מחקר חדש המשתמש בספקטרוסקופיה זרחנית מראה כיצד חומרים אורגניים קטנים כמו אתילן גליקול משבשים את המבנה הגבישי של קרח המים, ומציעים תובנות לגבי התכונות הפיזיקליות והכימיות של הקרח. קרדיט: הצוות של פרופ' גואוקינג ז'אנג
מחקר חדש המשתמש בספקטרוסקופיה זרחנית מראה כיצד חומרים אורגניים קטנים כמו אתילן גליקול משבשים את המבנה הגבישי של קרח המים, ומציעים תובנות לגבי התכונות הפיזיקליות והכימיות של הקרח.
מאמינים כי קרח מילא תפקיד מכריע בהופעת החיים. אחת הסיבות היא שניתן לשלב מולקולות אורגניות במרווחים בין סריג הגביש על ידי מולקולות מים מסודרות, מה שמוביל לריכוז תרכובות אורגניות. עם זאת, השיטות הנוכחיות לחקר מולקולות אורגניות בקרח, כגון ראמאן וספקטרוסקופיה אינפרא אדום, מוגבלות בעיקר לטכניקות ספקטרוסקופיות מבוססות ספיגה, המגבילות את רגישות המדידה.
צוות מחקר בראשות פרופ' גואוקינג ז'אנג, פרופ' שיונג ליו, פרופ' שיאוגואו ג'ו והחוקר שואפנג ג'אנג מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין (USTC) פיתח שיטת זיהוי של מיקרו מבני מים-קרח תוך שימוש בבדיקות זרחניות אורגניות וזרחני. ספקטרוסקופיה. עבודותיהם פורסמו ב Angewandte Chemie.
שיטה חדשה לניתוח מולקולות אורגניות של קרח
הצוות הציע שיטה מבוססת פליטות לחקר מולקולות אורגניות בקרח מים. הם השתמשו במצב הידרציה של בדיקה זרחנית, אקרידיניום יודיד (ADI), כדי להצביע על השינויים המיקרו-מבניים של קרח מים (כלומר, גבישי לעומת זגוגי). המיקרו-מבנים של קרח המים יכולים להיות מוכתבים באופן משמעותי על ידי כמות קורט של מולקולות אורגניות מסיסות במים. באופן ספציפי, אם קרח מים שומר על אמורפי בטמפרטורות נמוכות, ה- AD+ קטיון ואני– האניון של בדיקת ADI יופרד על ידי מולקולות מים קשורות, המציגות זרחנות ארוכת חיים וזוהר צהוב-ירקרק גלוי. בעוד בקרח גבישי מסודר, מולקולות בדיקה של ADI מתקבצות, מה שגורם לזרחן אדום קצר מועד דרך הכבד אָטוֹם השפעה של יוד.
ספקטרוסקופיה של ראמאן ותמונות cryoSEM של המערכת המימית של ADI. קרדיט: הצוות של פרופ' גואוקינג ז'אנג
ניתוח ספקטרלי משפר את ההבנה של מבני קרח
ספקטרום הפליטה חשף שינויים ספקטרוסקופיים מובהקים בתמיסה מימית של ADI בתוספת של מולקולות קטנות של אתילן גליקול (EG) ופולימרים EG חד-מפזרים (PDI=1). הוספה של כמויות עקבות של EG (0.1%) מובילה להופעת רצועת הקרינה בסביבות 480 ננומטר, מלווה ברצועת זרחן אינטנסיבית יותר עם התקדמות ויברונית שנפתרה היטב ב-555, 598 ו-648 ננומטר. התוצאות הספקטרליות הצביעו על כך שהוספת EG הובילה להפיכת מולקולות ADI בקרח מים מאגרגטים לא מומסים למצבי יונים מומסים.
אימות ממצאי זרחון באמצעות טכניקות הדמיה מתקדמות
כדי לאשש את המסקנות של ספקטרוסקופיה זרחנית, תמונות מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת בטמפרטורה נמוכה (Cryo-SEM) הראו שהוספת עקבות EG לתוך קרח המים המכיל ADI הביאה לאזורים מקומיים עם מיקרו-מבנים נקבוביים. בינתיים, ספקטרות ראמאן בטמפרטורה נמוכה (LT-Raman) אישרו שתוספת של עקבות EG מספיקה כדי לגרום לשינוי ברטט OH של קרח מים ממצב גבישי בתדר נמוך למצב זכוכית בתדירות גבוהה.
השלכות על מחקרי אינטראקציה של מים-קרח-אורגניות
מחקר זה גילה שהוספת כמויות קורט של חומרים אורגניים מולקולריים קטנים או גדולים למים יכולה לעכב באופן משמעותי את הסדר הגבישי של קרח המים על ידי שימוש בספקטרוסקופיה זרחנית נוחה ורגישה יותר. יתרה מכך, הספקטרוסקופיה הזרחנית יכולה גם לחשוף הבדלים מורפולוגיים במיקרו-מבנים של קרח מים כאשר מוספים למים עקבות אורגניים בעלי מבנים שונים ואותו ריכוז, דבר העולה בקנה אחד עם ספקטרוסקופיה של ראמאן ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק, המספק אמצעי טכני חדש לחקר מים-קרח. אינטראקציות אורגניות בריכוז נמוך יותר ובטווח טמפרטורות רחב יותר.
