Ευαισθητοποιημένη χημειοφωταύγεια με νανοδομημένους καταλύτες - Προοπτικές εφαρμογής της μεθόδου στην αναλυτική χημεία

Ευαισθητοποιημένη χημειοφωταύγεια με νανοδομημένους καταλύτες - Προοπτικές εφαρμογής της μεθόδου στην αναλυτική χημεία Δρ Κυριάκος Παπαδόπουλος Ερευνητής Α Ινστιτούτο Φυσικοχημείας ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος Δεκέμβριος 2009

Αντικείμενο και στόχος του έργου Αντικείμενο Αξιοποίηση καταλυτικών ιδιοτήτων νανοδομημένων οξειδίων του σιδήρου σε αντιδράσεις χημειοφωταύγειας. Στόχος Αύξηση των σημάτων χημειοφωταύγειας παρουσία νανοδομημένων οξειδίων του σιδήρου Αύξηση της ευαισθησίας της μεθόδου σε αναλυτικές εφαρμογές.

Σημερινό επίπεδο γνώσεων στη χρήση νανοδομημένων καταλυτών σε χημειοφωταυγείς αντιδράσεις Αφορά κυρίως τη ανίχνευση πτητικών χημικών ενώσεων σε στερεά επιφάνεια νανοκρυσταλλικών οξειδίων του πυριτίου, αργιλίου, τιτανίου, στροντίου, ζιρκονίου ή ενώσεων του χρυσού και σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Καμία αναφορά στη χρήση νανοδομημένων οξειδίων του σιδήρου σε χημειοφωταυγείς αντιδράσεις σε διαλύματα. Συμβολή του Εργαστηρίου Φωταύγειας του Ινστιτούτου Φυσικοχημείας στην επιστημονική περιοχή χημειοφωταυγών αντιδράσεων καταλυόμενων από νανοδομημένα οξείδια μετάλλων Για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκαν κολλοειδή διαλύματα νανοδομημένων οξειδίων του σιδήρου διαφορετικών διαστάσεων σε χημειοφωταυγή αντίδραση σε διάλυμα.

Αναγκαιότητα υλοποίησης του συγκεκριμένου έργου Η συνεχής αναζήτηση αναλυτικών μεθόδων μεγάλης ευαισθησίας στην Αναλυτική Χημεία και Κλινική Χημεία. Αντικατάσταση των σχετικά επικίνδυνων ραδιοανοσολογικών μεθόδων από χημειοφωταυγείς αναλύσεις. Αναμενόμενα αποτελέσματα Ανάπτυξη χημειοφωταυγών αντιδράσεων με ενισχυμένα σήματα Αξιοποίηση των αποτελεσμάτων σε ποσοτικούς προσδιορισμούς χημικών ουσιών που συμμετέχουν άμεσα ή έμμεσα σε αυτές τις αντιδράσεις, όπως υπεροξείδιο του υδρογόνου ή αντιοξειδωτικές ουσίες.

Χημειοφωταύγεια Χημειοφωταύγεια είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο διεγερμένα μόρια μεταπίπτοντας από μια ηλεκτρονιακά διεργεμένη κατάσταση στη βασική εκπέμπουν φως. Η απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση των μορίων προέρχεται από μια χημική αντίδραση. Το φως που παράγεται σε αυτές τις αντιδράσεις είναι συνήθως στην περιοχή του ορατού φάσματος. Πλεονεκτήματα Χημειοφωταύγών αντιδράσεων (α) Υψηλή ευαισθησία και πολύ χαμηλά όρια ανίχνευσης (β) Ευρεία δυναμική περιοχή συγκεντρώσεων (μέχρι και έξι τάξεις μεγέθους) (γ) Καλή επαναληψιμότητα (δ) Απλή και φθηνή οργανολογική διάταξη (ε) Δυνατότητα αυτοματοποίησης της τεχνικής και σύζευξης με άλλες τεχνικές, όπως αεριοχρωματογραφία, υγρή χρωματογραφία, τριχοειδή ηλεκτροφόρηση και ανοσοχημικές τεχνικές.

ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑΥΓΕΙΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Λουμινόλη H H 2 - - H - + 2 + hv H 2 H 2 CH 3-3 Λουσιγενίνη H 2 2 / H - + φως - 3 CH 3 CH 3 (MA) Οξαλικοί εστέρες R R H 2 2 / H - / φθοριστής - C 2 Φως

Παρασκευή κολλοειδών νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (ΙΙΙ) Τα κολλοειδή διαλύματα παρήχθησαν σε συσκευή υπερήχων με απλή ανάμειξη σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου και αλκαλικό υδατικό διάλυμα 8-υδροξυκινολίνης. Πιθανώς, η 8-υδροξυκινολίνη σχηματίζει με το άτομα του σιδήρου στην επιφάνεια του νανουλικού σταθερά χηλικά σύμπλοκα Οργανικοί συμπλοκοποιητές σιδήρου 2,2-διπυριδίνη ο,ο-φαινανθρολίνη 8-υροξυκινολίνη νιτριλοτριοξεικό οξύ Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3 Fe 2 3

Χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου Η ύπαρξη ανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου στα κολλοειδή διαλύματα επιβεβαιώθηκε με τη βοήθεια φασμάτων EDS, ενώ το μέγεθος των σωματιδίων και η μορφή τους από εικόνες που πάρθηκαν σε μικροσκόπιο ηλεκτρονικής διάθλασης (TEM). Η ύπαρξη μορίων 8-υδροξυκινολίνης στην επιφάνεια των κολλοειδών νανοσωματιδίων του οξειδίου του σιδήρου επιβεβαιώθηκε από φάσματα υπέρυθρου (FT-IR).

a C K Fe K CuK Intensity (a.u.) K Fe L 0 2 4 6 8 10 Energy (kev) b CuK Intensity (a.u.) C K K Fe L a K Fe K 0 2 4 6 8 10 Energy (kev) Φάσματα EDS νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (III) (Aldrich, ολική επιφάνεια 245 m 2 /g, μέγεθος σωματιδίων ~25 nm), μη συμπλοκοποιημένου (a) και συμπλοκοποιημένου (b) με μόρια 8-υδροξυκινολίνης Εικόνες TEM και SAD νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (III) (Aldrich, ολική επιφάνεια 245 m2/g, μέγεθος σωματιδίων ~25 nm), μη συμπλοκοποιημένου (a) και συμπλοκοποιημένου (b) μόρια με 8-υδροξυκινολίνης

Εικόνες ΤΕΜ νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου, χωρίς 8- υδροξυκινολίνη (αριστερή εικόνα) και με υδρόξυκινολίνη (δεξιά εικόνα) Εικόνες ΤΕΜ νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου επεξεργασμένα με 8- υδροξυκινολίνη.

Φάσματα υπερύθρου (FT-IR) νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου, χωρίς 8-υδροξυκινολίνη ( ), με 8-υδροξυκινολίνη ( ) και καθαρής 8-υδροξυκινολίνης ( ).

Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου (ολικό εμβαδόν και μέγεθος σωματιδίων) καθώς και η επίδραση αυτών στην ένταση και χρόνο εμφάνισης του χημειφωταυγούς σήματος της αντίδρασης της λουμινόλης με υπεροξείδιο του υδρογόνου. o Οξείδια σιδήρου(ιιι) Εμπορικά ή παρασκευασμένα από Ολική επιφάνεια (m 2 /g) Μέγεθος σωματιδίων (nm) Ένταση 1,2 χημειοφωταύγειας (mv) Χρόνος 1,2 εμφάνισης σήματος (min) 1 Άμορφο Fe 2 3 Fe 4 [Fe(C) 6 ] 3 (PB) 210 3-4 7766 2.3 2 α-fe 2 3 anotek 20 20-30 420 106.6 3 γ- Fe 2 3 anotek 43-2146 13.8 4 Μίγμα άμορφου Fe 2 3 (63%) και α-fe 2 3 (37%) FeC 2 4 2H 2 288 5-7 3909 6.6 5 Άμορφο Fe 2 3 FeC 2 4 2H 2 401 2-3 4943 4.8 6 Μίγμα άμορφου υπερπαραμαγνητικού Fe 2 3 (7%), α-fe 2 3 bulk (37%) και α-fe 2 3 surface (56%) FeC 2 4 2H 2 154 10-15 2652 12.7 7 Iron (III) oxide Aldrich 50-245 5-25 2122 17.9 8 Iron (II, III) oxide Aldrich > 60 22-30 1340 37.4 9 Iron (III) oxide Aldrich <5 μm 770 115.2 *Τυφλό πείραμα (χωρίς καταλύτη): Ένταση 447 mv, χρόνος εμφάνισης του σήματος 197.6 min; 1,2 μέσος όρος πέντε μετρήσεων. Συγκέντρωση λουμινόλης και υπεροξειδίου 1.66x10-5 και 3.33x10-2 M, αντίστοιχα.

Διαγράμματα Έντασης-χρόνου της χημειοφωταυγούς αντίδρασης της λουμινόλης με υπεροξείδιο του υδρογόνου παρουσία κολλοειδών νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (καταλύτες 1 μέχρι 9) και απουσία καταλυτών (τυφλό πείραμα, blank).

Σταθερότητα κολλοειδών διαλυμάτων νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου Διαγράμματα Έντασης-Χρόνου της χημειοφωταυγούς αντίδρασης της λουμινόλης με υπεροξείδιο του υδρογόνου παρουσία κολλοειδούς διαλύματος οξειδίου του σιδήρου σε διαφορετικές ημέρες (πειράματα σταθερότητας του καταλύτη).

