Lüminesan Koordinasyon Polimer Partikülü Kullanımı ile Fosfat Algılama

Fotoğraf: Fosfatın Yüksek Seçici Tespiti için Yeniden Kullanılabilir ve pH Kararlı Lüminesan Sensörler.

Bir grup araştırmacı yakın zamanda fosfatın son derece seçici olan tespiti için pH kararlı lüminesan ve yeniden kullanılabilir sensörler kullanmanın fizibilitesini gösteren bir makaleyi Materials’da yayımladı.

Fosfat sensörleri, su ortamının, özellikle de buradaki fosfatın, izlenmesindeki rolleri için yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Fosfatın varlığı, ötrofikasyonu değerlendirmek ve anlamak üzere fosfatın izlenmesini gerektiren alg patlamalarına yol açabilir.

Ancak, maddenin kimyasal özellikleri sebebiyle fosfatın tespiti günümüzde oldukça zordur. Bu nedenle araştırmacılar, su ortamındaki fosfat iyonlarına karşı hassas ve seçici bir şekilde yanıt verebilen lüminesan koordinasyon polimer partiküllerine (CPP) odaklanıyorlar.

Fotoğraf: (a) Fosfatın tespiti için CPP’ye dayalı lüminesan “kapanma” algılamasının şematik gösterimi. (b) Algılama malzemeleri olarak CPP’leri içeren ışık kaynağı, dedektör ve membrandan oluşan fosfat sensörünün kavramsal konfigürasyonu.

Fosfat Dedektörlerinin Önemi

Farklı su ortamlarında yaygın olarak bulunan alg patlamaları, başlıca fosfat ve amonyak olan, besinler gibi farklı faktörler nedeniyle sıklıkla karmaşık bir davranış gösterirler. Ancak, Oscillatoria ve Microcystis gibi zararlı alg patlamaları (HAB), hem insanları hem de su yaşamını olumsuz etkileyebilecek toksinler üretir.

Bu nedenle, su ortamını korumak için bu patlamaların kesintisiz izlenmesi ve uygun alg giderme işlemlerinin uygulanması gereklidir. Zararlı alg patlamalarının büyümesine neden olan diğer besinler, farklı sahaya-yerleştirilebilen sensörler kullanılarak izlenebilse de fosfatın kusursuz tespiti ve izlenmesi bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Fosfatın tespiti, ancak yüksek sıcaklık ve basınç koşullarında gerçekleştirilebilen karmaşık bir işlemdir. Bu faktör, kimyasal reaktifler kullanmadan sahaya yerleştirilebilen fosfat sensörlerinin uygulamasını sınırlar. Fosfat iyonlarının farklı formları ve büyük boyutları ve fosfatların yüksek çözünme enerjisi, fosfat tespitini zorlaştıran diğer faktörlerdir.

Bu faktörler, ayarlanabilirlikleri ve önemli ölçüde geniş olan yüzey alanları nedeniyle CPP’lere olan odağı artırmıştır. Böylece, bu çalışmanın araştırmacıları, CPP tabanlı bir fotolüminesans fosfat sensörünün yüksek seçicilik ve hassasiyet sunabileceğini ve fosfat tespiti için gereken geniş pH aralığını kapsayabileceğini göstermeyi amaçlamışlardır.

Fotoğraf: (a) SEM görüntüleri, (b) boyut histogramı, (c) kümülatif frekans dağılımı, (d) TEM görüntüsü, (e) EDX spektrumu, (f-i) EDX element haritalaması ve (j) Eu-TCA’nın XRD spektrumu.

Çalışma

Bu çalışmada kullanılan CPP, su ortamında diğer lüminesan yapılara göre daha dayanıklıdır. Bunun yanı sıra, bu CPP, nanopartiküller şeklinde üretilerek onları gözenekli bir membrana gömmek üzere kullanılabilir. Bu çalışma için kullanılan lüminesan CPP, başlıca polivinilpirolidon (PVP) ve EuCI₃.6H₂O kullanılarak hazırlanmıştır.

Hazırlık aşamasında kullanılan diğer reaktifler arasında sülfürik asit, potasyum fosfat, etanol, dimetilformamid (DMF) ve 2,20-(5-Karboksi-1,3-fenilen)bis(1,3-dioksoizoindolin-5-karboksilik asit) (TCA) bulunmaktadır. Eu-TCA, pH ve reaksiyon sıcaklığı gibi sentetik parametreler düzenlenerek başarıyla elde edilmiştir. pH kontrolü ve PVP ilavesi, CPP’lerin kristalliğini ve şeklini etkilemiştir. Eu-TCA, fosfat tespiti için cam mikrofiber filtrelere (GMF) yerleştirilmiştir.

