Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

Jak związki boru mogą pomóc w odkażaniu powierzchni?

Zdjęcie z mikroskopu konfokalnego; widoczne jest wnikanie fotouczulacza do wnętrza mikroorgainzmu

Zdjęcie z mikroskopu konfokalnego. Widoczne jest wnikanie fotouczulacza do wnętrza mikroorgainzmu.

Oddziaływanie światła z materią jest jednym z najbardziej fascynujących procesów zachodzących w przyrodzie. Jednym z obszarów, w którym te zjawiska są w szczególności interesujące, jest chemia i fizyka związków fotoaktywnych. Grupa naukowców z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej pracuje nad nową koncepcją zaprojektowania efektywnych fotouczulaczy, których główną rolą jest wytwarzanie reaktywnych form tlenu z docelowym zastosowaniem w procesach oczyszczania wody oraz w medycynie.

Posłuchaj o projekcie >>>

Tlen singletowy (1O2) jest reaktywną formą tlenu, szeroko występującą w przyrodzie, szkodliwą dla organizmów z uwagi na wysoką reaktywność oraz brak specyficzności działania. Kontrolowane wykorzystanie jego naturalnych właściwości zmienia to niebezpieczne indywiduum w uniwersalny utleniacz i umożliwia jego wykorzystanie zarówno w otrzymywaniu lub rozkładzie różnego rodzaju związków chemicznych, jak i w medycynie, w tym w szczególności w terapii leczenia nowotworów oraz jako uniwersalny, nieinwazyjny środek odkażający.

Jedną z metod generowania tlenu singletowego jest zastosowanie fotouczulaczy, które po wzbudzeniu światłem mogą przekazać nadmiarową energię cząsteczkom tlenu w stanie podstawowym (występującym naturalnie w atmosferze). Przy takim podejściu konieczne jest, aby cząsteczka fotouczulacza po wzbudzeniu mogła przejść do stanu trypletowego, który następnie może wejść w oddziaływanie z trypletowym stanem podstawowym O­2. Większość dotychczas stosowanych fotouczulaczy opiera swoje działanie na wykorzystaniu efektu ciężkiego atomu występującego w strukturze cząsteczki. Wprowadzenie atomu I, Pt, Ru lub Pd następuje jednak kosztem znacznego zwiększenia toksyczności związku, jego szkodliwości dla środowiska, a dodatkowo koszty wytworzenia takich związków są bardzo duże, co w znacznym stopniu ogranicza możliwości ich praktycznego zastosowania.

Nowe spojrzenie

Z tego powodu uwaga wielu badaczy jest obecnie skupiona na czysto-organicznych fotouczulaczach, których działanie wynika ze specyficznej budowy cząsteczki chemicznej. To jednak wymaga starannego wypracowania zasad projektowania takich układów, które często nie mają uniwersalnego charakteru, ograniczając się do pewnych wąskich rodzin związków chemicznych. Ze względu na prostotę syntezy oraz możliwość sterowania budową i właściwościami związku, świetnymi kandydatami mogącymi spełniać stawiane wymogi funkcjonalności wydają się związki kompleksowe boru.

– Kompleksy związków boru z ligandami posiadającymi sprzężony układ wiązań są znane od wielu lat i są szeroko badane pod kątem swoich właściwości luminescencyjnych – mówi dr inż. Krzysztof Durka z Wydziału Chemicznego PW. – Jednakże, poza kilkoma wyjątkami, nie posiadają one właściwości fotouczulających. Mój zespół wykorzystał nowatorskie podejście w projektowaniu tego typu fotouczulaczy. Przeprowadzone przez nas badania wykazały, że kluczowe jest tutaj zastosowanie kompleksów boroorganicznych o architekturze „spiro”, gdzie część boroorganiczna pełni rolę donora, zaś ligand akceptora ładunku, a atom boru jest naturalnym separatorem między tymi jednostkami - wyjaśnia.

Boroorganiczne fotouczulacze badane w projekcie

Boroorganiczne fotouczulacze badane w projekcie

Jest to zupełnie nowe spojrzenie na ten temat. Związki te nie były wcześniej brane pod uwagę, gdyż główna uwaga badaczy była skupiona wyłącznie na wprowadzaniu zmian w strukturze liganda. Zaproponowana strategia ma uniwersalny charakter i nie jest ograniczona do żadnego typu liganda, chociaż wyraźnie widoczne są zależności pomiędzy elektronową budową związku a jego właściwościami fotouczulającymi.

– Spośród ogromnego bogactwa potencjalnych fotouczulaczy, a jest ich około kilka tysięcy, chcielibyśmy skupić się na tych najbardziej aktywnych. Drogą do ich znalezienie jest zrozumienie podstaw ich działania oraz wypracowanie zależności pomiędzy strukturą związku a jego właściwościami – mówi mgr inż. Paulina H. Marek, uczestniczka projektu.

W tym celu zespół prowadzi również szereg obliczeń kwantowo-mechanicznych oraz badań spektroskopowych, których celem jest poznanie mechanizmów stojących za generowaniem stanów trypletowych.

Wytworzone materiały fotoaktywne w świetle dziennym oraz podświetlone lampą UV

Wytworzone materiały fotoaktywne w świetle dziennym oraz podświetlone lampą UV

Możliwości zastosowania

Warto zaznaczyć, że optymalne parametry pracy zaproponowanych fotokatalizatorów osiągane są przy jego zawartości na poziomie zaledwie 0.05 mol% przy konwersji modelowego substratu 100% w przedziale czasowym 20-120 min. Badania mają na celu osadzenie układu fotoaktywnego na podłożu stałym. Prowadzi to do uzyskania katalizatorów heterogenicznych. W celu zbadania ich właściwości fotokatalitycznych zbudowano specjalny reaktor, który w kontrolowany sposób pozwala na przeprowadzenie wielu reakcji testowych jednocześnie przy naświetlaniu światłem o odpowiedniej długości fali z zachowaniem stałych warunków temperatury i przepływu powietrza. Przeprowadzone badania dają obiecujące wyniki wykorzystania otrzymanych materiałów w procesach oczyszczania wód z zanieczyszczeń ścieków przemysłu farmaceutycznego. Poza tym otrzymane materiały są badane pod kątem działania antymikrobiologicznego.

Fotoreaktor zbudowany na potrzeby projektu

Fotoreaktor zbudowany na potrzeby projektu

Warto również zwrócić uwagę, że tlen singletowy działa niespecyficznie, do jego wytworzenia potrzebny jest tylko fotouczulacz i światło słoneczne, a jego czas życia jest bardzo krótki. Umożliwia to szybkie i miejscowe unieszkodliwienie bakterii, grzybów i wirusów bez narażania większych organizmów na uszczerbek zdrowotny, co jest szczególnie ważne w kontekście obecnej walki z zagrożeniem epidemiologicznym.

 

Projekt „Efektywne trypletowe fotouczulacze oparte na związkach boroorganicznych o architekturze spiro osadzone na podłożu stałym do zastosowań w fotokatalizie” jest finansowany w ramach grantu badawczego Technologie Materiałowe-1.

Skład zespołu badawczego:

dr inż. Krzysztof Durka, mgr inż. Paulina H. Marek, inż. Karolina Urbanowicz

Źródło informacji: materiały nadesłane przez dr. inż. Krzysztofa Durka