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Mar 07, 2024

pH에 따른 다양한 탄소점의 형광 강도 및 형광 수명 측정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10660(2023) 이 기사 인용 641 액세스 1 Altmetric Metrics 세부 정보 pH 측정 및 모니터링은 업계와 학계 모두에서 필수적입니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10660(2023) 이 기사 인용

641 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

pH 측정 및 모니터링은 산업계와 학계 모두에서 필수적입니다. 따라서 장기간에 걸쳐 향상된 정확도를 제공하는 새롭고 저렴한 pH 센서를 계속 개발하는 것이 중요합니다. 특히 유망한 것은 pH 의존형 형광 강도(FI)와 수명(FL)을 나타내는 재료 기반 센서입니다. 탄소점(CD)은 저렴한 비용, 제조 용이성, 낮은 독성 및 무시할 수 있는 광표백으로 인해 유망한 후보로 떠오르고 있습니다. 그러나 CD의 FI 및 FL 값을 정량화하는 작업은 거의 수행되지 않았습니다. 여기서 우리는 4개의 새로운 용매열 합성 CD의 pH 의존적 FI와 FL의 특성을 보고합니다. 다섯 번째 CD는 참조 샘플로 사용되며 공개된 합성에 따라 합성되었습니다. CD의 전구체에는 분산 블루 1 염료, 플로로글루시놀, m-페닐렌디아민(m-PD), N 및 N-디메틸포름아미드(DMF)가 포함됩니다. CD의 평균 직경 크기는 1.5~15nm입니다. 45 nm의 대역폭을 갖는 452 nm의 여기 파장을 사용하여 pH 범위 5-9에서 형광을 정량화했습니다. 3개의 CD는 pH에 따라 FI에서 감소 추세를 보이는 반면, 2개의 CD는 증가 추세를 나타냅니다. 어떤 CD도 강한 FL 의존성을 보이지 않습니다. FL은 테스트된 pH 범위 전체에서 약 0.5 ± 0.2ns로 변경됩니다. 우리는 형광 경향의 차이가 CD 합성을 위해 선택된 전구체에 기인할 수 있다고 제안합니다.

PH는 다양한 연구 및 산업 분야에서 중요한 매개변수입니다. pH의 작은 환경 변화는 살아있는 유기체에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어 폐쇄형 양식 시스템에서는 pH가 어류의 호흡기 및 대사 부산물로서 \(\mathrm {CO_2}\) 및 암모니아 수준에 따라 변경됩니다1. 2. 자연에서 해양 산성화는 해수의 탄산염 화학을 변화시켜 탄산 이온 포화도의 불균형을 초래합니다. 이는 산호, 조개류 및 플랑크톤을 포함한 많은 해양 유기체의 뼈대와 껍질의 기본 구성 요소인 탄산칼슘을 형성하는 데 중요합니다3,4,5 6.

pH 측정의 광범위한 중요성으로 인해 적합한 pH 감지 물질이 필요합니다. 현재, 고전적인 pH 전극은 다양한 산업 분야에서 가장 널리 사용되는 센서입니다7,8,9. 저렴한 pH 전극은 드리프트에 대한 취약성(일반적으로 6개월 동안 0.25 pH 이상7)을 포함하여 정기적인 재교정이 필요한 몇 가지 중요한 단점을 가지고 있습니다7. 또한, pH 전극은 소비를 상쇄하기 위해 정기적으로 전해질을 추가해야 하며 기준 전극의 접합 전위가 불안정하기 때문에 염도가 높은 환경에서는 제대로 기능하지 않습니다8,10,11,12. 따라서 pH 전극은 장기 모니터링보다 현장 샘플링에 더 적합합니다.

이온 감지 전계 효과 트랜지스터(기준 전극 필요)13,14,15, 분광 광도계 기반 센서(주기적인 제제 재충전 필요, 비용이 많이 듬)16,17 등 pH 전극의 한계를 극복하기 위해 다양한 감지 기술이 개발되었습니다. 그리고 광학 센서.

광학 pH 센서 기술은 경제성, 낮은 전력 소비 및 장기 안정성으로 인해 많은 관심을 끌고 있습니다8,18,19,20,21. 광학 센서는 pH가 많은 생물학적 과정에서 매우 중요한 생물의학뿐만 아니라 생태계와 살아있는 유기체를 다루어야 하는 환경 연구 및 산업 분야에서 특히 흥미롭습니다. 이러한 pH 센서는 일반적으로 이온 투과성 매체에 고정된 pH 표시기와 필름을 프로빙하기 위한 광전자 질문 장치로 구성된 감지 필름으로 구성됩니다. 필름을 둘러싼 액체의 pH가 변하면 표시기의 일부 광학적 특성이 변하며 광전자 방법을 사용하여 정량화할 수 있습니다. 지금까지 pH 민감형 형광물질에 대한 대부분의 연구는 FI22에 집중되어 왔습니다. FI 기반 광학 pH 센서의 단점은 반응이 햇빛이나 프로브 빛 자체의 광표백, 고정 매체에서 센서 표시기의 침출, 발광으로 인한 배경 잡음, 프로브 빛의 변화와 같은 요인에 의해 크게 영향을 받을 수 있다는 것입니다. 감도18,19. 이러한 문제로 인해 최근 연구에서는 FI 대신 FL을 pH 지표로 사용하는 데 중점을 두고 있습니다. FL은 재료의 고유한 특성이므로 위에서 언급한 요인의 영향을 받지 않습니다18,20,21,26,27,28,29,30,31,32. FL은 장기간 pH 감지를 위한 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 특성입니다. 긴 유지보수 간격18. 형광 pH 센서는 매우 민감하고, 높은 선택성, 우수한 공간 및 시간적 분해능, 실시간 현장 이미징을 가질 수 있습니다33,34. 형광 기반 광학 산소 센서는 해양학 산업에서 이미 잘 확립되어 있습니다8,24. 새로운 광학 pH 센서를 개발하려면 새로운 감지 재료를 설계하고 탐색해야 합니다. 지금까지 pH18의 변화에 ​​따라 FL에서 상당한 변화를 나타내는 소수의 형광단만이 확인되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 여러 화학종을 포함하는 센서 필름을 사용하는 아키텍처가 제안되었습니다. 예를 들어, 이중 수명 참조(DLR) 방법은 잘 알려진 pH 감지 아키텍처를 가지고 있습니다. DLR 아키텍처는 pH 민감성 형광단과 수명이 긴 발광 기준을 결합하며, 여기서 pH 민감성 지표의 형광 특성은 pH에 따라 달라집니다. 지시약 쌍의 결합된 형광 반응은 pH 민감 지시약 단독보다 상당히 길고 더 넓은 범위에 걸쳐 다양하므로 광전자 판독이 더 쉬워집니다8,18,38.