Fluorinated magnetic covalent organic framework-enhanced laser desorption/ionization mass spectrometry and imaging for determination of perfluoroalkyl ether carboxylic acids

في عالمنا المعاصر، أصبح هناك فئة خفية من المواد الكيميائية الاصطناعية ضيفاً مستمراً في مياهنا، وغذائنا، وأجسادنا. هذه هي المواد من فئة "بير- وكريلو- الفلوروألكيل" (PFAS)، وهي مجموعة من المركبات الصناعية المعروفة بمتانتها الشديدة ومقاومتها للتحلل. ولأن الأعضاء الأقدم والأكثر شهرة في هذه العائلة يتم حظرها، فقد قدم المصنعون بدائل جديدة. ومن بين هذه البدائل "أحماض بيرفلوروألكيل إيثر الكربوكسيل"، وهي مجموعة محددة من الجزيئات التي تحتوي على ذرات أكسجين داخل سلاسل الكربون الخاصة بها. وبينما صُممت هذه المواد لتكون أقل عرضة للتراكم في الكائنات الحية، تشير الأدلة الحديثة إلى أنها قد تكون بنفس خطورة أسلافها، إن لم تكن أكثر خطورة. ولا يكمن التحدي الذي يواجه العلماء في كون هذه المواد الكيميائية خطيرة فحسب، بل في صعوبة العثور عليها بشكل لا يصدق؛ فهي توجد بكميات ضئيلة، تكاد تكون غير مرئية، ضمن مخاليط معقدة مثل مياه الينابيع أو دم الإنسان، وتختبئ في أنسجة الحيوانات دون ترك آثار واضحة. ولحماية الصحة العامة، يحتاج الباحثون إلى أدوات يمكنها رصد هؤلاء المتسللين غير المرئيين بدقة متناهية، لا تلتقط وجودهم فحسب، بل تحدد أيضاً بدقة أين يختبئون داخل الكائنات الحية.

لقد طور فريق من الباحثين طريقة جديدة لحل هذه المشكلة عبر ابتكار مادة متخصصة تعمل كالمغناطيس وككشاف الضوء في آن واحد. فقد قاموا بتخليق مركب "نواة-قشرة" (core-shell composite)، وهو في الأساس نواة من أكسيد الحديد المغناطيسي مغلفة بقشرة مسامية غنية بالفلور. وقد صُممت هذه المادة، التي أطلقوا عليها اسم Fe3O4@F-COF، للقيام بمهمتين في وقت واحد: الإمساك بالمواد الكيميائية المستهدفة من عينة سائلة فوضوية، ثم المساعدة في تحويل تلك المواد عبر الليزر إلى إشارة يمكن للآلة قراءتها. اختبر الباحثون هذه المادة ضد ثلاثة أنواع محددة من هذه الملوثات الناشئة، المعروفة باسم GenX وADONA وEEA، والتي وُجدت في مياه الشرب وتدخل في السلسلة الغذائية. وعند استخدام مادتهم الجديدة لتحليل مياه الينابيع ومصل دم بشري، أثبتت تفوقاً كبيراً على الأدوات القياسية المستخدمة حالياً. فبينما تعاني الطرق التقليدية غالباً من "الضجيج الخلفي" الذي يطمس الإشارات الخافتة لهذه الجزيئات الصغيرة، استطاع هذا المركب المغناطيسي اختراق ذلك التداخل، مما سمح للباحثين برصد الملوثات بمستويات منخفضة تصل إلى 0.075 نانوغرام لكل لتر في الماء.

إن قوة هذا النهج تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد العثور على المواد الككيماوية في سائل ما؛ فهي تتيح للعلماء رؤية أين تذهب هذه الجزيئات بمجرد دخولها إلى جسم حي. وفي سلسلة من التجارب التي أجريت على الفئران، عرض الباحثون الحيوانات لمادة GenX ثم فحصوا أنسجة الكلى لديها. ومن خلال تطبيق مادتهم المغناطيسية على شرائح رقيقة من الكلية وتسليط الليزر عليها، تمكنوا من إنشاء خريطة تفصيلية لتوزيع المادة الكيميائية. وكشفت النتائج أن الملوث لم ينتشر بشكل متساوٍ، بل تراكم بكثافة في الجيب الكلوي والحالب (الأنابيب التي تنقل البول بعيداً)، بينما ظل نادراً في الطبقة الخارجية للكلية. يشير هذا النمط إلى أن الكلية تعمل كمرشح يوجه هذه المواد الكيميائية المحددة نحو المخرج، بدلاً من كونها إسفنجة تمتص كل شيء. ويعتقد الباحثون أن هذا يحدث لأن الكلى تفتقر إلى الناقلات النوعية اللازمة للاحتفاظ بهذه الجزيئات في الأنسجة الخارجية، مما يسمح لها بالتدفق بسرعة نحو مناطق التجميع المركزية.

ولفهم سبب نجاح هذه المادة الجديدة بهذا الشكل، نظر الفريق عن كثب في كيفية تفاعلها مع الضوء والمادة. ووجدوا أن الجمع بين النواة المغناطيسية والقشرة المفلورة يخلق بيئة فريدة تساعد على فصل الشحنات الكهربائية عند تعرضها لليزر. هذه العملية تمنع هدر الطاقة وتوجهها بدلاً من ذلك نحو رفع الجزيئات المستهدفة في الهواء حتى يمكن رصدها. علاوة على ذلك، فإن ذرات الفلور الموجودة على سطح المادة لديها ألفة طبيعية تجاه ذرات الفلور الموجودة في الملوثات، مما يجعلها تعمل مثل "خطاف متخصص" يمسك فقط بالمواد الكيميائية المعنية مع تجاهل الأملاح والشوائب الأخرى الموجودة عادة في العينات الواقعية. هذه الانتقائية تعني أن المادة يمكن أن تعمل بفعالية حتى في الظروف المالحة التي قد تفسد التحليل عادةً. وقد أكد الباحثون أن الطريقة موثوقة للغاية، حيث تعطي نتائج متسقة في كل مرة تُستخدم فيها، وقادرة على التعامل مع الكيمياء المعقدة لدم الإنسان دون فقدان الدقة.

يؤسس هذا العمل لمنصة جديدة وعالية الحساسية لتتبع هذه المواد الكيميائية الخطيرة في كل من البيئة والأنظمة البيولوجية. ومن خلال الجمع بين القدرة على استخراج الملوثات من المحلول وقوة تصور موقعها في الأنسجة، وفر الباحثون أداة يمكنها الإجابة على أسئلة كانت بعيدة المنال سابقاً. ولا تتطلب هذه الطريقة خطوات تحضيرية مكثفة ومستهلكة للوقت كما في التقنيات القديمة، مما يجعل من الممكن الحصول على إجابات واضحة حول وجود هذه الملوثات ومواقعها بسرعة. ومع استمرار دوران هذه المواد الكيميائية في إمدادات المياه والغذاء لدينا، فإن امتلاك وسيلة للكشف عنها عند هذه المستويات المنخفضة ورسم مسار رحلتها عبر الجسم يوفر ميزة حاسمة لمراقبة التعرض وفهم المخاطر التي تشكلها على صحة الإنسان. ويشير نجاح هذه المادة المغناطيسية المطلية بالفلور إلى أنها قد تصبح أداة قياسية لضمان سلامة غذائنا ومياهنا في عالم كيميائي يزداد تعقيداً.