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

In der modernen Welt ist eine verborgene Klasse synthetischer Chemikalien zu einem beständigen Gast in unserem Wasser, unserem Essen und unseren Körpern geworden. Dies sind die per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen, eine Gruppe von Industrie-Verbindungen, die für ihre extreme Beständigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegen den Abbau bekannt sind. Da die älteren, bekanntesten Mitglieder dieser Familie verboten werden, haben Hersteller neuere Alternativen eingeführt. Zu diesen gehören die Perfluoralkyl-Ether-Carbonsäuren, eine spezifische Gruppe von Molekülen, die Sauerstoffatome innerhalb ihrer Kohlenstoffketten enthalten. Obwohl sie darauf ausgelegt waren, weniger wahrscheinlich in Lebewesen zu akkumulieren, deutet die jüngste Evidenz darauf hin, dass sie ebenso toxisch, wenn nicht sogar toxischer als ihre Vorgänger sein könnten. Die Herausforderung für Wissenschaftler besteht nicht nur darin, dass diese Chemikalien gefährlich sind, sondern auch darin, dass sie unglaublich schwer zu finden sind. Sie existieren in winzigen, fast unsichtbaren Mengen in komplexen Mischungen wie Quellwasser oder menschlichem Blut und sie verstecken sich im Gewebe von Tieren, ohne offensichtliche Spuren zu hinterlassen. Um die öffentliche Gesundheit zu schützen, benötigen Forscher Werkzeuge, die in der Lage sind, diese unsichtbaren Eindringlinge mit extremer Präzision aufzuspüren und dabei nicht nur ihre Anwesenheit, sondern auch genau zu erfassen, wo sie sich in lebenden Organismen verstecken.

Ein Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, um dieses Problem zu lösen, indem es ein spezialisiertes Material erschuf, das sowohl als Magnet als auch als Scheinwerfer fungiert. Sie synthetisierten ein Kern-Schale-Komposit, welches im Wesentlichen aus einem magnetischen Eisenoxidkern besteht, der in eine poröse, fluorreiche Schale gehüllt ist. Dieses Material, das sie Fe3O4@F-COF nennen, wurde entwickelt, um zwei Dinge gleichzeitig zu tun: die Zielchemikalien aus einer unordentlichen Flüssigkeitsprobe herauszugreifen und dann dabei zu helfen, dass ein Laser diese Chemikalien in ein Signal verwandelt, das eine Maschine lesen kann. Die Forscher testeten dieses Material gegen drei spezifische Arten dieser aufkommenden Schadstoffe, bekannt als GenX, ADONA und EEA, die im Trinkwasser gefunden wurden und in die Nahrungskette gelangen. Als sie ihr neues Material zur Analyse von Quellwasser und menschlichem Blutserum verwendeten, erwies es sich als weitaus überlegen gegenüber den derzeit verwendeten Standardwerkzeugen. Traditionelle Methoden kämpfen oft mit Hintergrundrauschen, das die schwachen Signale dieser kleinen Moleküle übertönt, aber dieses neue magnetische Komposit konnte diese Interferenzen durchbrechen und ermöglichte es den Forschern, die Schadstoffe in Konzentrationen von so gering als 0,075 Nanogramm pro Liter in Wasser nachzuweisen.

Die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes geht über das bloße Finden der Chemikalien in einer Flüssigkeit hinaus; sie ermöglicht es Wissenschaftlern zu sehen, wohin diese Moleküle gelangen, sobald sie sich in einem lebenden Körper befinden. In einer Versuchsreihe mit Mäusen setzten die Forscher die Tiere GenX aus und untersuchten deren Nierengewebe. Durch die Anwendung ihres magnetischen Materials auf dünne Nierenschnitte und das Beschießen damit mit einem Laser konnten sie eine detaillierte Karte der Verteilung der Chemikalie erstellen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Schadstoff nicht gleichmäßig verteilte. Stattdessen akkumulierte er sich stark im Nierenbeckenkelch (Renal Sinus) und im Ureter, den Röhren, die den Urin abtransportieren, während er in der äußeren Schicht der Niere spärlich blieb. Dieses Muster deutet darauf hin, dass die Niere weniger wie ein Schwamm fungiert, der alles aufsaugt, sondern eher wie ein Filter, der diese spezifischen Chemikalien gezielt zum Ausgang hin leitet. Die Forscher glauben, dass dies geschieht, weil die Niere nicht über die spezifischen Transporter verfügt, die notwendig wären, um diese Moleküle im äußeren Gewebe festzuhalten, wodurch sie schnell in die zentralen Sammelbereiche fließen.

Um zu verstehen, warum dieses neue Material so gut funktioniert, untersuchte das Team genau, wie es mit Licht und Materie interagiert. Sie fanden heraus, dass die Kombination aus dem magnetischen Kern und der fluorierten Schale eine einzigartige Umgebung schafft, die hilft, elektrische Ladungen beim Auftreffen eines Lasers zu trennen. Dieser Prozess verhindert, dass die Energie verschwendet wird, und konzentriert sie statattdessen darauf, die Zielmoleküle in die Luft zu heben, damit sie detektiert werden können. Darüber hinaus besitzen die Fluoratome auf der Oberfläche des Materials eine natürliche Affinität zu den Fluoratomen in den Schadstoffen, was wie ein spezialisierter Haken wirkt, der nur die Chemikalien von Interesse greift, während er Salz und andere Verunreinigungen, die oft in realen Proben vorkommen, ignoriert. Diese Selektivität bedeutete, dass das Material selbst unter salzigen Bedingungen effektiv arbeiten konnte, die eine Analyse normalerweise ruinieren würden. Die Forscher bestätigten, dass die Methode hochgradig zuverlässig ist, jedes Mal konsistente Ergebnisse liefert und in der Lage ist, die komplexe Chemie von menschlichem Blut ohne Verlust an Genauigkeit zu handhaben.

Diese Arbeit etabliert eine neue, hochsensible Plattform zur Verfolgung dieser gefährlichen Chemikalien sowohl in der Umwelt als auch in biologischen Systemen. Durch die Kombination der Fähigkeit, Schadstoffe aus einer Lösung zu extrahieren, mit der Kraft, deren Standort im Gewebe zu visualisieren, haben die Forscher ein Werkzeug bereitgestellt, das Fragen beantworten kann, die zuvor unerreichbar waren. Die Methode erfordert nicht die umfangreichen und zeitaufwendigen Vorbereitungsschritte, die ältere Techniken verlangen, was es ermöglicht, schnell klare Antworten über die Anwesenheit und den Ort dieser Schadstoffe zu erhalten. Da diese Chemikalien weiterhin in unseren Wasserversorgungen und Lebensmitteln zirkulieren, bietet die Möglichkeit, sie in solch niedrigen Konzentrationen nachzuweisen und ihren Weg durch den Körper zu kartieren, einen entscheidenden Vorteil für die Überwachung der Exposition und das Verständnis der Risiken, die sie für die menschliche Gesundheit darstellen. Der Erfolg dieses magnetischen, fluorbeschichteten Materials deutet darauf hin, dass es zu einem Standardwerkzeug für die Gewährleistung der Sicherheit unserer Lebensmittel und unseres Wassers in einer zunehmend komplexen chemischen Welt werden könnte.