Считается, что лед сыграл решающую роль в возникновении жизни. Одна из причин заключается в том, что органические молекулы могут быть исключены из промежутков между кристаллическими решетками упорядоченно расположенными молекулами воды, что приводит к концентрации органических соединений. Однако современные методы изучения органических молекул во льду, такие как рамановская и инфракрасная спектроскопия, в основном ограничиваются спектроскопическими методами на основе поглощения, что ограничивает чувствительность измерений.
Исследовательская группа под руководством профессора ЧЖАН Гоцина, профессора ЛЮ Шиюна, профессора ЧЖОУ Сяого и исследователя ЧЖАН Сюэпэна из Китайского университета науки и технологий (USTC) разработала метод обнаружения микроструктур воды и льда с использованием органических фосфоресцентных зондов и фосфоресценционной спектроскопии. Их работы были опубликованы в Angewandte Chemie .
Команда предложила эмиссионный метод изучения органических молекул в водяном льду. Они использовали состояние гидратации фосфоресцентного зонда, иодида акридиния (ADI), для определения микроструктурных изменений водяного льда (т. е. кристаллического по сравнению со стекловидным). Микроструктуры водяного льда могут быть в значительной степени обусловлены следовым количеством водорастворимых органических молекул. В частности, если водяной лед остается аморфным при низких температурах, катион AD + и анион I — зонда ADI будут разделены связанными молекулами воды, демонстрируя долгоживущую фосфоресценцию и видимое зеленовато-желтое послесвечение. В то время как в упорядоченном кристаллическом льду молекулы зонда ADI агрегируют, вызывая кратковременную красную фосфоресценцию через эффект тяжелого атома йода.
Спектры эмиссии выявили отчетливые спектроскопические изменения в водном растворе ADI при добавлении малых молекул этиленгликоля (EG) и монодисперсных полимеров EG (PDI=1). Добавление следовых количеств EG (0,1%) приводит к появлению полосы флуоресценции около 480 нм, сопровождаемой более интенсивной полосой фосфоресценции с хорошо разрешенными вибронными прогрессиями при 555, 598 и 648 нм. Спектральные результаты показали, что добавление EG привело к трансформации молекул ADI в водном льду из нерастворенных агрегатов в растворенные ионные состояния.
Для подтверждения выводов фосфоресценции спектроскопии, низкотемпературные изображения сканирующей электронной микроскопии (Cryo-SEM) показали, что добавление следа EG в водный лед, содержащий ADI, привело к появлению локальных областей с пористой микроструктурой. Между тем, низкотемпературные спектры Рамана (LT-Raman) подтвердили, что добавление следа EG было достаточным, чтобы вызвать сдвиг OH-колебания водяного льда из низкочастотного кристаллического состояния в высокочастотное стеклообразное состояние.
Это исследование обнаружило, что добавление следовых количеств малых или больших молекулярных органических веществ в воду может значительно подавить кристаллический порядок водяного льда с помощью более удобной и чувствительной фосфоресцентной спектроскопии. Более того, фосфоресцентная спектроскопия может также выявить морфологические различия в микроструктурах воды и льда, когда в воду добавляются следовые количества органических веществ с различными структурами и одинаковой концентрацией, что согласуется с Рамановской спектроскопией и сканирующей электронной микроскопией, предоставляя новое техническое средство для изучения взаимодействий вода-лед-органика при более низкой концентрации и более широком диапазоне температур.
