新探测器揭示水冰微结构

Josiah02 · 发表于 2024-7-6 14:08:30

人们认为冰在生命的出现过程中扮演了至关重要的角色。原因之一是有机分子可以被有序排列的水分子排除在晶格之间的缝隙中，从而导致有机化合物的浓缩。
然而，目前研究冰中有机分子的方法，如拉曼光谱和红外光谱，主要局限于基于吸收的光谱技术，限制了测量灵敏度。
中国科学技术大学张国庆教授、刘世勇教授、周小国教授和张学鹏研究员等研究团队开发了一种利用有机磷光探针和磷光光谱检测水冰微结构的方法，相关研究成果发表在《应用化学国际版》上。
研究团队提出了一种基于发射的方法来研究水冰中的有机分子。他们利用磷光探针碘化吖啶（ADI）的水合状态来指示水冰的微观结构变化（即结晶与玻璃状）。
水冰的微观结构可由微量的水溶性有机分子决定。具体来说，如果水冰在低温下保持无定形，ADI 探针的 AD +阳离子和 I -阴离子将被结合的水分子分离，从而呈现长寿命磷光和可见的绿黄色余辉。而在有序结晶冰中，ADI 探针分子会聚集，通过碘的重原子效应诱导短寿命的红色磷光。
发射光谱表明，在 ADI 水溶液中添加乙二醇 (EG)小分子和单分散 EG 聚合物 (PDI=1) 后，光谱发生了明显变化。添加微量 EG (0.1%) 会导致 480 nm 左右出现荧光带，同时在 555、598 和 648 nm 处出现更强烈的磷光带，且振动电子级数清晰可见。
光谱结果表明，EG的加入导致水冰中的ADI分子从未溶解的聚集体转变为溶解的离子状态。
为了验证磷光光谱的结论，低温扫描电子显微镜（Cryo-SEM）图像显示，在含有ADI的水冰中添加微量EG会导致局部区域出现多孔微结构。同时，低温拉曼（LT-Raman）光谱证实，微量EG的加入足以导致水冰的OH振动从低频结晶态转变为高频玻璃态。
本研究利用更加便捷、灵敏的磷光光谱法发现，在水中添加微量的小分子或大分子有机物可以显著抑制水冰的晶体顺序。
此外，磷光光谱技术还可以揭示当水中添加不同结构、相同浓度的微量有机物时水-冰微结构的形貌差异，这与拉曼光谱和扫描电子显微镜的研究结果一致，为在更低浓度、更宽温度范围内研究水-冰-有机物相互作用提供了新的技术手段。

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