Fluorescencinio gyvsidabrio ir geležies jonų jutiklio maketas

Tikslinė funkcija ir taikymų sritis.

Gyvsidabrio Hg2+ jonai yra vieni iš sveikatai pavojingiausių teršalų. Jie gali bioakumuliuotis organizmuose per mitybos grandinę. Net ir nedideli jonų kiekiai organizme gali sukelti rimtų centrinės nervų sistemos sutrikimų. Dėl unikalių savybių gyvsidabris yra plačiai naudojamas pramonėje, todėl kartais jo patekimas į aplinką yra neišvengiamas. Tuo tarpu geležies Fe2+ jonai yra plačiai paplitę žinduolių organizmuose, tačiau jos kiekį svarbu reguliuoti. Geležies trūkumas gali sukelti anemiją, diabetą ar vėžį, o jos perteklius tapti Parkinsono ar Alzhaimerio ligų priežastimi. Todėl yra labai svarbu sugebėti aptikti šiuos jonus aplinkoje ir biologiniuose mėginiuose. Dėl didelio jautrio, greito atsako ir mažų gamybos kaštų organiniai fluorescenciniai jutikliai yra vieni perspektyviausių šioje srityje.

Selektyvaus geležies ir gyvsidabrio jonų jutiklio schema.

1 pav. pateikiamas maketas organinio fluorescencinio jutiklio gebančio selektyviai aptikti geležies (Fe2+) bei gyvsidabrio (Hg2+) jonus pereinamųjų kadmio (Cd2+), kobalto (Co2+), vario (Cu2+), nikelio (Ni2+), švino (Pb2+), cinko (Zn2+) ar cirkonio (Zr4+) metalų fone. Jutiklis skirtas tyrimams įprastuose tirpaluose. Jonų aptikimui ruošiami bandiniai turi būti ištirpinami organiniame tirpiklyje, tam puikiai tinka tetrahidrofuranas (THF), acetonas, acetonitrilas, toluenas bei kt. Pakanka „nuplauti“ tiriamą detalės ar technologinio proceso konstrukcijos paviršių tirpikliu, pridėti jutiklio molekulių specifiškai reaguojančių su gyvsidabrio jonais ir išanalizuoti tirpalo fluorescenciją siūlomu prietaisu.

1 pav. Fluorescencinio metalų jonų jutiklio maketas. Sudedamosios dalys: 1 – UV šviestukas (350 nm); 2 – žadinimo spinduliuotę praleidžiantis filtras; 3 – kvarcinė kiuvetė su tiriamuoju tirpalu; 4 – filtras, blokuojantis žadinimo spinduliuotę bei praleidžiantis fluorescenciją; 5 – šviesolaidis; 6 –mini CCD spektrometras; 7 – nešiojamasis kompiuteris.

Bandinys kvarcinėje kiuvetėje sumaišomas su jutiklio molekulėmis tirpiklyje ir patalpinamas į matavimo sistemą (1 pav. pažymėta 3). Bandinys sužadinamas UV šviesa (350 nm) skleidžiančiu diodu (1), o žemos energijos bangų filtras (2) užtikrina, jog bandinio nepasiekia pašalinė šviesa. Kitas aukštos energijos bangų filtras (4) nufiltruoja žadinančiąją šviestuko spinduliuotę ir užtikrina, jog į šviesolaidį (5) patenka tik bandinio fluorescencija. Ji šviesolaidžiu keliauja iki mini CCD spektrometro (6), kuris užregistruoja bandinio spektrą ir duomenis perduodą į kompiuterį (7). Kompiuteryje programine įranga atlikus spektro analizę galime selektyviai ir jautriai atpažinti geležies (Fe2+) bei gyvsidabrio (Hg2+) jonus. Šis fluorescencinis jutiklis geba aptikti jonus, kurių koncentracija tesiekia ~1nmol/l. Kuriant jutiklio prototipą galima ženkliai atpiginti detekcijos schemą ir supaprastinti jutimo procedūras, optimizuojant jutiklio kainos ir funkcijos savybes.

Jutiklio veikimo principas.

Šio metalų jonų detektoriaus veikimo principas yra grindžiamas organinio darinio 4-(4-dimetilaminofenil)-N-(2-etilheksil)-1,8-naftalimido (NI) neįprastomis fotofizikinėmis savybėmis. Jo struktūra pateikta 2 pav. Šis naftalimido darinys išsiskiria lokalių ir krūvio pernašos (CT) būsenų formavimu, kurios yra ryškiai atskirtos spektre bei specifine sąveika su gyvsidabrio ir geležies jonais. Ši vidinės krūvio pernašos donor-akceptorinė sistema buvo atrinkta tyrimų būdu ištyrus keliasdešimt dipolinių naftalimido darinių.