Eu-TCA’nın yüzey mikro yapısını ve morfolojisini analiz etmek için transmisyon elektron mikroskobu (TEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), ve alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır.

Toz X-ışını kırınım (PXRD) verilerini elde etmek için Rigaku kırınım ölçer kullanılmıştır. FTIR spektrumları ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ölçümlerini elde etmek için sırasıyla Nicolet iS10 Fourier transform kızılötesi (FTIR) spektrometresi ve mikro odaklı monokromatik Al Kα X-ışını kaynağı donanımlı K-Alpha+ spektrometresi kullanılmıştır.

Eu-TCA dispersiyonunun fotolüminesansını incelemek için bir spektrofotometre kullanılırken, GMF/Eu-TCA’yı içeren mikroplakanın lüminesans yoğunluğunu ölçerek GMF/Eu-TCA’nın fosfat algılama performansını araştırmak için bir mikroplaka okuyucusu kullanılmıştır. Emisyon ve uyarma dalga boyları sırasıyla 615 nm ve 260 nm olarak seçilmiştir.

Fotoğraf: (a) Eu-TCA/GMF’nin SEM görüntüsü. (b) Bağımsız olarak üretilmiş Eu-TCA/GMF’leri içeren 4×4 mikroplaka kuyularının lüminesans yoğunluğu. (c) Fosfat konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak Eu-TCA/GMF’nin (n = 7) lüminesans söndürmesinin Stern-Volmer grafiği. (d) On döngüden sonra Eu-TCA/GMF’nin (n = 7) lüminesans yoğunluğu. Fosfat konsantrasyonu 100 μM’dir.

Gözlemler

TEM ve SEM analizlerinden elde edilen gözlemler, erken kısa menzilli düzenlilik nedeniyle amorf koordinasyon polimerlerinin oluşumunu göstermiştir. Eu-TCA’nın fosfat algılama performansı araştırılırken, dinamik ve statik lüminesans söndürme fenomeninin eşzamanlı varlığı gözlemlenmiştir. FTIR verileri, Eu-TCA’lardaki Eu³⁺ metal merkezleri etrafındaki koordinasyon bağlarının ve fosfat bağlanmasının yeniden düzenlenmesini güçlü bir şekilde desteklemiştir.

XPS analizinden elde edilen gözlemler, araştırmacıların GMF/Eu-TCA’nın yeniden kullanılabilir bir fosfat sensörü olarak kullanılabileceği sonucuna vardıkları FTIR analizine benzer şekilde olmuştur. Lüminesans yoğunluğunda gözlemlenen bağıl standart sapma, GMF/Eu-TCA’nın partiden partiye üretiminin tekrarlanabilirliğini göstermiştir.

GMF/Eu-TCA’nın fosfat algılama yeteneğinin, algılama sınırına (LOD) bakımından diğer fosfat algılama yöntemlerine göre daha iyi ya da kıyaslanabilir olduğu görülmüştür. Bunun yanı sıra gözlemler, GMF/Eu-TCA’nın geniş bir pH aralığında fosfatın algılanması için uygun olduğunu da göstermiştir. Ayrıca, önerilen fosfat algılama platformunun gerçek su ortamlarında kullanım için uygun olduğu bulunmuştur.

Fotoğraf: (a) Çeşitli pH koşulları altında zamanın bir fonksiyonu olarak Eu-TCA/GMF’nin lüminesans yoğunluğu. (b) pH’ın bir fonksiyonu olarak Eu-TCA/GMF’nin (n = 6) I_sonra/I_önce’si; burada I_önce, pH çözeltisine maruz kalmadan önceki lüminesans yoğunluğu ve I_sonra, pH çözeltisine maruz bırakıldıktan sonraki lüminesans yoğunluğudur. (c) Fosfat ve diğer çeşitli iyonik solüsyonlara (1 mM) batırılmış Eu-TCA/GMF’nin (n = 6) lüminesans yoğunluğu.

CPP Tabanlı Fosfat Dedektörlerinin Geleceği

Çalışma, Eu-TCA’lar gibi lüminesan nanopartiküllerin, hassas koordinasyon etkileşimleri yoluyla fosfatları tespit etmek için CPP’ler olarak sentezlenebileceğini göstermiştir. Fosfat algılama sensörü, farklı pH koşulları altında kimyasal kararlılığı destekleyebilmektedir. Bu nedenle, lüminesan nanopartiküllerden oluşan bir membran, sonda tipi bir fotolüminesan sensörle donatılabilmekte ve herhangi bir kimyasal aktivasyon işlemi veya redoks kimyasalları olmadan işlevini yerine getirebilmektedir.

Kaynak: azom.com