Блог

Mar 07, 2024

Измерения интенсивности флуоресценции и времени жизни флуоресценции различных углеродных точек в зависимости от pH

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 10660 (2023) Цитировать эту статью 641 Доступ 1 Подробности Altmetric Metrics Измерение и мониторинг pH необходимы как в промышленности, так и в научных кругах.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10660 (2023) Цитировать эту статью

641 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Измерение и мониторинг pH необходимы как в промышленности, так и в научных кругах. Поэтому важно продолжать разработку новых недорогих датчиков pH, которые обеспечивают повышенную точность в течение длительных периодов времени. Особенно перспективными являются сенсоры на основе материалов, которые обладают pH-зависимой интенсивностью флуоресценции (FI) и сроком службы (FL). Углеродные точки (CD) становятся многообещающими кандидатами из-за их низкой стоимости, простоты производства, низкой токсичности и незначительного фотообесцвечивания. Однако мало что было сделано для количественной оценки значений FI и FL компакт-дисков. Здесь мы сообщаем о характеристиках pH-зависимых FI и FL четырех новых сольвотермально синтезированных CD. Пятый компакт-диск используется в качестве эталонного образца и был синтезирован в соответствии с опубликованным синтезом. Прекурсорами компакт-дисков являются дисперсный краситель синий 1, флороглюцинол, м-фенилендиамин (м-ПД), N и N-диметилформамид (ДМФ). Средний размер диаметра компакт-дисков составляет от 1,5 до 15 нм. Длина волны возбуждения 452 нм с шириной полосы 45 нм использовалась для количественной оценки флуоресценции в диапазоне pH 5–9. Три CD демонстрируют тенденцию к снижению FI с ростом pH, а два CD демонстрируют тенденцию к увеличению. Ни один из компакт-дисков не показывает сильной зависимости от FL. FL изменяется примерно в пределах 0,5 ± 0,2 нс во всем тестируемом диапазоне pH. Мы предполагаем, что различия в тенденциях флуоресценции могут быть связаны с прекурсорами, выбранными для синтеза ЦД.

PH является критическим параметром во многих областях исследований и промышленности. Небольшие изменения pH в окружающей среде могут иметь значительные последствия для живых организмов, например, в закрытых системах аквакультуры, где pH изменяется под воздействием \(\mathrm {CO_2}\) и уровней аммиака, поскольку респираторные и метаболические побочные продукты рыб1 2. В природе закисление океана изменяет химический состав карбонатов морской воды, вызывая несбалансированное насыщение карбонатными ионами, что имеет решающее значение для образования карбоната кальция, основного строительного элемента скелетов и панцирей многих морских организмов, включая кораллы, моллюски и планктон3,4,5, 6.

Широко распространенная важность измерения pH вызывает потребность в подходящих материалах для измерения pH. В настоящее время классический pH-электрод является наиболее широко используемым датчиком в различных отраслях7,8,9. Недорогой pH-электрод имеет ряд серьезных недостатков, включая уязвимость к дрейфу (обычно pH 0,25 или более в течение шести месяцев7), что требует регулярной повторной калибровки7. Кроме того, pH-электроды требуют регулярного добавления электролитов для компенсации расхода и плохо работают в средах с высокой соленостью из-за нестабильности потенциалов перехода на электроде сравнения8,10,11,12. Таким образом, pH-электроды лучше подходят для точечного отбора проб, чем для долгосрочного мониторинга.

Для преодоления ограничений pH-электрода были разработаны различные сенсорные технологии, в том числе ионно-чувствительные полевые транзисторы (требуются электроды сравнения)13,14,15, датчики на основе спектрофотометрии (требуют периодической дозаправки агентов, стоят дорого)16,17 и оптические датчики.

Технологии оптических датчиков pH привлекают большой интерес из-за их доступности, низкого энергопотребления и долгосрочной стабильности8,18,19,20,21. Оптические датчики особенно интересны в биомедицине, где pH имеет большое значение во многих биологических процессах, а также в экологических исследованиях и промышленности, где приходится иметь дело с экосистемами и живыми организмами18,22,23,24,25. Эти датчики pH обычно состоят из чувствительной пленки, состоящей из индикатора pH, иммобилизованного в ионно-проницаемой среде, и оптоэлектронного опросного блока для зондирования пленки. При изменении pH жидкости, окружающей пленку, изменяются некоторые оптические свойства индикатора, которые можно количественно оценить оптоэлектронными методами. До сих пор большинство исследований pH-чувствительных флуоресцентных материалов было сосредоточено на FI22. Недостатком оптических датчиков pH на основе FI является то, что на их реакцию могут сильно влиять такие факторы, как фотообесцвечивание от солнечного света или самого света зонда, выщелачивание индикатора датчика из иммобилизирующей среды, фоновый шум от люминесценции и изменения света зонда. чувствительность18,19. Из-за этих проблем недавние исследования были сосредоточены на использовании FL в качестве индикатора pH вместо FI. FL является внутренним свойством материала и, следовательно, на него не влияют факторы, упомянутые выше18,20,21,26,27,28,29,30,31,32, что делает FL более стабильным и надежным признаком для длительного измерения pH с помощью длительные интервалы технического обслуживания18. Флуоресцентные датчики pH могут быть высокочувствительными, иметь высокую селективность, превосходное пространственное и временное разрешение и возможность визуализации in situ в режиме реального времени33,34. Оптические датчики кислорода на основе флуоресценции уже хорошо зарекомендовали себя в океанографии8,24. Для разработки новых оптических датчиков pH необходимо разработать и изучить новые сенсорные материалы. На данный момент идентифицировано лишь несколько флуорофоров, которые демонстрируют значительное изменение ФЛ при изменении pH18. Чтобы обойти эту проблему, были предложены конструкции, основанные на использовании сенсорных пленок, содержащих несколько химических соединений. Например, метод двойного времени жизни (DLR) имеет хорошо известную архитектуру измерения pH35,36,37,38. Архитектура DLR сочетает в себе pH-чувствительный флуорофор и долгоживущий люминесцентный эталон, при этом флуоресцентные свойства pH-чувствительного индикатора изменяются в зависимости от pH. Комбинированный отклик флуоресценции пары индикаторов значительно длиннее и варьируется в более широком диапазоне, чем у одного pH-чувствительного индикатора, что упрощает оптоэлектронное считывание8,18,38.