„Leuchtender Nachweis“ von Ewigkeitschemikalien im Wasser entwickelt

Was haben Lebensmittelverpackung, Halbleiterproduktion und Autoreifen gemeinsam? Sie alle nutzen sogenannte Ewigkeitschemikalien, auch Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (kurz PFAS) genannt. Diese industriell hergestellten Verbindungen aus Fluor sind nicht natürlich abbaubar und reichern sich in der Umwelt an. Die Besorgnis über die von ihnen verursachte toxische Verschmutzung, vor allem im 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, zeitaufwendig und teuer. Es besteht ein dringender Bedarf an einer einfachen, schnellen und kostengünstigen Methode, um Ewigkeitschemikalien in Wasserproben vor Ort zu messen und so Eindämmungs- und Sanierungsmaßnahmen zu unterstützen, insbesondere bei (sehr) geringen Konzentrationen“, erklärt Stuart Harrad.

Harrad ist Professor für Umweltchemie an der Universität Birmingham und arbeitete gemeinsam mit seiner Kollegin Zoe Pikramenou, Professorin für anorganische Chemie und Photophysik, an einer neuen Methode, um PFAS nachzuweisen. Dies gelang ihnen mithilfe eines Sensors, der „leuchtet“.

Mit Gold-Chip gegen Ewigkeitschemikalien

Die Forscher haben zunächst einen Prototyp entwickelt, mit dem die Ewigkeitschemikalie Perfluoroctansäure (PFOA) nachgewiesen werden kann. Hierfür verwenden die Wissenschaftler 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.

Professorin Pikramenou erklärt: „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. 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 220 Mikrogramm PFAS pro Liter Wasser nachweisen. Dies reiche zwar für Industrieabwasser aus, aber nicht für Trinkwasser. Um diesen letzten Schritt zu gehen, müsste der Sensor viel empfindlicher werden, sodass er Ewigkeitschemikalien im Nanogrammbereich nachweisen kann.

Gefahr für Mensch und Natur bannen

Das Team hat bei der Entwicklung des Tests und der nanoskaligen Charakterisierung des Chips mit deutschen Oberflächen- und Sensorwissenschaftlern aus Berlin zusammengearbeitet. Für Dan Hodoroaba, Leiter des Fachbereichs Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), ist die Bedeutung der Chip-Charakterisierung besonders wichtig.

„Fortschrittliche bildgebende Oberflächenanalysen sind für die Entwicklung spezieller chemischer Nanostrukturen auf maßgeschneiderten Sensorchips unerlässlich, um eine optimale Leistung zu gewährleisten“, so Hodoroaba.

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.“

„PFAS werden in der Industrie aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften eingesetzt, beispielsweise als Fleckenschutzmittel für Textilien. Wenn sie jedoch nicht sicher entsorgt werden, stellen diese Chemikalien eine Gefahr für das Leben […] und die Umwelt im Allgemeinen dar. Dieser Prototyp ist ein großer Schritt nach vorn auf dem Weg […], unsere Natur zu schützen und unser Trinkwasser sauber zu halten“, so Zoe Pikramenou abschließend.

Die Studie erschien am 16. Januar 2024 in der Fachzeitschrift „Analytical Chemistry“.

Sensor, Ultraschall oder Verbot?

Bereits im September 2023 haben Forscher der Ohio State University ihre Methode zur Beseitigung der gefährlichen Ewigkeitschemikalien bekannt gegeben. Mittels Ultraschall wurden hier die als nahezu unzerstörbar geltenden PFAS behandelt, indem Moleküle wie Fluortelomersulfonate zerbrochen wurden. Die Überreste sind laut den Experten nicht mehr gefährlich.

Effektiv ist vor allem die hohe Temperatur von mehr als 9.000 Grad Celsius beim Zerplatzen sogenannter Kavitationsblasen, die bei bestimmten niedrigen Ultraschallfrequenzen in den PFAS entstehen.

Vor fast einem Jahrhundert wurden PFAS zur Herstellung von Produkten wie Kochgeschirr, Trinkhalmen, wasserdichter Kleidung und Körperpflegeartikeln erfunden. Da die Bindungen in diesen Chemikalien extrem stabil sind, diskutiert die Europäische Union schon länger über ein mögliches Verbot der Ewigkeitschemikalien.