Sularımızda, kanımızda ve çevrede duruyorlar -“Forever Chemicals” tespit edilmesi çok zor.
Ancak Uchicago Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu (Uchicago PME) ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, sudaki küçük ve polioroalkil maddelerinin (PFA) küçük seviyelerini tespit etmek için yeni bir yöntem geliştirmek üzere işbirliği yaptı. Taşınabilir, el tipi bir cihaz aracılığıyla paylaşmayı planladıkları yöntem, PFA seviyelerini ölçmek için benzersiz problar kullanır. “sonsuza kadar kimyasallar,” bazıları insanlar için toksiktir.
“Bu kirleticilerin seviyelerini ölçmek için mevcut yöntemler haftalar sürebilir ve son teknoloji ekipman ve uzmanlık gerektirebilir,” dedi Junhong Chen, Uchicago Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki baş su stratejistinde profesör. “Yeni sensör cihazımız bu kirleticileri sadece birkaç dakika içinde ölçebilir.”
Dergide açıklanan teknoloji Doğa suyuOlimpiyat boyutlu bir yüzme havuzunda bir tane kum gibi dört katilyon başına 250 kısımda (PPQ) bulunan PFA’ları tespit edebilir. Bu, ABD Çevre Koruma Dairesi (EPA) için son zamanlarda trilyon başına 4 bölüm önerilen sınırları önerdiği en toksik PFA’lardan ikisi için içme suyunun izlenmesinde test faydasını verir – perflorooktanoik asit (PFOA) ve perflorooctanesülfonik asit (PFOS).
“PFA tespiti ve eliminasyon acil bir çevre ve halk sağlığı sorunudur,” dedi Andrew Ferguson, Uchicago PME’de moleküler mühendislik profesörü. “Bilgisayar simülasyonları ve makine öğrenimi, bu moleküllerin moleküler sensörlere nasıl bağlandığını anlamak için inanılmaz derecede güçlü bir araç olduğu kanıtlanmıştır ve daha hassas ve seçici moleküler probları tasarlamak için deney çabalarına rehberlik edebilir.”
“Tipik olarak minik konsantrasyonlarda mevcut olmalarına rağmen, PFA’lar onları suda çözülen diğer şeylerden ayıran belirli moleküler özelliklere sahiptir ve problarımız bu özellikleri tanımak için tasarlanmıştır,” Dedi Seth Darling, hem Argonne hem de Uchicago’da kıdemli bir bilim adamı.
Bir Tespit Mücadelesi
PFA’lar, yapışmaz tencere ve tavalar, fast food ambalajı, yangın söndürme köpüğü, yağmurluk ve leke dirençli halı dahil olmak üzere çok çeşitli tüketici ve endüstriyel ürünler için kullanılan yağ ve suya dayanıklı kimyasallardır. Genellikle aranıyor “sonsuza kadar kimyasallar,” İnanılmaz derecede uzun ömürlüdürler ve doğal olarak bozulmazlar, bunun yerine zamanla çevrede ve insanların bedenlerinde birikirler.
Son yıllarda, çalışmalar PFA’ları kanserler, tiroid problemleri ve zayıflamış bağışıklık sistemleri de dahil olmak üzere sağlık endişeleriyle ilişkilendirmiştir. Bu bulguların bazılarının ışığında EPA, PFOS ve PFOA için yeni sınırları önerdi.
“Bu sınırların uygulanmasının sorunu, PFA’ları tespit etmenin çok zor ve zaman alıcı olmasıdır,” dedi Chen. “Şu anda sadece bir su numunesi alıp evde test edemezsiniz.”
PFAS seviyelerini ölçmek için altın standart, kimyasal bileşikleri ayıran ve her biri hakkında bilgi sağlayan sıvı kromatografisi/tandem kütle spektrometresi olarak bilinen pahalı bir laboratuvar testidir.
