The Kinetics of the ZnO Catalysed Photodegradation of Aspirin under UV Irradiation

إن المياه التي تتدفق عبر مدننا وأنهارنا تحمل بشكل متزايد آثار الأدوية التي نتناولها. فعندما نبتلع قرصاً لتسكين الألم أو الالتهاب، يقوم جسمنا بمعالجته، ولكن لا يتم تفكيك الجزء كله. يغادر الجزء المتبقي أجسادنا ويدخل إلى مياه الصرف الصحي، حيث يمكن أن يستمر في البيئة، مما قد يضر بالحياة المائية ويخل بالنظم البيئية. أحد أكثر العقاقير شيوعاً والتي توجد في هذه المياه هو الأسبرين، وهو دواء يستخدمه الملايين لعلاج الألم وحماية القلب. وبينما هو آمن للبشر في الجرعات المدروسة، فإن وجوده في المسطحات المائية الطبيعية يشكل قلقاً متزايداً لعلماء البيئة. ويكميد التحدي في إيجاد طريقة لتفكيك هذه المركبات الكيميائية المستعصية إلى مواد غير ضارة مثل الماء وثاني أكسيد الكربون دون خلق سموم جديدة في العملية.

ولمعالجة ذلك، يتجه الباحثون إلى فرع من العلوم يسمى التحفيز الضوئي. تخيل مادة تعمل كآلة صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية. عندما يسقط الضوء على هذه المادة، فإنه يولد شحنة كهربائية يمكنها تمزيق الجزيئات المعقدة. أكسيد الزنك، وهو مسحوق أبيض يُستخدم غالباً في واقيات الشمس والدهانات، هو أحد هذه المواد. وعند طحنه إلى جسيمات نانوية — وهي جزيئات صغيرة جداً تُقاس بأجزاء من المليار من المتر — يصبح فعالاً للغاية في هذه المهمة. والهدف هو استخدام هذه الجسيمات النانوية، المغمورة بالأشعة فوق البنفسجية، لتعمل كمحفز يسرع عملية تدمير الأسبرين في الماء، محولاً ملوثاً مستمراً إلى شيء حميد.

في دراسة حديثة، وضع علماء في جامعة علي مسلم في ألجاه (Aligarh Muslim University) في الهند نصب أعينهم اختبار مدى فعالية هذه العملية بالنسبة للأسبرين. بدأوا بإنشاء دفعتهم الخاصة من جسيمات أكسيد الزنك النانوية. وباستخدام طريقة تضمنت خلط محاليل كيميائية وتسخينها، أنتجوا مسحوقاً ناعماً. وللتأكد من أنهم صنعوا المادة الصحيحة، فحصوها باستخدام مجاهر قوية وماسحات ضوئية. أكدت هذه الأدوات أن الجسيمات كانت بالفعل أكسيد الزنك، مرتبة في بنية بلورية محددة، بمتوسط حجم يبلغ 32 نانومتر. كما فحص الباحثون سطح الجسيمات، ووجدوا أنها مغطاة بجزيئات ماء صغيرة ولديها الروابط الكيميائية المتوقعة، مما أكد جاهزيتها للتجربة.

بعد ذلك، وضع الفريق هذه الجسيمات النانوية في وعاء يحتوي على ماء ممزوج بالأسبرين وسلطوا عليه الأشعة فوق البنفسجية. كانوا يعلمون من أعمال سابقة أن الأشعة فوق البنفسجية وحدها لا يمكنها تفكيك الأسبرين، وأن الجسيمات النانوية وحدها، بدون ضوء، لن تفعل الكثير. كان الجمع بين الاثنين هو الأمر الجوهي. فبينما كان الضوء يصطدم بأكسيد الزنك، أدى ذلك إلى تحفيز تفاعل ولد جزيئات شديدة التفاعل تسمى جذور الهيدروكسيل. هذه الجذور تشبه عمال تنظيف صغيرين وعدوانيين يهاجمون جزيئات الأسبرين، ويكسرون روابطها الكيميائية وفي النهاية يحولونها إلى مكونات بسيطة وغير ضارة.

