Una nueva sonda fosforescente detecta estructuras diminutas en hielo de agua

Una nueva investigación que utiliza espectroscopía de fósforo muestra cómo pequeñas sustancias orgánicas como el etilenglicol alteran la estructura cristalina del hielo de agua, proporcionando información sobre las propiedades físicas y químicas del hielo.

Se cree que el hielo jugó un papel crucial en el surgimiento de la vida. Una razón para esto es que las moléculas orgánicas pueden incorporarse en los espacios entre la red cristalina mediante moléculas de agua cuidadosamente dispuestas, lo que conduce a la concentración de compuestos orgánicos. Sin embargo, los métodos actuales para estudiar moléculas orgánicas en el hielo, como la espectroscopia Raman e infrarroja, se limitan principalmente a técnicas de espectroscopia basada en absorción, lo que limita la sensibilidad de la medición.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Guoqing Zhang, el profesor Xiong Liu, el profesor Xiaoguo Zhou y el investigador Xiuping Zhang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) ha desarrollado un método para detectar estructuras de hielo de agua utilizando sensores organofosforados y espectroscopia de fosforescencia. Su trabajo ha sido publicado en Se requiere química.

Un nuevo método para analizar moléculas orgánicas en hielo

El equipo propuso un método basado en emisiones para estudiar moléculas orgánicas en el hielo de agua. Utilizaron el estado de hidratación de una sonda fosforescente, el yoduro de acridinio (ADI), para indicar cambios sutiles en el hielo de agua (es decir, cristalino frente a vítreo). La fina estructura del hielo de agua puede determinarse en gran medida por la pequeña cantidad de moléculas orgánicas solubles en agua. En concreto, si el hielo de agua permanece amorfo a bajas temperaturas, el estado de hidratación puede ser más brillante.⁺ catión y yo^– El anión de la sonda ADI estará separado por moléculas de agua unidas, exhibiendo una fosforescencia duradera y una fluorescencia verde-amarilla visible. Mientras están en hielo cristalino estructurado, las moléculas de la sonda ADI se agregan, lo que da como resultado una fosforescencia roja de corta duración a través de la atmósfera pesada. maíz Efecto del yodo.

Imágenes de espectroscopía Raman y microscopía electrónica de barrido criogénica del sistema acuoso ADI. Copyright: equipo del profesor Guoqing Zhang

La espectroscopia mejora la comprensión de la estructura fina del hielo

Los espectros de emisión mostraron cambios espectrales característicos en la solución acuosa de ADI tras la adición de pequeñas moléculas de etilenglicol (EG) y copolímeros de EG monodispersos (PDI=1). La adición de trazas de EG (0,1%) da lugar a una banda fluorescente de alrededor de 480 nm, acompañada de una banda de fosforescencia más intensa con avance vibratorio de buena resolución a 555, 598 y 648 nm. Los resultados espectroscópicos indicaron que la adición de EG condujo a la conversión de moléculas de ADI en agua helada de agregados no disueltos a estados iónicos disueltos.

Verifique los resultados de fosforescencia utilizando técnicas de imagen avanzadas

Para confirmar las conclusiones de la espectroscopia de fosforescencia, las imágenes de microscopía electrónica de barrido a baja temperatura (Cryo-SEM) mostraron que la adición de trazas de EG al hielo de agua que contenía ADI conducía a la aparición de regiones localizadas con microestructuras porosas. Mientras tanto, los espectros Raman de baja temperatura (LT-Raman) confirmaron que la adición de trazas de EG fue suficiente para provocar un cambio en la vibración OH del hielo de agua de un estado cristalino de baja frecuencia a un estado vítreo de alta frecuencia.

Implicaciones de los estudios de la interacción entre agua, hielo y materiales orgánicos.

Este estudio descubrió que agregar trazas de compuestos orgánicos moleculares pequeños o grandes al agua puede inhibir significativamente el sistema cristalino del hielo de agua utilizando una espectroscopia de fósforo más conveniente y sensible. Además, la espectroscopia de fósforo también puede detectar diferencias morfológicas en la microestructura del hielo de agua cuando se añaden al agua trazas de materiales orgánicos con diferentes estructuras y la misma concentración, lo que es consistente con la espectroscopia Raman y la microscopía electrónica de barrido, proporcionando un nuevo medio técnico para estudiar el agua. Interacciones entre hielo y materiales. Orgánico en una concentración más baja y un rango de temperatura más amplio.

Referencia: “La estructura fina del agua y el hielo y los estados de hidratación del yoduro de acridinio estudiados mediante espectroscopia de fósforo” por Hongpeng Liu, Hao Su, Ning Chen, Jie Sen, Jiajia Tan, Baicheng Zhang, Xiaoyu Chen, Ouyuan Cheng, Shengquan Fu, Xiaoguo Zhou, Shilin Liu, Xueping Zhang, Xiong Liu, Yi Luo y Guoqing Zhang, 11 de abril de 2024. Edición Internacional de Química.
DOI: 10.1002/anie.202405314