Do oceny kwasowości bądź zasadowości roztworu w normalnych warunkach można zastosować choćby papierek lakmusowy. Co jednak zrobić, gdy zależy nam na pomiarze wartości pH w nanoskali, na przykład bezpośrednio przy powierzchni, na której zachodzą chemiczne reakcje? Rozwiązanie tego problemu znaleźli naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Na łamach czasopisma "Analytical Chemistry" opisują konstrukcję nanoczujnika, przeznaczonego do ciągłego monitorowania zmian współczynnika pH.
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 - wyjaśnia prof. dr hab. Marcin Opałło. Przykładem mogą być reakcje katalityczne czy korozja, zaczynająca się w obrębie bardzo małych fragmentów powierzchni.
Do zmian pH w roztworach dochodzi w wyniku reakcji z udziałem jonów wodoru (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 tego zaburzenia. Zazwyczaj przyjmuje on wartości z zakresu od 0 do 14, przy czym środowisko neutralne ma pH równe 7, wartości poniżej 7 odpowiadają kwasom, powyżej - zasadom.
Pomiary pH roztworów na ogół nie są trudne i należą do standardowej praktyki laboratoryjnej i przemysłowej, dotychczas jednak nie istniały przyrządy zdolne do detekcji zmian pH w skrajnie małych objętościach. 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 współautor pracy dr Wojciech Nogala.
Do budowy czujnika wykorzystano niezwykle cienką, odpowiednio przygotowaną nanoelektrodę węglową. Technologia produkcji takich elektrod jest znana od kilku lat i stosowana w paru ośrodkach badawczych na świecie. Jednak sama elektroda nie nadaje się do mierzenia pH. Musieliśmy ją zmodyfikować czymś, co reagowałoby na zmiany stężeń protonów i jonów wodorotlenowych - tłumaczy pierwsza autorka pracy, doktorantka Magdalena Michalak. W tym celu sięgnęliśmy po związek chemiczny znany jako syryngaldazyna - dodaje. Jej cząsteczka ulega reakcjom utlenienia i redukcji zależnym od pH otoczenia. Mierząc potencjał reakcji można to pH wyznaczyć.
Jak zapowiadają naukowcy IChF PAN, czujnik, użyty jako sonda mikroskopu skaningowego, pozwala na precyzyjne pomiary zmian kwasowości/zasadowości zachodzących nad bardzo małymi fragmentami powierzchni próbki zanurzonej w roztworze.
Na podstawie materiałów prasowych IChF PAN.