ولإيجاد أفضل طريقة لإجراء عملية التنظيف هذه، اختبر الباحثون عدة متغيرات. أولاً، بحثوا في كمية مسحوق أكسيد الزنك الواجب استخدامها. ووجدوا أن إضافة المزيد من المسحوق ساعدت في البداية على تسريع التفاعل، لأن هناك المزيد من الأسطح التي يمكن للضوء أن يصطدم بها والمزيد من الأماكن لتشكل جذور التنظيف. ومع ذلك، كان هناك حد معين. فبمجرد إضافة أكثر من 50 ملليغرام من المسحوق إلى عينة الـ 50 مللي لتر الخاصة بهم، تباطأت سرعة التفاعل في الواقع. وشرح العلماء أن وجود الكثير من المسحوق يجعل الماء عكراً؛ وهذه العكارة تحجب الضوء عن الوصول إلى الجسيمات في عمق الخليط، كما أن الجسيمات نفسها يمكن أن تتكتل، مما يخفي أسطحها النشطة. الأمر يشبه محاولة الرؤية من خلال ضباب كثيف جداً؛ حيث لا يستطيع الضوء اختراقه للقيام بعمله.

بعد ذلك، اختبروا كيف تؤثر كمية الأسبرين في الماء على العملية. فقد قاموا بتغيير تركيز الدواء من كمية منخفضة جداً إلى كمية أعلى. ولاحظوا أنه مع زيادة كمية الأسبرين، زاد معدل تدميره أيضاً. حدث هذا لأن جذور التنظيف، التي تُنتج بمعدل ثابت بواسطة الضوء والمسحوق، لديها أهداف أكثر للهجوم عليها. ومع وجود المزيد من جزيئات الأسسبيرين تطفو حولها، كانت الجذور أقل عرضة لإضاعة طاقتها من خلال الاصطدام ببعضها البعض وأكثر عرضة للعثور على جزيء دواء لتفكيكه.

أخيراً، استقصى الفريق مدى حموضة الماء، وهو عامل حاسم في كيفية سلوك هذه التفاعلات الكيميائية. أضافوا حمضاً معيناً إلى الخليط لمعرفة كيف يؤثر مستوى الأس الهيدروجيني (pH) على النتيجة. أظهرت النتائج ذروة أداء متميزة. فقد عمل التفاعل بشكل أفضل عندما كان تركيز الحمض عند مستوى متوسط محدد. وإذا كان الماء شديد الحموضة، فإن الكفاءة تنخفض. ويعتقد الباحثون أن هذا بسبب تدخل أيونات الحمض الكثيرة في جذور التنظيف، مما يحولها إلى أشكال أقل فعالية، أو لأن الحمض يبدأ في إذابة جسيمات أكسيد الزنك نفسها، مما يلحق الضرر بالمحفز.

طوال التجربة، تتبع الباحثون عملية تفكك الأسبرين من خلال قياس كمية الدواء المتبقية في أوقات مختلفة. كما استخدموا تقنية متطورة تسمى مطياف الكتلة لتحديد الخطوات الوسيطة للعملية. ووجدوا أن الأسبرين يتفكك أولاً إلى حمض الساليسيليك وحمض الخليك، وهي مركبات أبسط. ثم تستمر هذه المركبات في التفكك إلى جزيئات أصغر مثل الهيدروكينون وحمض الميوكونيك، قبل أن تتحول في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون وماء. وقد أكد هذا أن العملية لم تكن مجرد إخفاء للدواء بل كانت تدميراً حقيقياً له.

تخلص الدراسة إلى أن جسيمات أكسيد الزنك النانوية هي أداة فعالة للغاية لتنظيف الأسبرين من الماء، بشرط إدارة الظروف بعناية. وتعمل العملية بشكل أفضل مع كمية محددة من المحفز، ومستوى متوسط من الحموضة، وإمداد ثابت من الأشعة فوق البنفسجية. وبينما أشار الباحثون إلى أن العملية تستغرق وقتاً — حيث تصل إلى إزالة تزيد عن 90 في المائة بعد عدة أيام — إلا أنها تقدم طريقة خضراء واعدة للتعامل مع التلوث الدوائي. ومن خلال فهم مقدار المحفز الذي يجب استخدامه وكيفية ضبط كيمياء الماء، يمكن لهذا النهج أن يساعد يوماً ما في الحفاظ على مجارينا المائية خالية من الآثار المتبقية من الأدوية التي نعتمد عليها.