2 pav. NI molekulės struktūra

Unikalios šio darinio savybės puikiai atsiskleidžia iš jo optinių savybių. 3 pav., a) pateikti tiriamosios naftalimido molekulės sugerties spektrai sistemoje nesant bei esant skirtingų pereinamųjų metalų jonų (jonų kiekis yra 10 kartų didesnis nei organinių molekulių). Grynos medžiagos spektre matomos dvi svarbios smailės: NI lokalaus sužadinimo smailė ties 347 nm (naftalimido kamienui būdinga sugertis) bei CT smailė ties 423 nm (krūvio pernašos būsenai būdinga sugertis). Molekulės sugerties spektras nekinta į sistemą įterpus kadmio (Cd2+), kobalto (Co2+), vario (Cu2+), nikelio (Ni2+), švino (Pb2+), cinko (Zn2+) ar cirkonio (Zr4+) jonų, tačiau įterpus geležies ar gyvsidabrio sugerties spektras stipriai pakinta: išauga naftalimido kamienui būdinga sugertis bei sumažėja CT būsenos sugertis. Kadangi regimojoje spektro dalyje esanti CT sugertis „užgęsta“ – vizualiai toks tirpalas akimirksniu netenka spalvos (3 pav., b)).

a)                                                                                c)
b)                                                                                d)  

3 pav. Fotofizikinės naftalenimido darinio savybės nesant ir esant pereinamųjų metalų sistemoje. (a) NI sugerties spektrai; (b) vizualinis sugerties pokytis įterpus gyvsidabrio jonų; (c) fluorescencijos spektrai; (d) fluorescencijos vaizdas plika akimi: rausva spalva – nepaveikus Hg2+ jonais, violetinė- paveikus.

Fluorescencijos spektruose stebimi panašūs pokyčiai (3 pav., c)). NI molekulei būdinga krūvio pernašos emisija ties 623 nm bangos ilgiu, o lokaliai sužadintos būsenos fluorescencija nestebimai maža. Tačiau įterpus į sistemą gyvsidabrio ar geležies jonų CT būsenai būdinga fluorescencija užgęsta, o tuo tarpu naftalimido kamienui būdinga fluorescencija (404 nm) staiga išauga šimtą kartų. Palaipsniui didinant jonų, į kuriuos molekulė reaguoja specifiškai, kiekį sistemoje plika akimi yra stebimas tirpalo fluorescencijos spalvos perėjimas iš rausvos į violetinę (3 pav., d)).

Tokio jutiklio fizikinio veikimo mechanizmas yra paremtas elektrono pernašos iš donoro į akceptorių blokavimu veikiant metalo jonams. Nesant metalų jonų sistemoje, sugerties metu iš pagrindinio lygmens į sužadintą naftalenimido lygmenį yra perkeliamas elektronas. Kadangi prie naftalimido prijungtas donorinis dimetilamino fragmentas, tai iš jo pagrindinio lygmens elektronas pernešamas į naftalimido pagrindiniame lygmenyje atsiradusią vakanciją. Sužadintasis elektronas nebegali grįžti į naftalimido pagrindinį lygmenį, todėl relaksuoja į donorinio fragmento pagrindinį lygmenį išspinduliuodamas 623 nm bangos ilgio fotonus (4 pav.). Į sistemą įterpti teigiami metalų jonai suriša donoro elektronus – nebegali vykti krūvio pernaša (4b pav.), todėl sistema spinduliuoja aukštesnės energijos fotonus 404 nm srityje.

4 pav. Fluorescencijos gesinimo (ties 625 nm) bei išaugimo (ties 404 nm) sistemoje esant metalų jonams veikimo principas

Selektyvus detektavimas jutikliu atliekamas spektrometru fiksuojant fluorescencijos intensyvumus lokaliai sužadintos ir CT būsenos smailėse. Šių intensyvumų santykis duoda labai gerą jutiklio jautrį ir selektyvumą (5 pav. kairėje). Geležies jonų sukeltas signalas yra trimis eilėmis didesnis, o gyvsidabrio signalas net keturiomis eilėmis didesnis nei kitų pereinamųjų metalų jonų sukelti signalai. Toks stiprus skirtumas tarp signalų užtikrina šių metalų jonų diskriminaciją.

5 pav. Kairėje: Jutiklio atsako signalas į įvairius pereinamųjų metalų jonus, dešinėje: Džobo grafikas naftalenimido ir gyvsidabrio jonų kompleksacijos santykiui nustatyti.

Atlikta, taip vadinama, Džobo grafiko (5 pav. dešinėje) analizė parodė, jog molekulės bei metalų kompleksavimosi santykis yra 1:4. Tai reiškia, jog viena naftalenimido molekulė prisijungia 4 metalų jonus. Tikėtina, jog jungimosi pozicija yra prie dviejų dimetilamino atšakų – po du iš kiekvienos pusės. Kadangi šiuolaikiniai spektrometrai geba registruoti pavienių fotonų emisiją, naftalimido darinio tirpalą atskiedus iki nanomolių litre koncentracijos vis dar galima būtų užregistruoti fluorescencijos signalą. Tai reiškia, jog galima registruoti geležies ar gyvsidabrio metalų jonų koncentracijas, kurios tesiekia nanomolius litre.