Man geht davon aus, dass Eis bei der Entstehung des Lebens eine entscheidende Rolle gespielt hat. Ein Grund dafür ist, dass organische Moleküle durch geordnete Wassermoleküle in die Lücken zwischen den Kristallgittern verdrängt werden können, was zur Anreicherung organischer Verbindungen führt.
Allerdings sind aktuelle Methoden zur Untersuchung organischer Moleküle in Eis, wie etwa Raman- und Infrarotspektroskopie, hauptsächlich auf absorptionsbasierte spektroskopische Techniken beschränkt, was die Messempfindlichkeit einschränkt.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zhang Guoqing, Prof. Liu Shiyong, Prof. Zhou Xiaoguo und Forscher Zhang Xuepeng von der University of Science and Technology of China (USTC) entwickelte eine Methode zur Erkennung von Wassereis-Mikrostrukturen mithilfe organischer phosphoreszierender Sonden und Phosphoreszenzspektroskopie. Ihre Arbeit ist veröffentlicht In Angewandte Chemie.
Das Team schlug eine emissionsbasierte Methode zur Untersuchung organischer Moleküle in Wassereis vor. Sie nutzten den Hydratationszustand einer phosphoreszierenden Sonde, Acridiniumiodid (ADI), um die mikrostrukturellen Veränderungen von Wassereis (d. h. kristallin vs. glasartig) anzuzeigen.
Die Mikrostrukturen von Wassereis können maßgeblich durch eine geringe Menge wasserlöslicher organischer Moleküle beeinflusst werden. Insbesondere wenn Wassereis bei niedrigen Temperaturen amorph bleibt, werden das AD+-Kation und das I–Anion der ADI-Sonde durch gebundene Wassermoleküle getrennt und weisen eine lang anhaltende Phosphoreszenz und ein sichtbares grünlich-gelbes Nachleuchten auf. In geordnetem kristallinem Eis hingegen aggregieren die Moleküle der ADI-Sonde und induzieren durch den Schweratomeffekt von Jod eine kurz anhaltende rote Phosphoreszenz.
Die Emissionsspektren zeigten deutliche spektroskopische Veränderungen in der wässrigen ADI-Lösung nach Zugabe von Ethylenglykol (EG)-Kleinmolekülen und monodispersen EG-Polymeren (PDI = 1). Die Zugabe von Spurenmengen von EG (0,1 %) führt zur Entstehung eines Fluoreszenzbandes bei etwa 480 nm, begleitet von einem intensiveren Phosphoreszenzband mit gut aufgelösten vibronischen Verläufen bei 555, 598 und 648 nm.
Die spektralen Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von EG zur Umwandlung von ADI-Molekülen im Wassereis von ungelösten Aggregaten in gelöste Ionenzustände führte.
Zur Untermauerung der Ergebnisse der Phosphoreszenzspektroskopie zeigten Aufnahmen der Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (Cryo-SEM), dass die Zugabe von Spuren von EG zum Wassereis, das ADI enthielt, zu lokalen Bereichen mit porösen Mikrostrukturen führte. Unterdessen bestätigten Tieftemperatur-Raman-Spektren (LT-Raman), dass die Zugabe von Spuren von EG ausreichte, um eine Verschiebung der OH-Schwingung des Wassereises von einem niederfrequenten kristallinen Zustand in einen hochfrequenten glasartigen Zustand zu bewirken.
In dieser Studie wurde herausgefunden, dass die Zugabe von Spuren kleiner oder großer organischer Stoffe zu Wasser die kristalline Ordnung von Wassereis mithilfe einer bequemeren und empfindlicheren Phosphoreszenzspektroskopie erheblich hemmen kann.
Darüber hinaus kann die Phosphoreszenzspektroskopie auch morphologische Unterschiede in den Mikrostrukturen von Wasser und Eis aufdecken, wenn dem Wasser Spuren organischer Stoffe mit unterschiedlichen Strukturen und gleicher Konzentration zugesetzt werden. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Raman-Spektroskopie und der Rasterelektronenmikroskopie und bieten eine neue technische Möglichkeit, die Wechselwirkungen zwischen Wasser, Eis und organischen Stoffen bei niedrigeren Konzentrationen und in einem größeren Temperaturbereich zu untersuchen.
Mehr Informationen:
Hongping Liu et al., Wassereis-Mikrostrukturen und Hydratationszustände von Acridiniumiodid, untersucht mittels Phosphoreszenzspektroskopie, Angewandte Chemie (2024). DOI: 10.1002/ange.202405314
Zur Verfügung gestellt von der University of Science and Technology of China