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Mar 07, 2024

Misurazioni dell'intensità della fluorescenza e della durata della fluorescenza di vari punti di carbonio in funzione del pH

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 10660 (2023) Cita questo articolo 641 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche La misurazione e il monitoraggio del pH sono essenziali sia nell'industria che nel mondo accademico.

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10660 (2023) Citare questo articolo

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La misurazione e il monitoraggio del pH sono essenziali sia nell'industria che nel mondo accademico. È quindi importante continuare a sviluppare sensori di pH nuovi e a basso costo che forniscano una maggiore precisione per lunghi periodi di tempo. Particolarmente promettenti sono i sensori basati su materiali che mostrano l'intensità della fluorescenza (FI) e la durata (FL) dipendenti dal pH. I punti di carbonio (CD) stanno emergendo come candidati promettenti a causa del loro basso costo, facilità di produzione, bassa tossicità e fotosbiancamento trascurabile. Tuttavia, è stato fatto poco per quantificare i valori FI e FL dei CD. Qui riportiamo la caratterizzazione di FI e FL dipendenti dal pH di quattro nuovi CD sintetizzati solvotermici. Il quinto CD viene utilizzato come campione di riferimento ed è stato sintetizzato a seguito di una sintesi pubblicata. I precursori dei CD includono colorante blu 1 disperso, floroglucinolo, m-fenilendiammina (m-PD), N e N-dimetilformammide (DMF). La dimensione media del diametro dei CD varia da 1,5 a 15 nm. Per quantificare la fluorescenza nell'intervallo di pH 5–9 è stata utilizzata una lunghezza d'onda di eccitazione di 452 nm con una larghezza di banda di 45 nm. Tre CD mostrano una tendenza decrescente dell'FI con il pH, mentre due CD mostrano una tendenza crescente. Nessuno dei CD mostra una forte dipendenza FL. Il FL cambia di circa 0,5 ± 0,2 ns nell'intervallo di pH testato. Suggeriamo che le differenze negli andamenti della fluorescenza possano essere attribuite ai precursori scelti per sintetizzare i CD.

Il PH è un parametro critico in numerose aree della ricerca e dell’industria. Piccoli cambiamenti ambientali del pH possono avere conseguenze significative per gli organismi viventi, ad esempio, nei sistemi di acquacoltura chiusi, dove il pH viene modificato dai livelli di \(\mathrm {CO_2}\) e di ammoniaca, come sottoprodotti respiratori e metabolici dei pesci1, 2. In natura, l'acidificazione degli oceani altera la chimica del carbonato dell'acqua di mare, causando una saturazione sbilanciata degli ioni carbonato, cruciale per la formazione del carbonato di calcio, l'elemento base degli scheletri e dei gusci di molti organismi marini, inclusi coralli, molluschi e plancton3,4,5, 6.

La diffusa importanza delle misurazioni del pH determina la necessità di materiali idonei per il rilevamento del pH. Attualmente, il classico elettrodo pH è il sensore più utilizzato in vari settori7,8,9. L'elettrodo pH economico presenta diversi svantaggi critici, inclusa la vulnerabilità alla deriva (tipicamente 0,25 pH o più in sei mesi7), che richiede ricalibrazioni regolari7. Inoltre, gli elettrodi pH richiedono l'aggiunta regolare di elettroliti per compensare il consumo e non funzionano bene in ambienti ad alta salinità a causa dell'instabilità dei potenziali di giunzione sull'elettrodo di riferimento8,10,11,12. Pertanto, gli elettrodi pH sono più adatti per il campionamento puntuale che per il monitoraggio a lungo termine.

Sono state sviluppate varie tecnologie di rilevamento per superare i limiti dell'elettrodo pH, compresi i transistor a effetto di campo sensibili agli ioni (richiede un elettrodo di riferimento)13,14,15, sensori basati sulla spettrofotometria (richiede il riempimento periodico degli agenti, è costoso)16,17 e sensori ottici.

Le tecnologie dei sensori ottici di pH stanno suscitando molto interesse grazie alla loro convenienza, al basso consumo energetico e alla stabilità a lungo termine8,18,19,20,21. I sensori ottici sono particolarmente interessanti in biomedicina, dove il pH è di grande importanza in molti processi biologici, così come nella ricerca ambientale e nell'industria, dove si ha a che fare con ecosistemi e organismi viventi18,22,23,24,25. Questi sensori di pH sono generalmente costituiti da una pellicola sensibile costituita da un indicatore di pH immobilizzato in un mezzo penetrabile dagli ioni e da un'unità interrogatrice optoelettronica per sondare la pellicola. Quando il pH del liquido che circonda la pellicola cambia, alcune proprietà ottiche dell'indicatore cambiano e possono essere quantificate utilizzando metodi optoelettronici. Finora, la maggior parte degli studi sui materiali fluorescenti sensibili al pH si sono concentrati su FI22. Uno svantaggio dei sensori di pH ottici basati su FI è che la loro risposta può essere fortemente influenzata da fattori quali il fotosbiancamento dovuto alla luce solare o alla luce della sonda stessa, la lisciviazione dell'indicatore del sensore dal mezzo immobilizzante, il rumore di fondo derivante dalla luminescenza e le variazioni della luce della sonda. sensibilità18,19. A causa di questi problemi, la ricerca recente si è concentrata sull’utilizzo del FL come indicatore di pH invece del FI. FL è una proprietà intrinseca di un materiale e quindi non è influenzato dai fattori sopra menzionati18,20,21,26,27,28,29,30,31,32, rendendo FL una caratteristica più stabile e affidabile per il rilevamento prolungato del pH con lunghi intervalli di manutenzione18. I sensori di pH fluorescenti possono essere altamente sensibili, avere un'elevata selettività, un'eccellente risoluzione spaziale e temporale e imaging in situ in tempo reale33,34. I sensori ottici di ossigeno basati sulla fluorescenza sono già ben consolidati nel settore dell'oceanografia8,24. È necessario progettare ed esplorare nuovi materiali di rilevamento per sviluppare nuovi sensori ottici di pH. Finora sono stati identificati solo pochi fluorofori che mostrano un cambiamento significativo nel FL al variare del pH18. Per aggirare questo problema, sono state proposte architetture che ruotano attorno all'uso di pellicole di sensori contenenti più specie chimiche. Ad esempio, il metodo di riferimento a doppia durata (DLR) ha un'architettura di rilevamento del pH ben nota35,36,37,38. L'architettura DLR combina un fluoroforo sensibile al pH con un riferimento luminescente di lunga durata, dove le proprietà di fluorescenza dell'indicatore sensibile al pH variano con il pH. La risposta combinata della fluorescenza della coppia di indicatori è significativamente più lunga e varia su un intervallo più ampio rispetto al solo indicatore sensibile al pH, con conseguente lettura optoelettronica più semplice8,18,38.