Nowatorska metoda pomiaru pH w skali nano

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Kwas czy zasada? A może roztwór jest obojętny? Zwykle zmierzenie odczynu pH nie jest problemem. Jak jednak zbadać zmiany kwasowości czy zasadowości zachodzące w skali nano, na przykład tuż przy powierzchni, na której dopiero tworzą się pierwsze wżery rdzy? Nowatorską metodę pomiaru pH w nanoskali właśnie zaprezentowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.

W warszawskim Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) powstał nanoczujnik przeznaczony do ciągłego monitorowania zmian współczynnika pH. Użyty jako sonda mikroskopu skaningowego, przyrząd pozwala na precyzyjne pomiary zmian kwasowości/zasadowości zachodzących nad bardzo małymi fragmentami powierzchni próbki zanurzonej w roztworze. Rozdzielczość przestrzenna sięga tu zaledwie 50 nanometrów i w przyszłości może być jeszcze zredukowana. Prace nad budową nanoczujnika sfinansowano z grantu Iuventus Plus Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i zrealizowano w kooperacji z Uniwersytetem Carla von Ossietzky'ego w Oldenburgu w Niemczech.

Możliwość monitorowania zmian kwasowości czy zasadowości roztworów w nanoskali, a więc nad obszarami o rozmiarach liczonych w miliardowych częściach metra, to ważny krok ku lepszemu zrozumieniu wielu procesów chemicznych. Najbardziej oczywistym przykładem są tu różnego rodzaju reakcje katalityczne czy korozja wżerowa, która zaczyna się w obrębie bardzo małych fragmentów powierzchni - wyjaśnia prof. dr hab. Marcin Opałło (IChF PAN).

Do zmian pH w roztworach dochodzi w wyniku reakcji z udziałem jonów wodoru (czyli dodatnio naładowanych protonów, H⁺) lub jonów wodorotlenowych (o ładunku ujemnym, OH^-). Reakcje te zaburzają proporcje między liczbą jonów obu typów. Im więcej protonów, tym środowisko bardziej kwaśne, im więcej jonów wodorotlenowych, tym bardziej zasadowe. Współczynnik pH informuje o skali zaburzenia. Zazwyczaj przyjmuje on wartości z zakresu od 0 do 14, przy czym dla środowiska neutralnego jest równy 7; wartości pH mniejsze od 7 odpowiadają kwasom, większe - zasadom.

Pomiary pH roztworów na ogół nie są trudne i należą do standardowej praktyki laboratoryjnej i przemysłowej. Czym innym jest jednak mierzenie poziomu kwasowości czy zasadowości roztworu o dużej objętości, a czym innym zmian zachodzących w jego ekstremalnie małych objętościach, na przykład bezpośrednio w pobliżu pojedynczych cząsteczek chemicznych. Dotychczas nie istniały przyrządy zdolne do detekcji zmian pH w tak małej, sięgającej nanometrów skali.

Za pomocą naszego nanoczujnika jesteśmy w stanie mierzyć pH z rozdzielczością zbliżoną do średnicy elektrody węglowej przesuwanej nad powierzchnią próbki, czyli obecnie 50 nm. Współczynnik pH wyznaczamy w zakresie od 2 do 12 i z dokładnością do setnych części, a jego zmiany potrafimy monitorować na bieżąco, nawet kilkadziesiąt razy na sekundę - opisuje dr Wojciech Nogala (IChF PAN), jeden ze współautorów osiągnięcia.

Wytwarzanie nanoelektrody węglowej zaczyna się od podgrzania wiązką światła laserowego cienkiej kwarcowej rurki. W odpowiednio dobranej temperaturze kwarc staje się plastyczny i rurkę można ostrożnie rozciągać, co skutkuje zmniejszaniem się jej średnicy. Ostatecznie proces prowadzi do powstania szklanego "włosa" o zewnętrznej średnicy ok. 100 nm, z wewnętrznym tunelem średnicy ok. 50 nm. Po uformowaniu tak cienkiej pipety jest ona otaczana atmosferą argonu. W pipetę wpuszcza się następnie mieszaninę propanu i butanu i przeprowadza ich pirolizę, czyli rozkład w wysokiej temperaturze. Wskutek stopniowo zachodzącej pirolizy na wewnętrznych ściankach pipety osadza się węgiel (brak tlenu uniemożliwia jego spalenie). Prowadzona uważnie i dostatecznie długo piroliza całkowicie wypełnia wnętrze nanopipety węglem, tworząc z niego długi i niezwykle cienki pręt.

Technologia produkcji ultracienkich elektrod węglowych jest znana od kilku lat i stosowana w paru ośrodkach badawczych na świecie. Jednak tak otrzymana elektroda nie nadaje się do mierzenia pH. Musieliśmy ją zmodyfikować czymś, co reagowałoby na zmiany stężeń protonów i jonów wodorotlenowych. W tym celu sięgnęliśmy po związek chemiczny znany jako syryngaldazyna - wyjaśnia doktorantka Magdalena Michalak (IChF PAN), pierwsza autorka publikacji w czasopiśmie Analytical Chemistry, gdzie opisano budowę nanoczujnika.

Cząsteczka syryngaldazyny może zostać elektrochemicznie utleniona: pozbywa się wtedy dwóch elektronów i dwóch protonów. Ponieważ reakcja jest odwracalna, utlenioną syryngaldazynę można zredukować do pierwotnej postaci poprzez przyłączenie z otoczenia dwóch protonów i dwóch elektronów. Dla naukowców z IChF PAN-u najważniejszy był fakt, że potencjał reakcji utleniania/redukcji syryngaldazyny zależy od pH roztworu i zmienia się o 59 miliwoltów na każdą jednostkę pH. Po osadzeniu cząsteczki syryngaldazyny na zakończeniu elektrody węglowej pomiar pH można więc było sprowadzić do uważnego monitorowania zmian w przepływie prądu w zależności od przyłożonego napięcia.

Łatwo powiedzieć, trochę trudniej zrobić. Mówimy o mierzeniu pikoamperów. Warto zdać sobie sprawę, że prądy wzbudzane w antenie odbiornika radiowego są tysiąckrotnie większe! Naszą skaningową mikroskopię zmian pH musimy więc prowadzić wewnątrz klatki Faradaya, która izoluje czujnik i próbkę od wszechobecnych pól elektromagnetycznych - mówi dr Nogala.

Podczas pomiarów pH z użyciem zmodyfikowanej nanoelektrody węglowej wykorzystywano oprogramowanie SECMx przygotowane przez prof. Gunthera Wittstocka z Uniwersytetu w Oldenburgu.

Dalekosiężnym celem badań w IChF PAN jest opracowanie metod monitorowania zmian pH zachodzących w pobliżu pojedynczych cząsteczek chemicznych. Tak wyrafinowane pomiary pozwoliłyby np. rozstrzygnąć, jak cząsteczki enzymów tracą swą aktywność: czy proces ten zachodzi stopniowo we wszystkich cząsteczkach w roztworze jednocześnie, czy też pojedyncze cząsteczki tracą swe zdolności gwałtownie, a stopniowo obniża się tylko uśredniona aktywność roztworu.

« powrót do artykułu