«Они сохраняются в нашей воде, в нашей крови и в окружающей среде — „вечные химикаты“, которые трудно обнаружить».
Исследователи из Школы молекулярной инженерии Прицкера при Чикагском университете (UChicago PME) и Аргоннской национальной лаборатории совместно разработали новый метод обнаружения минимальных уровней пер- и полифторалкильных веществ (PFAS) в воде.
Метод, который они планируют представить с помощью портативного устройства, использует уникальные датчики для количественного определения уровней PFAS.
«Существующие методы измерения уровней этих загрязнителей могут занимать недели и требуют современного оборудования и специальных знаний», — сказал Цзюньхун Чен, профессор Школы молекулярной инженерии Прицкера при Чикагском университете и главный стратег по водным ресурсам в Аргоннской национальной лаборатории. «Наше новое сенсорное устройство может измерить эти загрязнители всего за несколько минут».
Технология, описанная в журнале Nature Water, может обнаружить PFAS, присутствующие в концентрации 250 частей на квадриллион (ppq) — как одно зерно песка в олимпийском бассейне. Это даёт тесту возможность мониторинга питьевой воды на содержание двух наиболее токсичных PFAS — перфтороктановой кислоты (PFOA) и перфтор octane-сульфоновой кислоты (PFOS), для которых Агентство по охране окружающей среды США (EPA) недавно предложило ограничения в 4 части на триллион.
«Обнаружение и устранение PFAS является актуальной проблемой для окружающей среды и общественного здравоохранения», — сказал Эндрю Фергюсон, профессор молекулярной инженерии в UChicago PME. «Компьютерное моделирование и машинное обучение оказались невероятно мощным инструментом для понимания того, как эти молекулы связываются с молекулярными датчиками, и могут направлять экспериментальные усилия по разработке более чувствительных и селективных молекулярных зондов».
«Несмотря на то что они обычно присутствуют в минимальных концентрациях, PFAS имеют определённые молекулярные характеристики, которые отличают их от других веществ, растворённых в воде, и наши датчики разработаны так, чтобы распознавать эти особенности», — сказал Сет Дарлинг, старший научный сотрудник Аргоннской лаборатории и Чикагского университета.
Что такое PFAS?
PFAS — это масло- и водоотталкивающие химикаты, которые используются в широком спектре потребительских и промышленных товаров, включая антипригарные кастрюли и сковородки, упаковку для фастфуда, пенопласт для пожаротушения, плащи и ковры, устойчивые к загрязнениям. Их часто называют «вечными химикатами», поскольку они невероятно долговечны и не разлагаются естественным путём, а накапливаются в окружающей среде и организме человека с течением времени.
В последние годы исследования связали PFAS с проблемами здоровья, включая рак, заболевания щитовидной железы и ослабление иммунной системы. В свете некоторых из этих выводов EPA предложило новые ограничения для PFOS и PFOA.
«Проблема с введением этих ограничений заключается в том, что обнаружение PFAS — это очень сложная и трудоёмкая задача», — сказал Чен. «Сейчас вы не можете просто взять образец воды и протестировать его дома».
Команда Чена в течение последних пятнадцати лет разрабатывает высокочувствительные портативные датчики на компьютерных чипах. Чен уже использует эту технологию в датчике определения свинца в водопроводной воде, и его лаборатория предположила, что тот же метод может быть использован для обнаружения PFAS. Их предложение по адаптации технологии для PFAS стало частью программы Национального научного фонда по инновациям в области водных ресурсов на Великих озёрах.
Суть датчика Чена заключается в том, что, когда молекула PFAS присоединяется к его устройству, она изменяет электрическую проводимость, которая проходит по поверхности кремниевого чипа. Но ему и его коллегам пришлось выяснить, как сделать каждый датчик высокоспецифичным для одного химического вещества PFAS, такого как PFOS.
Чтобы сделать это, Чен, Фергюсон, Дарлинг и их команда обратились к машинному обучению, чтобы помочь выбрать уникальные зонды, которые могли бы располагаться на датчике и идеально связываться только с интересующим PFAS. В 2021 году они получили премию Discovery Challenge Award от Центра данных и вычислений Чикагского университета (CDAC) за использование искусственного интеллекта в разработке зондов PFAS.
«В этом контексте машинное обучение — это инструмент, который может быстро перебирать бесчисленное количество химических зондов и предсказывать, какие из них являются лучшими кандидатами для связывания с каждым PFAS», — сказал Чен.
В новой статье команда показала, что один из этих вычислительно предсказанных зондов действительно избирательно связывается с PFOS, даже когда другие химические вещества, распространённые в водопроводной воде, присутствуют в гораздо более высоких концентрациях. Когда вода, содержащая PFOS, проходит через их устройство, химическое вещество связывается с новым зондом и изменяет электрическую проводимость чипа. Насколько изменится проводимость, зависит от уровня PFOS.
Чтобы убедиться, что показания нового устройства верны, команда сотрудничала с EPA и использовала одобренные EPA методы жидкостной хроматографии/тандемной масс-спектрометрии для подтверждения концентраций и проверки соответствия уровней тому, что обнаружило новое устройство. Команда также показала, что датчик может сохранять свою точность даже после множества циклов обнаружения и промывки, что предполагает возможность мониторинга в реальном времени.
«Наш следующий шаг — спрогнозировать и синтезировать новые зонды для других химических веществ PFAS и показать, как это можно масштабировать», — говорит Чен. «После этого у нас появится множество возможностей для того, чтобы почувствовать с помощью этого же подхода — всё, от химических веществ в питьевой воде до антибиотиков и вирусов в сточных водах».
Конечным результатом может стать то, что потребители смогут тестировать свою воду и делать более осознанный выбор в отношении окружающей среды и того, что они потребляют.
Предоставлено Университетом Чикаго.