徘徊在我們的水、血液和環(huán)境中，是出了名的難以檢測(cè)的“永遠(yuǎn)的化學(xué)物質(zhì)” ，其中一些對(duì)人類(lèi)有毒。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（UChicago PME）和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的研究人員合作開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)水中微量全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的新方法。他們計(jì)劃通過(guò)便攜式手持設(shè)備分享這種方法，該方法使用獨(dú)特的探針來(lái)量化PFAS“永久性化學(xué)物質(zhì)”的水平。

UChicago PME皇冠家族教授、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席水策略師Junhong Chen表示：“測(cè)量這些污染物水平的現(xiàn)有方法可能需要數(shù)周時(shí)間，需要最先進(jìn)的設(shè)備和專(zhuān)業(yè)知識(shí)?！薄拔覀兊男?a target="_blank">傳感器設(shè)備可以在幾分鐘內(nèi)測(cè)量這些污染物。”

這項(xiàng)發(fā)表在《自然水》雜志上的技術(shù)可以檢測(cè)到每千萬(wàn)億分之250（ppq）的PFAS，就像在奧運(yùn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)游泳池中找到一粒沙子。這使得該測(cè)試在監(jiān)測(cè)飲用水中兩種毒性最大的全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）方面具有實(shí)用性，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）最近提議將其限制在萬(wàn)億分之四。

芝加哥大學(xué)PME分子工程教授Andrew Ferguson說(shuō)：“檢測(cè)和消除PFAS是一項(xiàng)緊迫的環(huán)境和公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)?！薄坝?jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)已被證明是一種非常強(qiáng)大的工具，可以理解這些分子如何與分子傳感器結(jié)合，并可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作，以設(shè)計(jì)出更靈敏、更具選擇性的分子探針?！?br />

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的高級(jí)科學(xué)家 Seth Darling說(shuō)：“盡管PFAS通常以極低的濃度存在，但它們確實(shí)具有某些分子特征，使其與溶解在水中的其他物質(zhì)不同，我們的探測(cè)器旨在識(shí)別這些特征?！?br />

檢測(cè)挑戰(zhàn)

PFAS是一種耐油防水化學(xué)品，用于各種消費(fèi)品和工業(yè)產(chǎn)品：包括不粘鍋、快餐包裝、消防泡沫、雨衣和防污地毯。它們通常被稱(chēng)為“永久性化學(xué)物質(zhì)”，具有令人難以置信的持久性，不會(huì)自然降解，而是隨著時(shí)間的推移在環(huán)境和人體內(nèi)積累。

近年來(lái)，研究將PFAS與健康問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，包括癌癥、甲狀腺問(wèn)題和免疫系統(tǒng)減弱。鑒于其中一些發(fā)現(xiàn)，美國(guó)環(huán)保署提出了全氟辛烷磺酸和全氟辛酸的新限值。

“執(zhí)行這些限制的問(wèn)題是，檢測(cè)PFAS非常具有挑戰(zhàn)性和耗時(shí)，”Chen說(shuō)?！澳壳?，你不能只采集水樣并在家里進(jìn)行測(cè)試。”

傳統(tǒng)測(cè)量PFAS水平的金標(biāo)準(zhǔn)是一種昂貴的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，稱(chēng)為液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜法，它可以分離化合物并提供每種化合物的信息。

試圖進(jìn)行更快、更便宜的PFAS測(cè)試的研究人員面臨著一些挑戰(zhàn)：首先，PFAS化學(xué)物質(zhì)在水中的濃度通常比其他幾十種更常見(jiàn)的污染物低得多。此外，有數(shù)千種不同的PFAS化學(xué)物質(zhì)，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)之間只有微小的變化，但它們的健康影響和限制法規(guī)存在重要差異。

但在過(guò)去的十五年里，Chen的團(tuán)隊(duì)一直在開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)芯片上的高靈敏度便攜式傳感器。已經(jīng)在自來(lái)水鉛傳感器中使用了這項(xiàng)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室小組懷疑同樣的方法也可以用于PFAS傳感。他們提出的將該技術(shù)應(yīng)用于PFAS的建議成為了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)五大湖水創(chuàng)新引擎的一部分。

由AI設(shè)計(jì)

傳感器的要點(diǎn)是，如果PFAS分子附著在設(shè)備上，它就會(huì)改變流經(jīng)硅芯片表面的電導(dǎo)率。但他和他的同事們必須弄清楚如何使每個(gè)傳感器對(duì)一種PFAS化學(xué)物質(zhì)（如PFOS）具有高度特異性。

為此，Chen、Ferguson、Darling和團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)器學(xué)習(xí)，以幫助選擇可以放置在傳感設(shè)備上的獨(dú)特探針，并理想地只結(jié)合感興趣的PFAS。2021年，他們獲得了芝加哥大學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心（CDAC）的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)，以支持他們?cè)谠O(shè)計(jì)PFAS探測(cè)器時(shí)使用人工智能。

“在這種情況下，機(jī)器學(xué)習(xí)是一種工具，可以快速篩選無(wú)數(shù)化學(xué)探針，并預(yù)測(cè)哪些探針是與每個(gè)PFAS結(jié)合的最佳候選者，”Chen說(shuō)。

在這篇新論文中，研究小組表明，其中一種計(jì)算預(yù)測(cè)的探針確實(shí)選擇性地結(jié)合了全氟辛烷磺酸，即使自來(lái)水中常見(jiàn)的其他化學(xué)物質(zhì)含量要高得多。當(dāng)含有全氟辛烷磺酸的水流過(guò)他們的設(shè)備時(shí)，這種化學(xué)物質(zhì)會(huì)與新的探針結(jié)合，從而改變芯片的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率的變化程度取決于全氟辛烷磺酸的含量。

為了確保新設(shè)備的讀數(shù)正確，該團(tuán)隊(duì)與美國(guó)環(huán)保署合作，使用美國(guó)環(huán)保署批準(zhǔn)的液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜法來(lái)確認(rèn)濃度，并驗(yàn)證其水平與新設(shè)備檢測(cè)到的水平一致。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步表明，即使在多次檢測(cè)和沖洗后，傳感器也能保持其準(zhǔn)確性，這表明了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的潛力。

Chen說(shuō)：“我們的下一步是預(yù)測(cè)和合成其他不同PFAS化學(xué)物質(zhì)的新探針，并展示如何擴(kuò)大規(guī)模?！薄皬哪抢铮覀兛梢杂猛瑯拥姆椒ǜ兄狡渌S多可能性——從飲用水中的化學(xué)物質(zhì)到廢水中的抗生素和病毒。”

最終的結(jié)果可能是，消費(fèi)者可以測(cè)試自己的水，并對(duì)他們的環(huán)境和消費(fèi)做出更好的選擇。

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