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

Nel mondo moderno, una classe nascosta di sostanze chimiche sintetiche è diventata un ospite persistente nella nostra acqua, nel nostro cibo e nei nostri corpi. Si tratta delle sostanze per- e polifluoroalchiliche, un gruppo di composti industriali noti per la loro estrema durabilità e resistenza alla degradazione. Poiché i membri più vecchi e famosi di questa famiglia vengono messi al bando, i produttori hanno introdotto nuovi sostituti. Tra questi ci sono gli acidi perfluoroalchilici eterici carbossilici, un gruppo specifico di molecole che contengono atomi di ossigeno all'interno delle loro catene di carbonio. Sebbene siano stati progettati per avere una minore probabilità di accumularsi negli organismi viventi, prove recenti suggeriscono che possano essere altrettanto tossici, se non di più, rispetto ai loro predecessori. La sfida per gli scienziati non è solo che queste sostanze chimiche siano pericolose, ma che siano incredibilmente difficili da trovare. Esistono in quantità minuscole, quasi invisibili, all'interno di miscele complesse come l'acqua di sorgente o il sangue umano, e si nascondono nei tessuti degli animali senza lasciare tracce evidenti. Per proteggere la salute pubblica, i ricercatori hanno bisogno di strumenti che possano individuare questi intrusi invisibili con estrema precisione, catturando non solo la loro presenza ma anche esattamente dove si nascondono all'interno degli organismi viventi.

Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo metodo per risolvere questo problema, creando un materiale specializzato che funge sia da magnete che da riflettore. Hanno sintetizzato un composito core-shell, che è essenzialmente un nucleo magnetico di ossido di ferro avvolto in un guscio poroso e ricco di fluoro. Questo materiale, che chiamano Fe3O4@F-COF, è stato progettato per fare due cose simultaneamente: catturare le sostanze chimiche bersaglio da un campione liquido disordinato e poi aiutare un laser a trasformare quelle sostanze in un segnale che una macchina possa leggere. I ricercatori hanno testato questo materiale contro tre tipi specifici di questi contaminanti emergenti, noti come GenX, ADONA ed EEA, che sono stati trovati nell'acqua potabile ed entrano nella catena alimentare. Quando hanno utilizzato il loro nuovo materiale per analizzare l'acqua di sorgente e il siero del sangue umano, esso si è dimostrato molto superiore agli strumenti standard attualmente in uso. I metodi tradizionali spesso faticano con il rumore di fondo che annega i deboli segnali di queste piccole molecole, ma questo nuovo composito magnetico ha tagliato quell'interferenza, permettendo ai ricercatori di rilevare i contaminanti a livelli così bassi come 0,075 nanogrammi per litro nell'acqua.

Il potere di questo approccio va oltre il semplice trovare le sostanze chimiche in un liquido; permette agli scienziati di vedere dove vanno queste molecole una volta che sono all'interno di un corpo vivente. In una serie di esperimenti condotti su topi, i ricercatori hanno esposto gli animali al GenX e hanno poi esaminato il tessuto renale. Applicando il loro materiale magnetico a sottili fette del rene e sparando un laser su di esso, sono stati in grado di creare una mappa dettagliata della distribuzione della sostanza chimica. I risultati hanno rivelato che il contaminante non si diffonde uniformemente. Invece, si accumula pesantemente nel seno renale e nell'uretere, i tubi che trasportano l'urina lontano, mentre rimane scarso nello strato esterno del rene. Questo schema suggerisce che il rene agisca meno come una spugna che assorbe tutto e più come un filtro che guida queste specifiche sostanze chimiche verso l'uscita. I ricercatori ritengono che ciò accada perché il rene manca dei trasportatori specifici necessari per trattenere queste molecole nel tessuto esterno, permettendo loro di fluire rapidamente verso le aree di raccolta centrali.

Per capire perché questo nuovo materiale funzioni così bene, il team ha esaminato da vicino come interagisce con la luce e la materia. Hanno scoperto che la combinazione del nucleo magnetico e del guscio fluorurato crea un ambiente unico che aiuta a separare le cariche elettriche quando colpito da un laser. Questo processo impedisce all'energia di essere sprecata e la concentra invece nel sollevare le molecole bersaglio nell'aria in modo che possano essere rilevate. Inoltre, gli atomi di fluoro sulla superficie del materiale hanno un'affinità naturale per gli atomi di fluoro dei contaminanti, agendo come un gancio specializzato che afferra solo le sostanze chimiche di interesse ignorando il sale e altre impurità spesso presenti nei campioni del mondo reale. Questa selettività ha permesso al materiale di lavorare efficacementmente anche in condizioni saline che normalmente rovinerebbero un'analisi. I ricercatori hanno confermato che il metodo è altamente affidabile, producendo risultati coerenti ogni volta che viene utilizzato, ed è capace di gestire la chimica complessa del sangue umano senza perdere accuratezza.

Questo lavoro stabilisce una nuova piattaforma altamente sensibile per tracciare queste sostanze chimiche pericolose sia nell'ambiente che nei sistemi biologici. Combinando la capacità di estrarre i contaminanti da una soluzione con il potere di visualizzare la loro posizione nei tessuti, i ricercatori hanno fornito uno strumento che può rispondere a domande che prima erano fuori portata. Il metodo non richiede le estese e lunghe fasi di preparazione richieste dalle tecniche più vecchie, rendendo possibile ottenere risposte chiare sulla presenza e sulla posizione di questi inquinanti rapidamente. Mentre queste sostanze continuano a circolare nelle nostre riserve idriche e nel nostro cibo, avere un modo per rilevarle a livelli così bassi e mappare il loro viaggio attraverso il corpo offre un vantaggio critico per monitorare l'esposizione e comprendere i rischi che pongono per la salute umana. Il successo di questo materiale magnetico rivestito di fluoro suggerisce che potrebbe diventare uno strumento standard per garantire la sicurezza del nostro cibo e della nostra acqua in un mondo chimico sempre più complesso.