Исследователи из Техасского университета в Остине разрабатывают способы отслеживания вечных химических загрязнителей в водных путях. Источник: Школа геонаук Джексона/Институт геофизики Техасского университета
Фторорганические соединения, иногда называемые «вечными химикатами», все чаще оказываются в нашей питьевой воде, океанах и даже в крови человека, представляя потенциальную угрозу для окружающей среды и здоровья человека.
Теперь исследователи из Техасского университета в Остине разработали способ их отпечатков, который может помочь властям отследить их источник, когда они попадают в водоносные слои, водные пути или почву.
Технология включает в себя пропускание образцов через сильное магнитное поле, а затем считывание всплеска радиоволн, испускаемых их атомами. Это раскрывает состав изотопов углерода в молекуле и дает химическому веществу его отпечаток, достижение, которое ранее не удавалось достичь с помощью навсегда химикатов.
Работа важна, поскольку она позволяет ученым отслеживать распространение вечных химикатов в окружающей среде, сказала Корнелия Расмуссен, доцент-исследователь в Институте геофизики Техасского университета в Школе геонаук Джексона.
«В конечном итоге мы сможем отслеживать молекулы и видеть, как они движутся», — сказала Расмуссен, которая была одним из руководителей разработки метода. «Например, остаются ли они там, где их сбросили, или движутся вниз по течению».
Новая технология была описана в статье, опубликованной в журнале Environmental Science & Technology
Сверхпрочные молекулярные связи, которые придают вечным химикатам их удобные характеристики, используемые во всем: от антипиренов до антипригарных поверхностей и лекарств с медленным высвобождением, также не дают им распадаться в окружающей среде, заставляя их накапливаться в виде загрязнений в почве и органических материалах, к которым они легко прилипают.
Агентство по охране окружающей среды США планирует регулировать химические вещества forever, в том числе PFAS, и исключить большинство из них из питьевой воды. Однако молекулярные связи химических веществ также затрудняют их отслеживание. Это связано с тем, что традиционная химическая дактилоскопия подразумевает разделение молекул в масс-спектрометре, что не очень хорошо работает с жесткими молекулярными связями химических веществ forever.
Иллюстрация процесса химического отпечатка пальцев в работе с обычным пестицидом. Каждый пик на графике указывает на различную комбинацию изотопов углерода, связанных с фтором, как измерено прибором ЯМР. Шаблон дает молекуле ее отпечаток пальца. Кредит: Корнелия Расмуссен/Школа геонаук Джексона/Институт геофизики Техасского университета.
Вместо этого исследователи обратились к технологии, называемой спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которая измеряет структуру молекулы и идентифицирует ее изотопы, не расщепляя ее на части.
Изотопы относятся к химическим элементам с разным числом нейтронов в их атомах. Вечные химикаты производятся путем связывания изотопов углерода с элементом фтором, что почти никогда не происходит в природе. После того, как молекулярные связи сформированы, они практически неразрывны.
Методика исследователей использует ЯМР-инструмент вместе с их собственными вычислительными инструментами для определения смеси изотопов углерода в каждой позиции в молекуле. Поскольку смесь изотопов углерода, связывающихся с каждым атомом фтора, уникальна для способа производства химического вещества, эту информацию можно использовать как отпечаток пальца для отслеживания химического вещества.
Это как встроенный штрих-код для молекул, сказал соавтор Дэвид Хоффман, доцент кафедры молекулярных биологических наук в Колледже естественных наук Техасского университета.
«Одна из причин, по которой это сработало так хорошо, заключается в том, что мы собираем инструменты из разных областей науки (химии и геонаук), которые обычно не смешиваются, и используем их для того, чтобы делать то, чего раньше никто не делал», — сказал он.
Исследователи проверили свою методику на образцах, включавших фармацевтические препараты и распространенный пестицид. Расмуссен и Хоффман сейчас проводят пилотное исследование, чтобы увидеть, как методика будет работать с загрязняющими веществами, которые появляются в ручьях и сточных водах города Остин. В случае успеха методика может быть полезна государственным и федеральным агентствам, которые хотят отслеживать распространение химических веществ, переносимых водой.
Расмуссен сказала, что работа открыла новый слой изотопной информации в органической химии, которая может найти множество применений за пределами отслеживания химических веществ, переносимых водой, например, для обнаружения поддельных лекарств или астробиологии. Однако ее конечная цель — вывести методику еще дальше.
«Она дала нам целый ряд возможностей узнать действительно интересные вещи о метаболизме на ранней Земле», — сказала она. «Это даже может сказать нам, являются ли органические вещества на Марсе последними остатками какой-то древней марсианской жизни».
Дополнительная информация: Корнелия Расмуссен и др., Fingerprinting Organofluorine Molecules via Position-Specific Isotope Analysis, Environmental Science & Technology (2024). DOI: 10.1021/acs.est.4c02250
Информация о журнале:Environmental Science & Technology
Предоставлено Техасским университетом в Остине
