Новий фосфоресцентний зонд розкриває мікроструктуру льоду
Нове дослідження з використанням фосфоресцентної спектроскопії показує, як дрібні органічні речовини, такі як етиленгліколь, порушують кристалічну структуру водяного льоду, пропонуючи зрозуміти фізичні та хімічні властивості льоду.
Вважається, що лід зіграв вирішальну роль у виникненні життя. Однією з причин є те, що органічні молекули можуть бути включені в проміжки між кристалічною решіткою за допомогою впорядковано розташованих молекул води, що призводить до концентрації органічних сполук. Однак сучасні методи дослідження органічних молекул у льоду, такі як спектроскопія комбінаційного розсіювання та інфрачервона спектроскопія, в основному обмежуються методами спектроскопії на основі поглинання, що обмежує чутливість вимірювань.
Дослідницька група під керівництвом професора Guoqing Zhang, професора Shiyong Liu, професора Xiaoguo Zhou та дослідника Xuepeng Zhang з Науково-технічного університету Китаю (USTC) розробила метод виявлення мікроструктур води та льоду з використанням органічних фосфоресцентних зондів і фосфоресценції. спектроскопія. Їхні роботи були опубліковані в Angewandte Chemie .
Новий метод аналізу органічних молекул льоду
Команда запропонувала метод, заснований на викидах, для вивчення органічних молекул у водяному льоду. Вони використовували стан гідратації фосфоресцентного зонда, йодиду акридинію (ADI), щоб вказати на мікроструктурні зміни водяного льоду (тобто, кристалічний чи склоподібний). Мікроструктура водяного льоду може бути значною мірою продиктована слідовою кількістю водорозчинних органічних молекул. Зокрема, якщо водяний лід залишається аморфним при низьких температурах, катіон AD+ і аніон I – зонда ADI будуть розділені зв’язаними молекулами води, демонструючи тривалу фосфоресценцію та видиме зеленувато-жовте післясвітіння. У той час як у впорядкованому кристалічному льоду молекули зонда ADI агрегують, викликаючи короткочасну червону фосфоресценцію через ефект важких атомів йоду.
Спектральний аналіз покращує розуміння мікроструктур льоду
Спектри випромінювання виявили чіткі спектроскопічні зміни у водному розчині ADI при додаванні малих молекул етиленгліколю (EG) і монодисперсних полімерів EG (PDI=1). Додавання слідових кількостей EG (0,1%) призводить до появи смуги флуоресценції близько 480 нм, що супроводжується більш інтенсивною смугою фосфоресценції з добре розділеними вібронними прогресіями при 555, 598 і 648 нм. Спектральні результати показали, що додавання EG призвело до трансформації молекул ADI у водяному льоду з нерозчинених агрегатів у стани розчинених іонів.
Перевірка результатів фосфоресценції за допомогою передових методів візуалізації
Щоб підтвердити висновки фосфоресцентної спектроскопії, зображення за допомогою низькотемпературної скануючої електронної мікроскопії (Cryo-SEM) показали, що додавання слідів EG у водяний лід, що містить ADI, призвело до локальних ділянок з пористою мікроструктурою. Тим часом спектри комбінаційного розсіювання при низькій температурі (LT-Raman) підтвердили, що додавання слідів EG було достатнім, щоб спричинити зсув коливань OH водяного льоду з низькочастотного кристалічного стану до високочастотного склоподібного стану.
Наслідки для досліджень взаємодії вода-лід-органіка
Це дослідження виявило, що додавання слідових кількостей малих або великих молекулярних органічних речовин до води може значно пригнічувати кристалічний порядок водяного льоду за допомогою більш зручної та чутливої фосфоресцентної спектроскопії. Крім того, фосфоресцентна спектроскопія також може виявити морфологічні відмінності в мікроструктурах водяного льоду, коли сліди органіки з різною структурою та однаковою концентрацією додаються у воду, що узгоджується з Раманівською спектроскопією та скануючою електронною мікроскопією, забезпечуючи новий технічний засіб для вивчення водяного льоду. -взаємодії органічних речовин при нижчій концентрації та ширшому діапазоні температур.
