Metallorganische Polymere oder metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs) sind Kristalle, die aus Metallionen bestehen, die durch organische Moleküle, d. h. organische Linker, miteinander verbunden sind. Mit verschiedenen Konzentrationen der Metallionen und organischen Linker lassen sich Materialien mit unterschiedlichen Strukturen und Eigenschaften herstellen. MOFs werden häufig für die Entwicklung elektrochemischer Sensoren, als Reaktionskatalysatoren in der chemischen Industrie oder als Treibstoffzusätze verwendet.
Einige der MOFs sind lumineszierende MOFs. Sie emittieren Licht, das durch UV-Strahlen, elektromagnetische Felder oder andere Störungen verursacht wird. Lumineszierende MOFs werden aktiv als LED-Komponenten und Leuchtthermometer eingesetzt. Außerdem werden sie bei der Krebsdiagnose eingesetzt. Lumineszierende MOFs werden auch als Lumineszenzsensoren für Schadstoffe verwendet.
Chemiker der Universität St. Petersburg haben die kleinsten Kristalle in Nanogröße mit einer ultraschallunterstützten nasschemischen Methode synthetisiert. Sie wurden durch langsames Mischen von wässrigen Natriumterephthalat- und Europiumchlorid-Lösungen mit Hilfe der ultraschallunterstützten nasschemischen Methode synthetisiert und in Form eines polykristallinen Feststoffs ausgefällt. Die Ultraschallbehandlung sorgte für eine bessere Durchmischung der Lösung, verlangsamte das Wachstum der Partikel, verhinderte die Aggregation der Mikropartikel und führte zur Bildung einzelner Mikropartikel.
Die Wissenschaftler synthetisierten Partikel verschiedener Größen. Die durchschnittliche Partikelgröße kann von 8 nm bis zu mehreren hundert Mikrometern reichen. Die heute vorgestellten metallorganischen Gerüst-Nanopartikel aus Europium(III)terephthalat-Tetrahydrat (Eu2bdc3-4H2O) sind die kleinsten MOF-Kristalle auf Seltenerdbasis im Nanobereich.
Wir hatten nicht erwartet, dass eine Verringerung der Reagenzienkonzentration um das Zweifache zu einer Größenverringerung um mehrere Größenordnungen führen könnte. Vermutlich ist dieser Effekt auf den 1:1-Komplex aus Europium-Terephthalat zurückzuführen. Dieser kann den Wachstumsprozess der Partikel beschleunigen. Früher konnten Wissenschaftler Terephthalat-Teilchen in Nanogröße synthetisieren, die 40 nm oder sogar mehr betrugen. Uns ist es gelungen, Partikel mit der fünffachen Größe zu synthetisieren", so der Leiter der Forschung, der außerordentliche Professor der Abteilung für Laserchemie an der Universität St. Petersburg und Doktor der Chemie Andrey Mereshchenko.
Die entwickelte Methode zur Synthese von Nanopartikeln kann einen positiven Beitrag zur Nanotechnologie und Koordinationschemie leisten. Mit dieser Methode können wir auch Nanopartikel aus anderen MOFs synthetisieren. In den Experimenten wurde auch die selektive Löschung der Lumineszenz durch Schwermetallionen nachgewiesen. Daher können die synthetisierten Nanopartikel als Sensoren zum Nachweis von Schwermetallionen in Wasser verwendet werden.
Diese Entdeckung hat das Potenzial, effiziente Sensoren zur Überwachung von Schwermetallionen im Trinkwasser zu entwickeln. Unsere lumineszierenden MOFs weisen deutlich niedrigere Nachweisgrenzen für Schwermetallionen auf. Dies ermöglicht genauere Messungen von Schadstoffen im Wasser, selbst in geringen Konzentrationen", so Viktor Nosov, Mitautor des Artikels und Student der Chemie an der Universität St. Petersburg.
Die vorgestellten Nanopartikel können auch als Lumineszenzsensoren verwendet werden, um Cu2+-, Cr3+- und Fe3+-Ionen im Wasser zu erkennen. Das Vorhandensein dieser Metalle im Wasser stellt eine Gefahr für Menschen und Tiere dar. Die Anreicherung von Schwermetallen im Körper kann den menschlichen Stoffwechsel beeinträchtigen und zu Erkrankungen des Nervensystems, Gefäßerkrankungen und Verdauungsstörungen führen. Die Chemiker planen, die Forschung fortzusetzen und einen Schnelltest zum Nachweis von Schwermetallionen in Trinkwasser und Abfall zu entwickeln.
Originalveröffentlichung
- Stefaniia S. Kolesnik et al.; "Ultrasound-Assisted Synthesis of Luminescent Micro- and Nanocrystalline Eu-Based MOFs as Luminescent Probes for Heavy Metal Ions"; Nanomaterials; 2021