Αναλυτικές εφαρμογές Ποσοτικός προσδιορισμός υπεροξειδίου του υδρογόνου Εκτίμηση αντιοξειδωτικής δράσης Σημ. Ως αντιοξειδωτικό χαρακτηρίζεται κάθε ένωση η οποία, ακόμα και σε πολύ μικρές ποσότητες σε σχέση με το οξειδούμενο υπόστρωμα, μπορεί να προκαλέσει σημαντική καθυστέρηση ή και ανάσχεση της οξείδωσης του υποστρώματος

Ποσοτικός προσδιορισμός υπεροξείδιο του υδρογόνου Υπολογίσθηκε από την εξίσωση: Log I CL = 5.21 ( 0.2) + 1.45 (± 0.09) log C Γραμμική περιοχή: 2.0 χ 10-3 μέχρι 0.1 mol L -1 Όριο ανίχνευσης: 1.25 x 10-3 mol L -1 RSD at 2.0 χ 10-3 mol L -1 : 6.2% (n=5) r =0.998 (n=5)

Αντιοξειδωτική δράση γνωστών αντιοξειδωτικών ουσιών (IC-50 και TC-50) από μετρήσεις χημειοφωταύγειας που προέκυψαν από μείωση της έντασης ή μείωση του χρόνου εμφάνισης του σήματος παρουσία διαφορετικών συγκεντρώσεων των αντιοξειδωτικών o Αντιοξειδωτικές ενώσεις Αντιοξειδωτική δράση (mol L -1 ) IC-50 a TC-50 a 1 Βιταμίνη E 1.97x10-3 2.94x10-3 2 Κυστείνη 5.93x10-3 4.21x10-3 3 Τυροσόλη 2.23x10-4 3.35x10-4 4 Χλωρογενικό οξύ 1.09x10-3 1.28x10-3 5 Κατεχίνη 1.66x10-4 7.48x10-4 6 Πυρρογαλικό οξύ 1.14x10-3 1.51x10-3 7 Καφείκό οξύ 3.99x10-4 5.18x10-4 8 Ασκορβικό οξύ 2.46x10-3 1.16x10-3 9 Γαλλικό οξύ 3.12x10-3 3.24x10-3 a IC-50 and TC-50 υπολογίσθηκαν από τις αντίστοιχες εξισώσεις που προέκυψαν από τις πρότυπες καμπύλες των αντιοξειδωτικών ενώσεων.

IC-50 0.0065 0.0060 0.0055 0.0050 0.0045 0.0040 0.0035 0.0030 0.0025 0.0020 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 catechin tyrosol caffeic acid chlorogenic acid pyrrogallic acid vitamine E Αντιοξειδωτικά ascorbic acid gallic acid cysteine -- Μοριακές δομές φαινολικών αντιοξειδωτικών και Αντιοξειδωτική δράση (IC-50 και TC-50) από μετρήσεις χημειοφωταύγειας που προέκυψαν από τη μείωση της έντασης ή τη μείωση του χρόνου εμφάνισης του σήματος παρουσία διαφορετικών συγκεντρώσεων των αντιοξειδωτικών

H + H. H 2 H 2 Λουμινόλη H 2 2 + H - H 2 1 2 H 2 H 2 - + H. 2 -. + 2 -. H 2 - - - C 2 - + Φως + - 2 C 2 H H 2 H 2 - H 2 Άλας του Αμινοφθαλικού οξέος (APA) - Fe 2 3 + H 2 Fe (II) + H 2 Weis reaction (1) H 2 + H - 2 - + H 2 (2) 2 - + luminol [luminol-peroxides] APA anion + 2 + light (3) Fe(II) + H 2 2 H + H 2 + H - + Fe(III) Fenton reaction (4) Προτεινόμενος μηχανισμός της χημειοφωταυγούς αντίδρασης της λουμινόλης με υπεροξείδιο του υδρογόνου παρουσία κολλοειδών νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου.

Συμπεράσματα Στα πλαίσια του προγράμματος αυτού δείξαμε ότι κολλοειδή διαλύματα νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (ΙΙΙ) μπορούν να παρασκευασθούν με απλή ανάδευση των σωματιδίων με 8-υδροξυκινολίνη σε μπάνιο υπερήχων και σε θερμοκρασία δωματίου. Εφαρμογή των καταλυτών στην χημειοφωταυγή αντίδραση της λουμινόλης αυξάνει την ένταση των σημάτων μέχρι 18 φορές και επιταχύνει την αντίδραση μέχρι 86 φορές. Ο καταλύτης με την μεγαλύτερη επίδραση στη αντίδραση χημειοφωταύγειας της λουμινόλης χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στην ανίχνευση του υπεροξειδίου του υδρογόνου με όριο ανίχνευσης 1.25 χ 10-3 mol L -1 καθώς επίσης για τον ποσοτικό προσδιορισμό και την εκτίμηση της αντιοξειδωτικής δράσης φαινολικών ενώσεων. Οι διυδροξυφαινόλες παρουσίασαν τη μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση.

Ευχαριστίες Ευχαριστούμε το Ερευνητικό Κέντρο Δημόκριτος για την οικονομική υποστήριξη του έργου ατα πλαίσια του προγράμματος «Δημοέρευνα 2005» Θερμές ευχαριστίες στου συναδέλφους και φοιτητές Δημήτρη Πετρίδη Νίκο Μπούκο Βασίλη Τζιτζιό Ελίνα Γιαννακοπούλου Θεόδωρο Τριάντη Διονύση Χριστοδουλέα