Elektrony i fotony - duet wszech czasów

Wraz z postępem technologicznym nowoczesne urządzenia są sprawniejsze jak nigdy dotąd. Dotyczy to wielu dziedzin nauki, nawet elektrochemicznego wykrywania wielu związków chemicznych. Jednak, pomimo rewolucji technologicznej, oznaczanie pojedynczych cząsteczek lub badanie ultraszybkich procesów na poziomie molekularnym jest nie lada wyzwaniem. Wszystko to wynika z tzw. limitu detekcji, czyli granicy poniżej której sygnał staje się mniejszy od szumu. W elektrochemii limit ten związany jest z minimalną liczbą elektronów, które można zaobserwować podczas przebiegu reakcji elektrochemicznej. Stanowi to poważny problem choćby dla elektrochemicznych urządzeń diagnostycznych, dlatego podejmowanych jest wiele wysiłków w celu znalezienia alternatywnych rozwiązań, które pozwolą zwiększyć limit detekcji i tym samym polepszyć czułość pomiaru elektrochemicznego. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) przedstawili nowe spojrzenie na ten problem pokazując, że przy odpowiedniej konfiguracji badanego układu można zwiększyć czułość pomiaru. Przyjrzyjmy się bliżej ich pracy.

Elektrochemia to dziedzina nauki zajmująca się związkiem między reakcjami chemicznymi a przepływem ładunku elektrycznego, mająca znaczenie w wielu dziedzinach nauki i życia codziennego. Istnieje kilka metod elektroanalitycznych, z których każda może być wykorzystana do badania wielu różnych procesów. Co z badaniem korozji? Nic prostszego, bowiem techniki elektrochemiczne wykorzystywane są do wykrywania powstawania wżerów o wielkości nawet kilku nanometrów w materiale pod wpływem warunków środowiskowych. A co z magazynowaniem energii? Baterie powszechnie używane w przenośnych urządzeniach elektronicznych, samochodach elektrycznych, ogniwa paliwowe, a nawet fotowoltaika także opierają się na procesach elektrochemicznych. Wykrywanie określonych cząsteczek w próbkach żywności lub z przemysłu farmaceutycznego, ściekach, a nawet płynach biologicznych może być wykonywane poprzez wychwytywanie określonych sygnałów elektrochemicznych. Dzięki temu możliwa jest dokładna ocena zawartości molekuł w badanej próbce.

Metody elektrochemiczne powszechnie stosowane w sensorach do wykrywania związków chemicznych z wysoką czułością zostały znacznie unowocześnione od czasu metod stosowanych przez Michaela Faradaya prawie dwa wieki temu. Naukowcy nieustannie starają się ułatwić nam życie, zwiększając czułość technik elektrochemicznych poprzez zwiększenie wcześniej wspomnianego limitu detekcji takich substancji chemicznych. Jednak, pomimo szerokiego zastosowania metod elektrochemicznych w życiu codziennym, wykrywanie pojedynczych cząsteczek czy też procesów redoks na poziomie molekularnym jest nadal wyzwaniem i wymaga nowych rozwiązań, aby poradzić sobie z małą liczbą elektronów przepływających przez układ podczas pomiaru. Obecne ograniczenia wynikają z termicznego i statystycznego ruchu elektronów w obwodach elektrycznych dających tzw. szum śrutowy. Co ciekawe, do zaobserwowania sygnału elektrochemicznego potrzeba ponad 2100 elektronów, zatem, aby sygnał elektrochemiczny był silniejszy od tła, konieczne jest by przynamniej kilka tysięcy cząsteczek przereagowało na elektrodzie. Tak duża liczba jest daleka od marzeń o wykrywaniu pojedynczych cząsteczek. Jednak, niemożliwe staje się możliwe.  Ograniczenie to można jednak pokonać, przekształcając ładunki  w fotony, które można wykryć nawet wtedy, gdy podczas pomiary wygenerowany zostaje choćby jeden foton.

Niedawno, w czasopiśmie Analytical Chemistry ukazał się artykuł autorstwa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) opisujący zwiększoną czułość w wykrywaniu procesów elektrochemicznych poprzez indukowanie procesu fluorescencji w zamkniętym układzie elektrochemicznym. Badacze przedstawili unikalną konfigurację układu, w którym utlenianie danej substancji w jednym naczyniu elektrochemicznym było wykorzystywane do jednoczesnego utleniania fotoczułej cząsteczki barwnika redoks, tzw. Amplex Red, w drugim naczyniu.

