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Mar 07, 2024

pHの関数としてのさまざまなカーボンドットの蛍光強度と蛍光寿命の測定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10660 (2023) この記事を引用 641 アクセス 1 Altmetric Metrics の詳細 pH の測定と監視は、産業界と学術界の両方で不可欠です。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10660 (2023) この記事を引用

641 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

pH の測定と監視は、産業界と学術界の両方において不可欠です。 したがって、長期間にわたって精度が向上する、新規で低コストの pH センサーの開発を続けることが重要です。 特に有望なのは、pH 依存性の蛍光強度 (FI) と寿命 (FL) を示す材料をベースにしたセンサーです。 カーボン ドット (CD) は、低コスト、製造の容易さ、毒性の低さ、光退色が無視できるため、有望な候補として浮上しています。 しかし、CD の FI 値と FL 値を定量化することはほとんど行われていません。 今回我々は、ソルボサーマル合成した 4 種類の新規 CD の pH 依存性 FI および FL の特性評価を報告します。 5 番目の CD は参照サンプルとして使用され、公開されている合成に従って合成されました。 CD の前駆体には、ディスパース ブルー 1 色素、フロログルシノール、m-フェニレンジアミン (m-PD)、N、および N-ジメチルホルムアミド (DMF) が含まれます。 CD の平均直径サイズは 1.5 ～ 15 nm の範囲です。 励起波長 452 nm、帯域幅 45 nm を使用して、pH 5 ～ 9 の範囲での蛍光を定量しました。 3 枚の CD は pH に伴う FI の減少傾向を示していますが、2 枚の CD は増加傾向を示しています。 どの CD も強い FL 依存性を示していません。 FL は、テストされた pH 範囲全体で約 0.5 ± 0.2 ns 変化します。 蛍光傾向の違いは、CD の合成に選択された前駆体に起因すると考えられます。

PH は、研究や産業の多くの分野において重要なパラメーターです。 環境の pH の小さな変化は、生物に重大な影響を与える可能性があります。たとえば、密閉された水産養殖システムでは、pH が \(\mathrm {CO_2}\) やアンモニア レベルによって、魚からの呼吸副産物や代謝副産物として変化します1。 2. 自然界では、海洋の酸性化により海水の炭酸塩の化学的性質が変化し、サンゴ、貝類、プランクトンなど多くの海洋生物の骨格や殻の基本構成要素である炭酸カルシウムの形成に不可欠な炭酸イオン飽和度の不均衡が生じます3、4、5。 6.

pH 測定の重要性が広く普及しているため、適切な pH 検知材料の必要性が生じています。 現在、古典的な pH 電極は、さまざまな業界で最も広く使用されているセンサーです7、8、9。 安価な pH 電極には、定期的な再校正が必要なドリフト (通常 6 か月で pH が 0.25 以上7) になりやすいなど、いくつかの重大な欠点があります。 さらに、pH 電極は消費量を相殺するために電解質を定期的に追加する必要があり、参照電極の接合電位が不安定であるため、高塩分環境ではうまく機能しません 8、10、11、12。 したがって、pH 電極は、長期モニタリングよりもスポットサンプリングに適しています。

pH 電極の限界を克服するために、イオン感応性電界効果トランジスタ (参照電極が必要)13、14、15、分光測光ベースのセンサー (薬剤の定期的な補充が必要、高価) 16、17 など、さまざまなセンシング技術が開発されています。そして光学センサー。

光学式 pH センサー技術は、手頃な価格、低消費電力、長期安定性のため、多くの関心を集めています 8,18,19,20,21。 光学センサーは、多くの生物学的プロセスにおいて pH が非常に重要である生物医学、ならびに生態系や生きた有機体を扱う必要がある環境研究や産業において特に興味深いものです 18、22、23、24、25。 これらの pH センサーは通常、イオン透過性媒体に固定化された pH 指示薬とフィルムをプローブする光電子質問器ユニットからなる感知フィルムで作られています。 フィルムの周囲の液体の pH が変化すると、インジケーターの光学特性の一部が変化し、光電子的方法を使用して定量化できます。 これまでのところ、pH 感受性蛍光材料に関するほとんどの研究は FI22 に焦点を当ててきました。 FI ベースの光学式 pH センサーの欠点は、その応答が太陽光やプローブ光自体による光退色、固定化媒体からのセンサーのインジケーターの浸出、発光によるバックグラウンド ノイズ、プローブ光の変動などの要因によって大きく影響される可能性があることです。感受性18,19。 これらの問題のため、最近の研究では、FI の代わりに FL を pH 指示薬として使用することに焦点が当てられています。 FL は材料の固有の特性であるため、上記の要因の影響を受けません 18,20,21,26,27,28,29,30,31,32。そのため、FL は、長期にわたる pH センシングにとってより安定で信頼性の高い形質となります。長いメンテナンス間隔18. 蛍光 pH センサーは、高感度、高選択性、優れた空間的および時間的分解能、およびリアルタイムの in situ イメージングを備えています 33,34。 蛍光ベースの光学酸素センサーは、海洋学業界ではすでに十分に確立されています8,24。 新しい光学式 pH センサーを開発するには、新しいセンシング材料を設計および探索する必要があります。 これまでのところ、pH18 の変化に応じて FL に重大な変化を示す蛍光色素は少数しか同定されていません。 この問題を回避するために、複数の化学種を含むセンサー フィルムの使用を中心としたアーキテクチャが提案されています。 たとえば、デュアルライフタイムリファレンス (DLR) メソッドには、よく知られた pH センシングアーキテクチャがあります 35、36、37、38。 DLR アーキテクチャは、pH 感受性の蛍光色素と長寿命の発光基準を組み合わせており、pH 感受性の指示薬の蛍光特性は pH によって変化します。 インジケーターペアの組み合わせた蛍光応答は、pH 感受性インジケーター単独よりも大幅に長く、広範囲にわたって変化するため、光電子読み出しが容易になります 8,18,38。