芝加哥大学: 利用微型传感器快速检测水中“永久化学物质”

徘徊在我们的水、血液和环境中，是出了名的难以检测的“永远的化学物质” ，其中一些对人类有毒。
 

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）和美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员合作开发了一种检测水中微量全氟和多氟烷基物质（PFAS）的新方法。他们计划通过便携式手持设备分享这种方法，该方法使用独特的探针来量化PFAS“永久性化学物质”的水平。

UChicago PME皇冠家族教授、阿贡国家实验室首席水策略师Junhong Chen表示：“测量这些污染物水平的现有方法可能需要数周时间，需要最先进的设备和专业知识。”“我们的新传感器设备可以在几分钟内测量这些污染物。”
 

这项发表在《自然水》杂志上的技术可以检测到每千万亿分之250（ppq）的PFAS，就像在奥运会标准游泳池中找到一粒沙子。这使得该测试在监测饮用水中两种毒性最大的全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）方面具有实用性，美国环境保护局（EPA）最近提议将其限制在万亿分之四。
 

芝加哥大学PME分子工程教授Andrew Ferguson说：“检测和消除PFAS是一项紧迫的环境和公共卫生挑战。”“计算机模拟和机器学习已被证明是一种非常强大的工具，可以理解这些分子如何与分子传感器结合，并可以指导实验工作，以设计出更灵敏、更具选择性的分子探针。”
 

阿贡国家实验室和芝加哥大学的高级科学家 Seth Darling说：“尽管PFAS通常以极低的浓度存在，但它们确实具有某些分子特征，使其与溶解在水中的其他物质不同，我们的探测器旨在识别这些特征。”
 

检测挑战
 

PFAS是一种耐油防水化学品，用于各种消费品和工业产品：包括不粘锅、快餐包装、消防泡沫、雨衣和防污地毯。它们通常被称为“永久性化学物质”，具有令人难以置信的持久性，不会自然降解，而是随着时间的推移在环境和人体内积累。
 

近年来，研究将PFAS与健康问题联系起来，包括癌症、甲状腺问题和免疫系统减弱。鉴于其中一些发现，美国环保署提出了全氟辛烷磺酸和全氟辛酸的新限值。
 

“执行这些限制的问题是，检测PFAS非常具有挑战性和耗时，”Chen说。“目前，你不能只采集水样并在家里进行测试。”
 

传统测量PFAS水平的金标准是一种昂贵的实验室测试，称为液相色谱/串联质谱法，它可以分离化合物并提供每种化合物的信息。
 

试图进行更快、更便宜的PFAS测试的研究人员面临着一些挑战：首先，PFAS化学物质在水中的浓度通常比其他几十种更常见的污染物低得多。此外，有数千种不同的PFAS化学物质，它们的化学结构之间只有微小的变化，但它们的健康影响和限制法规存在重要差异。
 

但在过去的十五年里，Chen的团队一直在开发计算机芯片上的高灵敏度便携式传感器。已经在自来水铅传感器中使用了这项技术，实验室小组怀疑同样的方法也可以用于PFAS传感。他们提出的将该技术应用于PFAS的建议成为了美国国家科学基金会五大湖水创新引擎的一部分。
 

由AI设计
 

传感器的要点是，如果PFAS分子附着在设备上，它就会改变流经硅芯片表面的电导率。但他和他的同事们必须弄清楚如何使每个传感器对一种PFAS化学物质（如PFOS）具有高度特异性。
 

为此，Chen、Ferguson、Darling和团队转向机器学习，以帮助选择可以放置在传感设备上的独特探针，并理想地只结合感兴趣的PFAS。2021年，他们获得了芝加哥大学数据与计算中心（CDAC）的发现挑战奖，以支持他们在设计PFAS探测器时使用人工智能。
 

“在这种情况下，机器学习是一种工具，可以快速筛选无数化学探针，并预测哪些探针是与每个PFAS结合的最佳候选者，”Chen说。
 

在这篇新论文中，研究小组表明，其中一种计算预测的探针确实选择性地结合了全氟辛烷磺酸，即使自来水中常见的其他化学物质含量要高得多。当含有全氟辛烷磺酸的水流过他们的设备时，这种化学物质会与新的探针结合，从而改变芯片的电导率。电导率的变化程度取决于全氟辛烷磺酸的含量。
 

为了确保新设备的读数正确，该团队与美国环保署合作，使用美国环保署批准的液相色谱/串联质谱法来确认浓度，并验证其水平与新设备检测到的水平一致。该团队进一步表明，即使在多次检测和冲洗后，传感器也能保持其准确性，这表明了实时监测的潜力。
 

Chen说：“我们的下一步是预测和合成其他不同PFAS化学物质的新探针，并展示如何扩大规模。”“从那里，我们可以用同样的方法感知到其他许多可能性——从饮用水中的化学物质到废水中的抗生素和病毒。”
 

最终的结果可能是，消费者可以测试自己的水，并对他们的环境和消费做出更好的选择。
 

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  来源：网易