PFAS oder Ewigkeitschemikalien sind industriell hergestellte Verbindungen aus Fluor, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden – von Lebensmittelverpackungen über die Halbleiterproduktion bis hin zu Autoreifen. Sie sind nicht abbaubar und reichern sich in der Umwelt an. Die Besorgnis über die von ihnen verursachte toxische Verschmutzung, insbesondere von Wasser, hat in den letzten Jahren zugenommen.
„Die Möglichkeit, Ewigkeitschemikalien im Trinkwasser oder in der Umwelt aufgrund von Industrieunfällen zu identifizieren, ist für unsere eigene Gesundheit und die unseres Planeten von entscheidender Bedeutung. Die aktuellen Methoden zur Messung dieser Schadstoffe sind kompliziert, zeitaufwändig und teuer“, erklärt Stuart Harrad, Professor für Umweltchemie an der Universität Birmingham, der zusammen mit seiner Kollegin Zoe Pikramenou, Professorin für anorganische Chemie und Photophysik, an der Entwicklung des neuen Sensors beteiligt war. „Es besteht ein dringender Bedarf an einer einfachen, schnellen und kostengünstigen Methode, um PFAS in Wasserproben vor Ort zu messen und so Eindämmungs- und Sanierungsmaßnahmen zu unterstützen, vor allem bei (sehr) geringen Konzentrationen. Aber bisher war es unglaublich schwierig, dies zu tun.“
Die Forscher, die ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Analytical Chemistry veröffentlicht haben, haben einen Prototyp entwickelt, mit dem die Ewigkeitschemikalie Perfluoroctansäure (PFOA) nachgewiesen werden kann. Der Ansatz verwendet lumineszierende Metallkomplexe, die auf einer Sensoroberfläche angebracht sind. Wenn der Sensor in kontaminiertes Wasser getaucht wird, erkennt er PFOA anhand von Veränderungen des Lumineszenz-Signals, das von den Metallen abgegeben wird.
Iridium wird mit UV-Licht angeregt
„Der Sensor funktioniert mit einem kleinen Gold-Chip, auf den Iridium-Metallkomplexe aufgebracht sind. Das Iridium wird dann mit UV-Licht angeregt und gibt rotes Licht ab“, so Pikramenou. „Wenn der Gold-Chip in eine Probe getaucht wird, die mit der Ewigkeitschemikalie verunreinigt ist, wird eine Änderung des Signals in der Lumineszenz-Lebensdauer des Metalls beobachtet, sodass das Vorhandensein der Chemikalie in verschiedenen Konzentrationen nachgewiesen werden kann.“ Bislang konnte der Sensor laut Pikramenou 220 µg PFAS pro Liter Wasser nachweisen, was für Industrieabwässer ausreiche. Doch für Trinkwasser müsste man den Ansatz viel empfindlicher machen und in der Lage sein, PFAS im Nanogrammbereich nachzuweisen.
Mit Experten der BAM für
Oberflächenanalytik
Das Team hat bei der Entwicklung des Tests und der nanoskaligen Charakterisierung des Chips mit Oberflächen- und Sensor-Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin zusammengearbeitet. „Fortschrittliche bildgebende Oberflächenanalysen sind für die Entwicklung spezieller chemischer Nanostrukturen auf maßgeschneiderten Sensorchips unerlässlich, um eine optimale Leistung zu gewährleisten“, betont Dan Hodoroaba, Leiter des Fachbereichs Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie der BAM. Knut Rurack, der den Fachbereich Chemische und optische Sensorik an der BAM leitet, ergänzt: „Jetzt, da wir einen Prototyp eines Sensorchips haben, wollen wir ihn weiterentwickeln, um ihn tragbarer und empfindlicher zu machen, damit er bei Unfällen eingesetzt werden kann, um diese Chemikalien im Trinkwasser zu detektieren.“ Pikramenou resümiert: „Dieser Prototyp ist ein großer Schritt nach vorn auf dem Weg zu einer wirksamen, schnellen und präzisen Methode zur Feststellung dieser Verschmutzung, die dazu beiträgt, unsere Natur zu schützen und unser Trinkwasser sauber zu halten.“
