Nasi naukowcy stworzyli czujnik w kropli wody. Zanieczyszczenie gasi światło

Wystarczy kropla roztworu i promieniowanie UV, by zobaczyć, czy w wodzie są metale. Polscy chemicy stworzyli czułe, świecące receptory molekularne.

Wygląda jak zwykła, bezbarwna kropla wody, ale pod lampą UV zamienia się w czujnik jakości środowiska. Zespół z Politechniki Warszawskiej przerobił egzotyczną cząsteczkę sumanenu na świecący znacznik, który w obecności zanieczyszczeń metalami po prostu gaśnie. To krok w kierunku prostych, bardzo czułych testów, dzięki którym w rzece czy jeziorze widać problem, zanim stanie się niebezpieczny.

Świecąca kropla, która milknie przy zanieczyszczeniu

Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, u podstaw nowej technologii stoi zjawisko fluorescencji. Jest to proces, w którym cząsteczka po naświetleniu promieniowaniem, np. ultrafioletowym, oddaje część energii w postaci widzialnego światła. W praktyce oznacza to, iż roztwór, który w zwykłych warunkach wygląda jak zwykła woda, pod lampą UV zaczyna świecić.

Zespół prof. Artura Kasprzaka z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej wykorzystał to zjawisko, tworząc cząsteczki zachowujące się jak molekularne lampki kontrolne w wodzie. Gdy środowisko jest czyste, świecą jasno. Gdy pojawiają się w nim określone jony metali – sygnał gwałtownie słabnie, choćby stukrotnie. Dla badacza to natychmiastowa informacja: w tej próbce dzieje się coś, czego tam być nie powinno.

Egzotyczna cząsteczka, którą trzeba było oswoić

Serce tego rozwiązania stanowi sumanen – wciąż stosunkowo młody związek chemiczny, zsyntetyzowany zaledwie około dwie dekady temu. Jest to aromatyczna cząsteczka zbudowana wyłącznie z atomów węgla i wodoru, o lekko wygiętym kształcie przypominającym kwiat słonecznika. Stąd zresztą nazwa zaczerpnięta z języka hindi.

W takiej gołej postaci sumanen jest kompletnie nieprzyjazny wodzie. Zachowuje się jak sadza: zamiast mieszać się z roztworem, tworzy odrębną fazę, nie daje się rozpuścić i nie nadaje do badań w środowisku wodnym. Pierwszym zadaniem warszawskiego zespołu było więc przełamanie tej niechęci.

Chemicy dobudowali do cząsteczki specjalne grupy funkcyjne – fragmenty, które zmieniają jej charakter z hydrofobowego (uciekającego od wody) na hydrofilowy (dobrze czujący się w roztworze). Taka modyfikacja to nie tylko zabieg techniczny. Trzeba tak dobrać ogonki chemiczne, by z jednej strony poprawić rozpuszczalność, z drugiej nie zniszczyć zdolności cząsteczki do świecenia. W tym przypadku udało się osiągnąć obie rzeczy naraz: nowe pochodne sumanenu dobrze mieszają się z wodą i wykazują silną fluorescencję.

Światło gaśnie, gdy tylko pojawia się metal

Naukowcy sprawdzili, czy zmodyfikowany sumanen może działać jak molekularny receptor, czyli cząsteczka, która wykrywa wybrane jony metali niczym zamek pasujący tylko do określonych kluczy. Skupili się na kationach glinu, galu i indu, które trafiają do wód z przemysłu. Eksperymenty pokazały, iż w obecności tych metali fluorescencja cząsteczki gwałtownie zanika – to efekt tworzenia się trwałego kompleksu, który zaburza strukturę sumanenu. Reakcja była wyraźna i selektywna, co oznacza, iż cząsteczka nie tylko wykrywa określone zanieczyszczenia, ale też ignoruje inne jony.

Efektowne zjawisko fluorescencji to jedno, ale w praktyce liczy się przede wszystkim precyzja pomiarów. Zespół z Politechniki Warszawskiej użył spektrofluorymetrii, by dokładnie zmierzyć, jak zmienia się intensywność światła po dodaniu jonów metali. W laboratorium sygnał świecenia potrafił spaść choćby stukrotnie. Oznacza to bardzo wysoką czułość, pozwalającą wykrywać skażenie jeszcze zanim stanie się poważnym problemem. Prawdziwym wyzwaniem okazały się jednak testy w naturalnych wodach, pełnych związków organicznych i innych domieszek. W takich warunkach skuteczność detekcji spada, bo cząsteczkom trudniej dotrzeć do konkretnych jonów.

Wynik okazał się naprawdę obiecujący. Pochodne sumanenu doskonale poradziły sobie z analizą próbek środowiskowych, choć skuteczność zależała od konkretnego składu wody. Tam, gdzie stężenie naturalnych substancji organicznych było wysokie, dostęp do kationów bywał ograniczony, co osłabiało reakcję. To ważna wskazówka na przyszłość: zanim taki czujnik trafi w teren, trzeba będzie dostosować procedury do specyfiki lokalnych wód albo odpowiednio zmodyfikować samą cząsteczkę.

Jeżeli ten kierunek się rozwinie, kontrola czystości środowiska może kiedyś rzeczywiście sprowadzać się do kilku prostych kroków: pobrać próbkę, dodać kroplę roztworu, oświetlić ultrafioletem. jeżeli woda rozświetli się jasno – jest dobrze. jeżeli blask zgaśnie, będzie to czytelny sygnał, iż w tle kryje się chemiczny problem, którego nie widać gołym okiem.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI