als 2 Milliarden Dollar an EPA-Zuschüssen aus Präsident Bidens Zweiparteien-Infrastrukturgesetz für die Bundesstaaten zur Durchführung von Wasserqualitätsprüfungen und -behandlungen für die neuen Schadstoffe.

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"Es gibt Tausende verschiedener PFAS-Arten, aber wir müssen erst noch das Ausmaß ihrer Verbreitung in unserer Umwelt verstehen, da die derzeitigen Testmethoden kostspielig und zeitaufwändig sind und in einigen Fällen Stunden für die Probenvorbereitung und -analyse benötigen", sagte Hao Chen, der korrespondierende Autor der Studie und Chemieprofessor am NJIT. "Unsere Studie zeigt eine viel schnellere, empfindlichere und vielseitigere Methode, mit der unser Trinkwasser, unsere Böden und Konsumgüter innerhalb von Minuten auf Verunreinigungen untersucht werden können."

Chen und seine Kollegen sagen, dass die neue Methode - die eine Ionisierungstechnik zur Analyse der molekularen Zusammensetzung von Probenmaterialien, die so genannte Papiersprüh-Massenspektrometrie (PS-MS), beinhaltet - 10 bis 100 Mal empfindlicher ist als die derzeitige Standardtechnik für PFAS-Tests, die Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie.

"PFAS können mit einem hochauflösenden Massenspektrometer ionisiert und schnell nachgewiesen werden, was ein klares Bild der vorhandenen PFAS-Spezies und des Verschmutzungsgrads bis hinunter zu einem Teil pro Billion (ppt) ergibt", erklärte Chen. "Für komplexere Matrizes wie Böden haben wir eine verwandte Methode namens Entsalzungs-Papier-Sprüh-Massenspektrometrie (DPS-MS) angewandt, die Salze auswäscht, die normalerweise das Ionensignal von PFAS unterdrücken. Zusammen verbessern sie unsere Fähigkeit, diese Verbindungen nachzuweisen, erheblich."

"Unsere Nachweisgrenze für PFAS liegt bei etwa 1 pt. Zum Vergleich: Diese Menge entspricht einem Tropfen Wasser in 20 Schwimmbecken von olympischer Größe", fügte Md Tanim-Al Hassan, Erstautor der Studie und Doktorand der Chemie am NJIT, hinzu.

In Tests konnte das Team PFAS in einer Minute oder weniger nachweisen, indem es Teile verschiedener Lebensmittelverpackungen direkt analysierte, darunter Mikrowellen-Popcornpapier, Instant-Nudelschachteln sowie Pommes-Frites- und Burger-Verpackungen von zwei multinationalen Fast-Food-Restaurantketten.

Die Analyse ergab Spuren von 11 verschiedenen PFAS-Molekülen - darunter gängige Typen, die mit einem erhöhten Krebsrisiko und einer Unterdrückung des Immunsystems in Verbindung gebracht werden, wie PFOA (Perfluoroctansäure) und PFOS (Perfluoroctansulfonsäure).

Bei ihrer Wasseranalyse wies das Team in weniger als zwei Minuten Spuren von PFOA in Proben des örtlichen Leitungswassers nach, während es in Proben aus dem gefilterten Brunnenwasser der Universität keine Spuren von PFAS fand.

"Die EPA hat bereits vorgeschlagen, landesweit Höchstwerte für die Kontamination von sechs PFAS im Trinkwasser festzulegen, darunter auch PFOA und PFOS", sagte Mengyan Li, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor für Umweltwissenschaften am NJIT. "Diese Analysemethode könnte intensivere Screenings auf toxische PFAS erleichtern, die im Rahmen eines solchen Vorschlags zum Schutz unserer Wasserversorgung erforderlich sein könnten."

Mithilfe von DPS-MS identifizierte das Team außerdem zwei PFAS-Arten aus nur 40 mg Boden in weniger als drei Minuten.

Die schnelle Nachweismethode des Teams wird bereits zusammen mit modernsten Techniken zur Sanierung von PFAS getestet, die am BioSMART Center des NJIT entwickelt werden.

"Bemerkenswerterweise konnten wir in unserem Labor diese Analysemethode mit einem neuartigen Abbaukatalysator koppeln, der 98,7 % der PFAS in Trinkwasserproben innerhalb von drei Stunden abbaut", so Wunmi Sadik, Mitautor der Studie und Lehrstuhlinhaber am Department of Chemistry and Environmental Sciences des NJIT. "Diese Arbeit kann landesweite Auswirkungen haben, aber die unmittelbare Wirkung wird im Nordosten zu spüren sein. Etwa 10 % der 9,2 Millionen Einwohner New Jerseys haben hohe Werte von Perfluoroctansäure in ihrem Trinkwasser, verglichen mit dem nationalen Durchschnitt von 1,9 %."

Laut Chen könnte sich der Fortschritt auch rasch auf die Überwachung von Verbraucherprodukten auswirken, von Kosmetika und Medikamenten bis hin zu frischen und verarbeiteten Lebensmitteln. Das Team plant, die Fähigkeiten der Methode auch für die Luftüberwachung zu demonstrieren.

"In naher Zukunft könnte dies für die Gewährleistung der Sicherheit von Lebensmitteln äußerst nützlich sein ... es könnte zum Beispiel eine effizientere Überwachung von landwirtschaftlichen Erzeugnissen auf PFAS-Kontamination ermöglichen", erklärte Chen. "Unsere Methode könnte auch die Untersuchung von PFAS in der Luft in ähnlicher Weise voranbringen, wie wir es in dieser Studie gezeigt haben, was uns helfen würde, dieses weit verbreitete Umweltproblem anzugehen."

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Originalveröffentlichung

Md. Tanim-Al Hassan, Xingzhi Chen, Praneeth Ivan Joel Fnu, Francis J. Osonga, Omowunmi A. Sadik, Mengyan Li, Hao Chen; "Rapid detection of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) using paper spray-based mass spectrometry"; Journal of Hazardous Materials, Volume 465

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