"Zademonstrowaliśmy wykorzystanie luminescencyjnej cząsteczki do pomiaru ładunków i porównaliśmy wydajność reakcji w różnych przedziałach czasu. Jest to duży krok w kierunku ilościowej konwersji sygnałów elektrochemicznych poniżej granicy wykrywalności na łatwiejsze w detekcji sygnały pochodzące od fotonów. Ten postęp poprawi czułość metod elektrochemicznych umożliwiając wykrywanie niższych stężeń analitu niż dotychczas". - wyjaśnił dr Steven Linfield, jeden z autorów badań.

Badacze w IChF PAN zmierzyli całkowity sygnał fluorescencji spowodowany przejściem ładunku w badanym układzie, a wyniki ujawniły liniową zależność między przepuszczonym ładunkiem a ilością fotonów w układzie, w zależności od długości trwania eksperymentu. Zamiast klasycznych elektrod użyto mikroelektrod m.in. ze względu na ich niską pojemność elektryczną i szybkie ustalenie warstwy dyfuzyjnej, co pozwoliło badaczom zbliżyć się do granicy wykrywalności substancji bez znacznej straty sygnału w postaci prądu pojemnościowego. Dodatkowo, zmieniano konfigurację pomiędzy połączeniem tychże elektrod.

"W naszej pracy przedstawiliśmy alternatywny układ pomiarowy, w którym fluorescencja jest indukowana elektrochemicznie na mikroelektrodach w zamkniętym dwubiegunowym ogniwie elektrochemicznym z układem trójelektrodowym. Aby mierzyć procesy elektrochemiczne w jednej części układu, musimy zrozumieć procesy, które mogą zachodzić w drugiej części układu w różnych konfiguracjach. Innymi słowy istotne jest zbadanie wpływu konfiguracji samego układu na mierzony sygnał". - komentuje dr Wojciech Nogala, główny badacz w projekcie.

Odpowiednie podłączenie elektrod w układzie nie tylko zapewnia możliwość bezpośredniej kontroli termodynamicznej procesów elektrochemicznych, ale także umożliwia generowanie cząsteczek zdolnych do emisji fluorescencji przez procesy redukcji lub utleniania zachodzące na elektrodach. Dzięki tym eksperymentom możliwe jest rejestrowanie prądów zbliżonych do granicy oznaczalności. Wynik ten może zrewolucjonizować mierzenie dyskretnych sygnałów wysyłanych przez wiele cząsteczek, które normalnie nie są wykrywalne przy użyciu klasycznych układów elektrochemicznych i otwiera możliwość detekcji związków o bardzo niskich stężeniach.

Gdzie zatem można zastosować wyniki tych badań? Cóż, jednym z zastosowań jest wykrywanie klinicznie istotnych biocząstek w niskich stężeniach, co może przybliżyć nas do wcześniejszego diagnozowania i leczenia różnych chorób. Innym może być detekcja określonych substancji chemicznych w żywności lub środowisku z większą czułością niż dotychczas. Wykrywanie cząsteczek z wyższą czułością może zwiększyć możliwości analityczne w różnych gałęziach przemysłu i może pomóc w opracowaniu nowych sensorów stosowanych na co dzień.

Niniejsza publikacja jest częścią projektu, który otrzymał dofinansowanie z programu badań i innowacji Unii Europejskiej Horyzont 2020 w ramach umowy grantowej nr 847413 Marii Skłodowskiej-Curie. Praca ta została również opublikowana w ramach międzynarodowego projektu współfinansowanego z programu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego "PMW" w latach 2020-2024; umowa nr 5005/H2020-MSCA-COFUND/2019/2, umowy Narodowego Centrum Nauki nr. UMO-2016/23/B/ST4/02868 oraz 2020/39/B/ST4/01523.

KONTAKTY:

Dr Steven Linfield, Dr Wojciech Nogala
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Telefon: +48 22 343 3375
e-mail: slinfield@ichf.edu.pl, wnogala@ichf.edu.pl

ARTYKUŁY NAUKOWE:

"Towards the detection limit of electrochemistry: Studying anodic processes with a fluorogenic reporting reaction"
S. Linfield, S. Gawinkowski, W. Nogala
Anal. Chem. (2023), 95, 30, 11227-11235
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c00694