ユタ大学の研究者たちが、環境問題の緊急性に応える新しい材料を開発しました。この材料はペルフルオロオクタン酸（PFOA）、つまり有害で持続性のあるPFAS「永遠の化学物質」ファミリーの一員を、汚染された水から効率的に除去し、リアルタイムで検出することが可能です。
工業界からの資金提供を受けた研究は、マテリアルズケミストリーCジャーナルに発表されました。工学部の材料科学工学科のLing Zang教授とその研究チームは、UiO-66-N(CH₃)₃⁺と呼ばれる二機能の金属有機フレームワーク（MOF）を紹介しました。このジルコニウムベースの材料は、熱的および化学的安定性で知られています。
この新しいMOFは、PFOAの吸着および蛍光に基づく検出において優れた能力を示します。材料は、汚染物質に結合すると文字通り光り輝き、問題の規模や浄化の速度と効率を定量化しやすくします。MOFは、繰り返しの吸着と脱着サイクルを通じて優れた再利用性を示しました。各吸着後、単純な洗浄によって材料は容易に再生可能です。
「このMOFはPFAS浄化における大きな前進を代表しています」と、研究の主筆でありZang研究グループのポスドク研究員であるRana Dalapatiは述べています。「PFOAを選択的に捕らえ、リアルタイムで敏感に検出できる能力は、水処理や環境モニタリングのための多用途で実用的な解決策を提供します。」
この研究は、ZangラボがPFASの存在下で蛍光を発する多孔性材料を作成した過去の研究を基盤としています。
PFOAはフルオロ成分の一部であり、水や汚れに強い特性を持つ合成化学物質です。非粘着性の調理器具や消火泡などの製品で広く使用されるこの物質は、環境中で分解されず、地下水に浸出して公衆の健康問題を引き起こしています。
PFOAや他のPFAS汚染の検出と緩和は、多くの環境品質機関にとって優先事項となっており、Zangのブレークスルーはそれに寄与する可能性があります。
UiO-66-N(CH₃)₃⁺は、PFOAがMOFの分子のかごの中に捕らえられたときに蛍光タグがオンになります。
Zangのチームは、UiO-66-NH₂として知られる別の広く研究されている金属有機フレームワークを改変してMOFを構築しました。この材料は高い多孔性と水処理用途での可能性が認められています。しかし、PFOAを除去する際、UiO-66-NH₂の吸着能力は弱い結合相互作用によって制限されます。この制限を克服するため、研究者たちはPFOAとの電気的相互作用を強化する四級アンモニウム基を導入しました。これにより、親UaO-66-NH₂フレームワークと比較して、吸着能力は3.4倍に向上しました。これらのカチオン基は、MOFの金属結合部位と相乗的に作用し、汚染物質の捕捉において高い選択性と効率を達成します。
このアプローチの成功は、MOF設計における後合成修飾の力を示しており、特定の環境汚染物質に対するパフォーマンスを調整された次世代の多機能材料の開発への道を開いています。
主な技術革新として、UiO-66-N(CH₃)₃⁺は、Langmuir等温線モデルにより1178 mg/gというPFOA最大吸着能力を達成し、従来の吸着剤や未修飾のMOFを大きく上回ります。これにより、PFOAの取り込みにおける新しいベンチマークが設定されます。
また、このMOFは、非常に多孔で相互接続された構造によって、50 ppbの水溶液からほぼ100％のPFOAを5分以内に除去します。このような迅速な処理は現実の実用のために重要です。
PFOAに対する強い選択性や塩への耐性を示し、他のPFAS化合物や塩、有機物の存在下でも信頼性のあるパフォーマンスを保証します。さらに、材料は5回の再生サイクル後でも93％以上の吸着能力を維持しており、コスト効果が高く環境的にも持続可能です。
UiO-66-N(CH₃)₃⁺は、指標置換アッセイ（IDA）を用いてPFOA用の高度な感度を持つ「ターンオン」蛍光センサーとしても機能します。これにより、PFOA濃度のリアルタイムでの現地定量化が可能となり、従来のラボベースの技術への迅速でユーザーフレンドリーな代替手段を提供します。
この研究は、「水からのペルフルオロオクタン酸（PFOA）の効率的除去と蛍光検出のための二機能金属有機フレームワーク」というタイトルで、2023年7月15日にJournal of Materials Chemistry Cに発表されました。研究は、Zangが理事を務めるミシガン州の技術企業Gentex Corporationが資金提供しました。
画像の出所：attheu