Kendi daha hızlı ve daha ucuz PFAS testlerini yapmaya çalışan araştırmacılar birkaç zorlukla karşı karşıyadır: Bir kere, PFAS kimyasalları genellikle daha düşük konsantrasyonlarda suda düzinelerce daha yaygın kirletici maddelerden daha düşük konsantrasyonlarda bulunur. Buna ek olarak, kimyasal yapıları arasında sadece küçük varyasyonlara sahip binlerce farklı PFA kimyasalı vardır – ancak sağlık etkileri ve düzenlemelerinde önemli farklılıklar.
Ancak Chen’in ekibi, son on beş yıldır bilgisayar çiplerinde son derece hassas, taşınabilir sensörler geliştiriyor. Chen, teknolojiyi musluk suyu için bir kurşun sensöründe kullanıyor ve laboratuvar grubu aynı yöntemin PFAS algılamasında kullanılabileceğinden şüphelendi. PFA’lar için teknolojiyi uyarlama önerileri, Büyük Göller’deki Ulusal Bilim Vakfı Su İnovasyon Motorunun bir parçası oldu.
AI tarafından tasarlandı
Chen’in sensörünün özü, bir PFAS molekülü cihazına bağlanırsa, silikon çipin yüzeyi boyunca akan elektriksel iletkenliği değiştirmesidir. Ancak o ve meslektaşları, her sensörü PFO’lar gibi bir PFA kimyasalına nasıl son derece spesifik hale getireceklerini bulmak zorundaydı.
Bunu yapmak için Chen, Ferguson, Darling ve ekip, algılama cihazında oturabilecek ve ideal olarak sadece ilgilenilen PFA’ları bağlayabilecek benzersiz probların seçilmesine yardımcı olmak için makine öğrenimine döndü. 2021’de, PFAS problarının tasarlanmasında yapay zeka kullanımını desteklemek için Uchicago Veri ve Bilgi İşlem Merkezi’nden (CDAC) bir Keşif Mücadelesi Ödülü kazandılar.
“Bu bağlamda, makine öğrenimi, sayısız kimyasal probu hızlı bir şekilde sıralayabilen ve hangilerinin her PFA’ya bağlanma için en iyi adaylar olduğunu tahmin edebilen bir araçtır,” dedi Chen.
Yeni makalede, ekip, hesaplamalı olarak tahmin edilen bu problardan birinin gerçekten PFO’lara seçici olarak bağlandığını gösterdi-musluk suyunda yaygın olan diğer kimyasallar çok daha yüksek seviyelerde mevcut olsa bile. PFO’lar içeren su cihazlarından aktığında, kimyasal yeni proba bağlanır ve çipin elektriksel iletkenliğini değiştirir. İletkenlik ne kadar değişir PFO seviyesine bağlıdır.
Yeni cihazdan gelen okumaların doğru olduğundan emin olmak için, ekip EPA ile işbirliği yaptı ve konsantrasyonları doğrulamak için EPA onaylı sıvı kromatografisi/tandem kütle spektrometresi yöntemleri kullandı ve seviyelerin yeni cihazın tespit ettiği şeyle uyumlu olduğunu doğruladı. Ekip ayrıca, sensörün birçok tespit ve durulama döngüsünden sonra bile doğruluğunu koruyabileceğini ve gerçek zamanlı izleme potansiyelini düşündürdüğünü gösterdi.
“Bir sonraki adımımız, diğer farklı PFAS kimyasalları için yeni probları tahmin etmek ve sentezlemek ve bunun nasıl ölçeklendirilebileceğini göstermektir,” diyor Chen. “Oradan, aynı yaklaşımla başka neler algılayabileceğimiz konusunda birçok olasılık var – içme suyundaki kimyasallardan antibiyotiklere ve atık sudaki virüslere kadar her şey.”
Sonuç olarak, tüketicilerin kendi sularını test edebilmeleri ve çevreleri ve ne tükettikleri hakkında daha iyi seçimler yapabilmeleri olabilir.
