A simple 2,4-dihydroxyacetophenone based fluorescent chemosensor for detection of copper(II) ion: An Experimental and DFT study

النحاس معدن شكل تاريخ البشرية، من أدوات العصر البرونزي إلى أسلاك المدن الحديثة. وهو ضروري للحياة، حيث يساعد الجسم على تنظيم الإنزيمات والحفاظ على نظام عصبي سليم، ومع ذلك يصبح خطيراً عندما يتواجد في الماء بمستويات عالية. يمكن أن يؤدي الكثير من النحاس إلى مشا ك صحية خطيرة، كما يمكن أن يؤدي القليل منه أيضاً إلى الضرر. وبسبب هذا التوازن الدقيق، يسعى العلماء باستمرار لإيجاد طرق أفضل للكشف عن النحاس في إمدادات المياه لدينا. غالباً ما تتطلب الطرق التقليدية للعثور على هذه الكميات الضئيلة من المعدن أجهزة باهظة الثمن، وإجراءات معقدة، وفترات انتظار طويلة. وقد دفع هذا الباحثين للبحث عن بدائل أبسط وأسرع يمكن استخدامها مباشرة في الميدان أو في مختبر قياسي دون ميزانية ضخمة.

يتضمن أحد النهج الواعدة استخدام الضوء. فبعض المركبات الكيميائية تتوهج عند تعرضها لأطوال موجية محددة من الضوء، وهي ظاهرة تُعرف باسم الفلورة (الوميض). إذا أمكن تصميم مستشعر كيميائي يغير توهجه عند مواجهة أيون معدني محدد، فإنه يصبح أداة قوية للكشف. في هذه الدراسة الجديدة، طور باحثون من جامعة مالكند في باكستان مثل هذا المستشعر باستخدام مركب يعتمد على بنية كيميائية شائعة تسمى "بيس-شيف بيس" (bis-Schiff base). لقد ابتكروا جزيئاً يعمل مثل مفتاح الضوء، حيث يتوهج بسطوع حتى يلتقي بأيونات النحاس، وعند تلك النقطة ينطفئ الضوء. توفر آلية "الإيقاف" (turn-off) هذه إشارة بصرية واضحة على وجود النحاس، مما يوفر طريقة فعالة من حيث التكلفة وموثوقة لمراقبة جودة المياه.

قام الباحثون بتخليق جزيء محدد، وهو "بيس-شيف بيس" مشتق من مركب عضوي بسيط، ليعمل كمستشعر لهم. وعند إذابته في خليط من الماء والميثانول، يتوهج هذا الجزيء بلون أصفر باهت مميز تحت الأشعة فوق البصفراء. اختبر الفريق كيفية سلوك هذا المستشعر عند تعرضه لأيونات معدنية مختلفة، بما في ذلك الرصاص والزئبق والزنك. وفي كل الحالات تقريباً، ظل التوهج دون تغيير. ومع ذلك، عندما تم إدخال أيونات النحاس، انخفضت الفلورة بشكل كبير. كان المستشعر عالي الانتقائية، حيث تجاهل المعادن الأخرى وتفاعل فقط مع النحاس. هذه النوعية أمر بالغ الأهمية، حيث تحتوي عينات المياه في العالم الحقيقي غالباً على مزيج من الأيونات المختلفة التي قد تربك الكواشف الأقل دقة.

لضمان عمل المستشعر في ظروف واقعية، قام الفريق بتعديل حموضة الماء، المعروفة بالرقم الهيدروجيني (pH)، لإيجاد البيئة المثالية للكشف. واكتشفوا أن المستشعر يعمل بشكل أفضل في محلول قاعدي قليلاً، وتحديداً عند رقم هيدروجيني قدره 8. في الظروف شديدة الحموضة أو المتعادلة، واجه الجزيء صعوبة في الارتباط بالنحاس، ولكن في البيئة القاعدية قليلاً، أصبح التفاعل قوياً وفورياً. لاحظ الباحثون أيضاً أن المستشعر يعمل جيداً حتى عندما يحتوي الماء على مواد أخرى، مما يثبت أنه يمكنه العمل بشكل موثوق في مخاليط معقدة مثل مياه الصنبور أو مياه الأنهار. حدث التفاعل بسرعة، وظل المستشعر مستقراً بمرور الوقت، مما يعني أن النتائج لم تتلاشَ أو تنحرف مع تقدم التجربة.

إن حساسية هذا المستشعر الجديد مذهلة. فقد حسب الفريق أنه يمكنه اكتشاف النحاس بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.02 ميكروغرام لكل ميلي لتر. هذا المستوى من الحساسية يقل بكثير عن حدود السلامة التي وضعتها المنظمات الصحية لمياه الشرب، مما يعني أن المستشعر يمكنه رصد التلوث قبل وقت طويل من تحوله إلى خطر صحي. وللتحقق من هذه النتائج، طبق الباحثون الطريقة على عينات مياه حقيقية جُمعت من صنابير وبرك محلية. لقد أضافوا كميات معروفة من النحاس إلى هذه العينات وقاسوا مدى قدرة المستشعر على إيجادها. كانت النتائج متسقة، حيث نجح المستشعر في استعادة ما بين 90 و101 بالمائة من النحاس المضاف. تشير معدل الاستعادة العالي هذا إلى أن الطريقة دقيقة بما يكفي للاستخدام العملي في المراقبة البيئية.

لفهم كيفية عمل المستشعر بدقة على المستوى الجزيئي، لجأ الفريق إلى المحاكاة الحاسوبية. سمحت هذه النماذج الرقمية بتصور كيفية تفاعل ذرة النحاس مع جزيء المستشعر. كشفت عمليات المحاكاة أن أيون النحاس يرتبط بقوة بنقاط محددة في المستشعر حيث توجد ذرات الناتروجين والأكسجين. تغير عملية الارتباط هذه البنية الإلكترونية للجزيء، مما يؤدي فعلياً إلى إيقاف توهجه. كما أظهرت النماذج الحاسوبية أن الرابطة المتكونة بين النحاس والمستشعر كانت قوية ومستقرة، مما أكد الملاحظات التجريبية. ومن خلال الجمع بين التجارب الفيزيائية وهذه الرؤى النظرية، بنى الباحثون صورة كاملة لعملية الكشف.

تخلص الدراسة إلى أن هذا المستشعر الجديد يقدم طريقة بسيطة وسريعة ومنخفضة التكلفة للكشف عن النحاس في الماء. وخلافاً للعديد من الطرق التي تتطلب آلات معقدة أو تواجه صعوبة في العمل في الماء، يعمل هذا المستشعر بشكل جيد في البيئات المائية ويوفر إشارة واضحة. إن القدرة على اكتشاف النحاس عند هذه المستويات المنخفضة، جنباً إلى جنب مع مقاومته للتداخل من المعادن الأخرى، تجعل منه أداة قيمة لضمان سلامة موارد المياه. ومع تزايد الطلب على المياه النظيفة، توفر أدوات كهذه حلاً عملياً لمراقبة جودة المياه التي نشربها ونستخدمها يومياً.