Synthesis and Application of a Thiadiazole-Based Schiff Base pH Fluorescent Probe

في عالم الكيمياء، غالباً ما تُصمم الجزيئات لتعمل كرسل صغيرة، حيث تغير سلوكها عند مواجهة ظروف محددة في بيئتها. وأحد هذه الظروف الأكثر جوهرية هو الحموضة، وهي مقياس لعدد أيونات الهيدروجين الطافية في سائل ما. وبينما نقيس ذلك باستخدام شرائط بسيطة أو أجهزة إلكترونية في حياتنا اليومية، يبحث العلماء باستمرار عن أدوات أكثر تطوراً يمكنها رؤية الحموضة على مستوى مجهري، ربما داخل قطرة من عصير أو داخل خلية واحدة. ولتحقيق ذلك، يقومون بابتكار مجسات فلورية: وهي جزيئات صغيرة تتوهج عندما يتم استثارتها بالضوء. ويمكن لسطوع هذا التوهج أو لونه أن يتغير اعتماداً على ما إذا كان الجزيء في بيئة حمضية أو قلوية. وتتضمن إحدى الاستراتيجيات الشائعة لبناء هذه المستشعرات المتوهجة نوعاً معيماً من الهياكل الحلقية التي تحتوي على النيتروجين والكبريت، والمعروف باسم "ثياديازول". وعندما يتم ربط هذه الحلقة بأجزاء أخرى من الجزيء عبر رابط مرن، يمكنها تحريك الإلكترونات بطريقة تجعل الهيكل بأكم له يتوهج بشكل مختلف عندما يلتقط أيون هيدروجين.

قام فريق من الباحثين في جامعة شانشي للعلوم والتكنولوجيا بتطوير نسخة جديدة من هذا المستشعر المتوهج، أطلقوا عليه اسم TDP. ويركز عملهم على هدفين رئيسيين: إنشاء الجزيء بطريقة صديقة للبيئة، وإثبات أنه يعمل بموثوقية لقياس الحموضة في السوائل الواقعية مثل مشروبات الفاكهة. إن الطرق التقليدية لصنع هذه المستشعرات الكيميائية غالباً ما تتطلب غلي كميات كبيرة من المذيبات السامة لساعات، مما يخلق نفايات ويصعب إدارتها. أراد الباحثون تجنب ذلك؛ وبدلاً من ذلك، استخدموا طريقة تعتمد على طحن المكونات الصلبة معاً في هاون، تماماً مثل سحق التوابل، ولكن دون أي مذيبات سائلة. قاموا أولاً ببناء مكون أساسي عن طريق تفاعل مواد كيميائية مع حمض مركز، ثم خلطوا هذا الوسيط مع مادة كيميائية أخرى وطحنوهم معاً حتى شكلوا المستشعر النهائي. كانت هذه العملية سريعة، وأنتجت القليل جداً من النفايات، وأسفرت عن كمية عالية من المنتج المطلوب.

تم تصميم جزيء TDP الناتج بهندسة محددة تسمح له باستشعار محيطه. فهو يتميز بحلقة مركزية تعمل كمانح للإلكترونات، متصلة بمستقبل للإلكترونات عبر جسر يتضمن رابطة مزدوجة بين النيتروجين والكربون. هذه الرابطة المزدوجة هي النقطة الحرجة حيث يتفاعل الجزيء مع الحموضة. عندما يكون الجزيء في محلول حمضي، يتصل أيون هيدروجين بذرة النيتروجين الموجودة على هذا الجسر. ويغير هذا الارتباط كيفية حركة الإلكترونات عبر الجزيء، وهي عملية تُعرف باسم "انتقال الشحنة داخل الجزيء". يتسبب هذا التحول في جعل الجزيء يمتص الضوء بشكل مختلف، والأهم من ذلك، يجعله يتوهج بسطوع أكبر عند لون محدد. اختبر الباحثون هذا السلوك عبر نطاق واسع من مستويات الحموضة، من شديد الحموضة إلى القلوي الخفيف، ووجدوا أن سطوع التوهج يتغير بسلاسة وبشكل يمكن التنبؤ به مع تغير الحموضة.

لفهم كيفية عمل هذا الاستشعار بدقة، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية قوية للنظر في بنية الجزيء ومستويات الطاقة الخاصة به. وقد أكدت هذه المحاكاة أن أيون الهيدروجين يتصل بالنيتروجين الموجود على الرابطة المزدوجة، وليس بالحلقة التي تحتوي على الكبريت كما قد يخمن البعض. هذا الارتباط يقلل الفجوة الطاقية بين حالات إلكترونات الجزيء، مما يفسر سبب تحول الضوء المنبعث وتكثفه. وأظهرت النماذج الحاسوبية أن هذه العملية عكسية، مما يعني أن الجزيء يمكنه ترك أيون الهيدروجين عندما تصبح البيئة أقل حموضة والعودة إلى حالته الأصلية. هذه العكسية أمر بالغ الأهمية لمستشعر يحتاج إلى الاستخدام بشكل متكرر. وقد تحقق الفريق من ذلك عبر تغيير حموضة محاليل الاختبار يدوياً ذهاباً وإياباً خمس مرات، ملاحظين أن التوهج يعود إلى قوته الأصلية في كل مرة دون خفوت أو تأخر.

اختبر الباحثون أيضاً ما إذا كانت مواد أخرى في السائل قد تسبب ارتباكاً للمستشعر. فقد أضافوا مختلف الأيونات الشائعة الموجودة في الماء وأنواعاً مختلفة من الأحماض الأمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات، إلى المحلول. ظل المستشعر غير متأثر، واستمر في الاستجابة لمستوى الحموضة فقط. يشير هذا إلى أن الجزيء يتميز بخصوصية عالية ولن يعطي قراءة خاطئة في حال وجود مواد كيميائية أخرى. وأخيراً، نقل الفريق المستشعر من المختبر إلى العالم الحقيقي عبر اختباره على أربعة أنواع مختلفة من المشروبات التجارية، بما في ذلك المشروبات بنكهة الليمون ومياه الكتروليت (المشروبات الرياضية). قاموا بخلط المستشعر مع المشروبات وقاسوا التوهج. جاءت النتائج متطابقة تقريباً مع القراءات المأخوذة بواسطة مقياس pH إلكتروني قياسي، مع تباين ضئيل جداً بين الاختبارات المتكررة. وهذا يثبت أن المستشعر يمكنه قياس حموضة السوائل المعقدة والواقعية دون الحاجة إلى تخفيفها أو تنظيفها أولاً.

يخلص العمل إلى أن هذا المستشعر الجديد ليس فعالاً فحسب، بل هو عملي أيضاً. فمن خلال الجمع بين عملية تصنيع خضراء خالية من المذيبات وتصميم حساس وعكسي ومقاوم للتداخل، نجح الباحثون في ابتكار أداة يمكن أن تكون مفيدة لمراقبة سلامة الغذاء وجودة المياه البيئية. لقد نجح الجزيء في سد الفجوة بين التصميم الكيميائي المعقد والتطبيق البسيط والموثوق، مما يوفر وسيلة لرؤية الحموضة تكون دقيقة ومسؤولة بيئياً في آن واحد.