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

In de moderne wereld is een verborgen klasse van synthetische chemicaliën een persistente gast geworden in ons water, ons voedsel en onze lichamen. Dit zijn de per- en polyfluoralkylsubstances, een groep industriële verbindingen die bekend staan om hun extreme duurzaamheid en weerstand tegen afbraak. Omdat de oudere, meest bekende leden van deze familie worden verboden, hebben fabrikanten nieuwe alternatieven geïntroduceerd. Hieronder behoren de perfluoroalkyl ethercarboxylzuren, een specifieke groep moleculen die zuurstofatomen binnen hun koolstofketens bevatten. Hoewel ze werden ontworopt om minder waarschijnlijk een ophoping te vormen in levende wezens, suggereert recent bewijs dat ze net zo giftig kunnen zijn, zo niet zelfs giftiger, dan hun voorgangers. De uitdaging voor wetenschappers is niet alleen dat deze chemicaliën gevaarlijk zijn, maar ook dat ze ongelooflijk moeilijk te vinden zijn. Ze bestaan in minuscule, bijna onzichtbare hoeveelheden binnen complexe mengsels zoals bronwater of menselijk bloed, en ze verschuilen zich in het weefsel van dieren zonder duidelijke sporen achter te laten. Om de volksgezondheid te beschermen, hebben onderzoekers instrumenten nodig die deze onzichtbare indringers met extreme precisie kunnen opsporen, waarbij niet alleen hun aanwezigheid wordt vastgelegd, maar ook precies waar ze zich binnen levende organismen verbergen.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe methode ontwikkeld om dit probleem op te lossen door een gespecialiseerd materiaal te creëren dat fungeert als zowel een magneet als een spotlight. Ze hebben een kern-schil-composiet gesynthetiseerd, wat in essentie een magnetische ijzeroxidekern is die is omhuld door een poreuze, fluorrijke schil. Dit materiaal, dat ze Fe3O4@F-COF noemen, werd ontworpen om twee dingen tegelijkertijd te doen: de doelchemicaliën uit een rommelig vloeibaar monster grijpen en vervolgens een laser helpen om die chemicaliën te veranderen in een signaal dat een machine kan lezen. De onderzoekers testten dit materiaal tegen drie specifieke typen van deze opkomende verontreinigingen, bekend als GenX, ADONA en EEA, die in drinkwater zijn aangetroffen en de voedselketen binnendringen. Wanneer ze hun nieuwe materiaal gebruikten om bronwater en menselijk bloedserum te analyseren, bleek het veel superieur aan de standaardinstrumenten die momenteel in gebruik zijn. Traditionele methoden hebben vaak moeite met achtergrondruis die de zwakke signalen van deze kleine moleculen overstemt, maar dit nieuwe magnetische composiet sneed door die interferentie heen, waardoor de onderzoekers de verontreinigingen konden detecteren op niveaus zo laag als 0,075 nanogram per liter in water.

De kracht van deze aanpak reikt verder dan alleen het vinden van de chemicaliën in een vloeistof; het stelt wetenschappers in staat om te zien waar deze moleculen naartoe gaan zodra ze zich in een levend lichaam bevinden. In een reeks experimenten met muizen stelden de onderzoekers de dieren bloot aan GenX en onderzochten vervolgens het nierweefsel. Door hun magnetische materiaal toe te passen op dunne plakjes van de nier en er een laser op af te vuren, waren ze in staat om een gedetailleerde kaart te maken van de distributie van de chemische stof. De resultaten toonden aan dat de verontreiniging zich niet gelijkmatig verspreidde. In plaats daarvan accumuleerde het zwaar in de sinus renalis en de ureter, de buizen die de urine afvoeren, terwijl het schaars bleef in de buitenste laag van de nier. Dit patroon suggereert dat de nier minder werkt als een spons die alles opzuigt en meer als een filter die deze specifieke chemicaliën naar de uitgang leidt. De onderzoekers geloven dat dit gebeurt omdat de nier niet beschikt over de specifieke transporteurs die nodig zijn om deze moleculen vast te houden in het buitenste weefsel, waardoor ze snel naar de centrale verzamelgebieden stromen.

Om te begrijpen waarom dit nieuwe materiaal zo goed werkt, keken de onderzoekers nauwgezet naar hoe het interacteert met licht en materie. Ze ontdekten dat de combinatie van de magnetische kern en de gefluoreerde schil een unieke omgeving creëert die helpt bij het scheiden van elektrische ladingen wanneer deze door een laser worden geraakt. Dit proces voorkomt dat de energie verloren gaat en concentreert deze in plaats daarvan op het optillen van de doelmoleculen in de lucht, zodat ze gedetecteerd kunnen worden. Bovendien hebben de fluoratomen op het oppervlak van het materiaal een natuurlijke affiniteit met de fluoratomen in de verontreinigingen, wat werkt als een gespecialiseerde haak die alleen de chemicaliën van belang grijpt, terwijl de zouten en andere onzuiverheden die vaak in echte monsters worden gevonden, worden genegeerd. Deze selectiviteit betekende dat het materiaal effectief kon werken, zelfs in zoute omstandigheden die normaal gesproken een analyse zouden verpesten. De onderzoekers bevestigden dat de methode zeer betrouwbaar is, telkens weer consistente resultaten produceert en in staat is om de complexe chemie van menselijk bloed te hanteren zonder aan nauwkeurigheid in te boeten.

Dit werk vestigt een nieuw, uiterst gevoelig platform voor het volgen van deze gevaarlijke chemicaliën in zowel het milieu als in biologische systemen. Door de mogelijkheid te combineren om verontreinigingen uit een oplossing te trekken met de kracht om hun locatie in weefsel te visualiseren, hebben de onderzoekers een hulpmiddel geboden dat vragen kan beantwoorden die voorheen buiten bereik lagen. De methode vereist niet de uitgebreide en tijdrovende voorbereidingsstappen die oudere technieken eisen, waardoor het mogelijk is om snel heldere antwoorden te krijgen over de aanwezigheid en locatie van deze verontreinigingen. Terwijl deze chemicaliën blijven circuleren in onze watervoorraden en ons voedsel, biedt een manier om ze op zulke lage niveaus te detecteren en hun reis door het lichaam in kaart te brengen een cruciaal voordeel voor het monitoren van blootstelling en het begrijpen van de risico's die ze vormen voor de menselijke gezondheid. Het succes van dit magnetische, fluor-gecoate materiaal suggereert dat het een standaardinstrument kan worden voor het waarborgen van de veiligheid van ons voedsel en water in een steeds complexere chemische wereld.