Zwykle zmierzenie odczynu pH nie jest problemem. Jak jednak zbadać zmiany kwasowości czy zasadowości zachodzące w skali nano, na przykład tuż przy powierzchni, na której dopiero tworzą się pierwsze wżery rdzy? Nowatorską metodę pomiaru pH w nanoskali właśnie zaprezentowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. W warszawskim IChF PAN powstał nanoczujnik przeznaczony do ciągłego monitorowania zmian współczynnika pH. Użyty jako sonda mikroskopu skaningowego, przyrząd pozwala na precyzyjne pomiary zmian kwasowości/zasadowości zachodzących nad bardzo małymi fragmentami powierzchni próbki zanurzonej w roztworze. Rozdzielczość przestrzenna sięga tu zaledwie 50 nanometrów i w przyszłości może być jeszcze zredukowana. Prace nad budową nanoczujnika sfinansowano z grantu Iuventus Plus Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i zrealizowano w kooperacji z Uniwersytetem Carla von Ossietzkyego w Oldenburgu w Niemczech.
Dotychczas nie istniały przyrządy zdolne do detekcji zmian pH w tak małej, sięgającej nanometrów skali. „Za pomocą naszego nanoczujnika jesteśmy w stanie mierzyć pH z rozdzielczością zbliżoną do średnicy elektrody węglowej przesuwanej nad powierzchnią próbki, czyli obecnie 50 nm. Współczynnik pH wyznaczamy w zakresie od 2 do 12 i z dokładnością do setnych części, a jego zmiany potrafimy monitorować na bieżąco, nawet kilkadziesiąt razy na sekundę”, opisuje dr Wojciech Nogala (IChF PAN), jeden ze współautorów osiągnięcia. Wytwarzanie nanoelektrody węglowej zaczyna się od podgrzania wiązką światła laserowego cienkiej kwarcowej rurki. W odpowiednio dobranej temperaturze kwarc staje się plastyczny i rurkę można ostrożnie rozciągać, co skutkuje zmniejszaniem się jej średnicy. Ostatecznie proces prowadzi do powstania szklanego ‚włosa’ o zewnętrznej średnicy ok. 100 nm, z wewnętrznym tunelem średnicy ok. 50 nm. Po uformowaniu tak cienkiej pipety jest ona otaczana atmosferą argonu. W pipetę wpuszcza się następnie mieszaninę propanu i butanu i przeprowadza ich pirolizę, czyli rozkład w wysokiej temperaturze. Wskutek stopniowo zachodzącej pirolizy na wewnętrznych ściankach pipety osadza się węgiel (brak tlenu uniemożliwia jego spalenie). Prowadzona uważnie i dostatecznie długo, piroliza całkowicie wypełnia wnętrze nanopipety węglem, tworząc z niego długi i niezwykle cienki pręt.
„Technologia produkcji ultracienkich elektrod węglowych jest znana od kilku lat i stosowana w paru ośrodkach badawczych na świecie. Jednak tak otrzymana elektroda nie nadaje się do mierzenia pH. Musieliśmy ją zmodyfikować czymś, co reagowałoby na zmiany stężeń protonów i jonów wodorotlenowych. W tym celu sięgnęliśmy po związek chemiczny znany jako syryngaldazyna”, wyjaśnia doktorantka Magdalena Michalak (IChF PAN). Cząsteczka syryngaldazyny może zostać elektrochemicznie utleniona: pozbywa się wtedy dwóch elektronów i dwóch protonów. Ponieważ reakcja jest odwracalna, utlenioną syryngaldazynę można zredukować do pierwotnej postaci poprzez przyłączenie z otoczenia dwóch protonów i dwóch elektronów. Dla naukowców z IChF PAN najważniejszy był fakt, że potencjał reakcji utleniania/redukcji syryngaldazyny zależy od pH roztworu i zmienia się o 59 miliwoltów na każdą jednostkę pH. Po osadzeniu cząsteczki syryngaldazyny na zakończeniu elektrody węglowej pomiar pH można więc było sprowadzić do uważnego monitorowania zmian w przepływie prądu w zależności od przyłożonego napięcia. (kk)
(http://ichf.edu.pl/, 9.03.2016)