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Mar 07, 2024

Mesures de l'intensité de fluorescence et de la durée de vie de la fluorescence de divers points de carbone en fonction du pH

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 10660 (2023) Citer cet article 641 Accès 1 Détails d'Altmetric Metrics La mesure et la surveillance du pH sont essentielles tant dans l'industrie que dans le milieu universitaire.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10660 (2023) Citer cet article

641 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

La mesure et la surveillance du pH sont essentielles tant dans l’industrie que dans le monde universitaire. Il est donc important de continuer à développer de nouveaux capteurs de pH peu coûteux qui offrent une précision accrue sur de longues périodes. Les capteurs basés sur des matériaux qui présentent une intensité de fluorescence (FI) et une durée de vie (FL) dépendant du pH sont particulièrement prometteurs. Les points de carbone (CD) apparaissent comme des candidats prometteurs en raison de leur faible coût, de leur facilité de fabrication, de leur faible toxicité et de leur photoblanchiment négligeable. Cependant, peu de choses ont été faites pour quantifier les valeurs FI et FL des CD. Nous rapportons ici la caractérisation des FI et FL dépendants du pH de quatre nouveaux CD synthétisés solvothermiquement. Le cinquième CD est utilisé comme échantillon de référence et a été synthétisé suite à une synthèse publiée. Les précurseurs des CD comprennent le colorant bleu dispersé 1, le phloroglucinol, la m-phénylènediamine (m-PD), le N et le N-diméthylformamide (DMF). Le diamètre moyen des CD varie de 1,5 à 15 nm. Une longueur d'onde d'excitation de 452 nm avec une bande passante de 45 nm a été utilisée pour quantifier la fluorescence dans la plage de pH comprise entre 5 et 9. Trois CD montrent une tendance à la baisse du FI avec le pH, tandis que deux CD montrent une tendance à la hausse. Aucun des CD ne présente une forte dépendance au FL. Le FL change d'environ 0,5 ± 0,2 ns sur la plage de pH testée. Nous suggérons que les différences dans les tendances de fluorescence peuvent être attribuées aux précurseurs choisis pour la synthèse des CD.

Le PH est un paramètre critique dans de nombreux domaines de la recherche et de l’industrie. De petits changements environnementaux du pH peuvent avoir des conséquences importantes sur les organismes vivants, par exemple dans les systèmes d'aquaculture fermés, où le pH est modifié par \(\mathrm {CO_2}\) et les niveaux d'ammoniac, en tant que sous-produits respiratoires et métaboliques des poissons1, 2. Dans la nature, l'acidification des océans modifie la chimie des carbonates de l'eau de mer, provoquant un déséquilibre de la saturation en ions carbonate, crucial pour la formation du carbonate de calcium, élément de base des squelettes et des coquilles de nombreux organismes marins, notamment les coraux, les coquillages et le plancton3,4,5, 6.

L’importance généralisée des mesures de pH nécessite des matériaux de détection de pH adaptés. Actuellement, l’électrode de pH classique est le capteur le plus largement utilisé dans diverses industries7,8,9. L'électrode de pH peu coûteuse présente plusieurs inconvénients critiques, notamment sa vulnérabilité à la dérive (généralement 0,25 pH ou plus sur six mois7), nécessitant des réétalonnages réguliers7. De plus, les électrodes de pH nécessitent un ajout régulier d'électrolytes pour compenser la consommation et ne fonctionnent pas bien dans des environnements à forte salinité en raison de l'instabilité des potentiels de jonction au niveau de l'électrode de référence8,10,11,12. Par conséquent, les électrodes de pH sont mieux adaptées à l’échantillonnage ponctuel qu’à la surveillance à long terme.

Diverses technologies de détection ont été développées pour surmonter les limites de l'électrode de pH, notamment les transistors à effet de champ sensibles aux ions (nécessitent une électrode de référence)13,14,15, les capteurs spectrophotométriques (nécessitent un remplissage périodique d'agents, sont coûteux)16,17. et des capteurs optiques.

Les technologies de capteurs optiques de pH suscitent beaucoup d’intérêt en raison de leur prix abordable, de leur faible consommation d’énergie et de leur stabilité à long terme8,18,19,20,21. Les capteurs optiques sont particulièrement intéressants en biomédecine, où le pH revêt une grande importance dans de nombreux processus biologiques, ainsi qu'en recherche environnementale et dans l'industrie, où l'on doit traiter des écosystèmes et des organismes vivants18,22,23,24,25. Ces capteurs de pH sont généralement constitués d'un film de détection constitué d'un indicateur de pH immobilisé dans un milieu pénétrable par les ions et d'une unité d'interrogateur optoélectronique pour sonder le film. Lorsque le pH du liquide entourant le film change, certaines propriétés optiques de l'indicateur changent et peuvent être quantifiées à l'aide de méthodes optoélectroniques. Jusqu’à présent, la plupart des études sur les matériaux fluorescents sensibles au pH se sont concentrées sur le FI22. Un inconvénient des capteurs de pH optiques basés sur FI est que leur réponse peut être fortement influencée par des facteurs tels que le photoblanchiment dû à la lumière du soleil ou à la lumière de la sonde elle-même, la lixiviation de l'indicateur du capteur à partir du milieu d'immobilisation, le bruit de fond dû à la luminescence et les variations de la lumière de la sonde. sensibilité18,19. En raison de ces problèmes, des recherches récentes se sont concentrées sur l’utilisation du FL comme indicateur de pH au lieu du FI. FL est une propriété intrinsèque d'un matériau et n'est donc pas affecté par les facteurs mentionnés ci-dessus18,20,21,26,27,28,29,30,31,32, ce qui fait de FL un trait plus stable et plus fiable pour une détection prolongée du pH avec longs intervalles de maintenance18. Les capteurs de pH fluorescents peuvent être très sensibles, avoir une sélectivité élevée, une excellente résolution spatiale et temporelle et une imagerie in situ en temps réel33,34. Les capteurs optiques d’oxygène basés sur la fluorescence sont déjà bien établis dans l’industrie océanographique8,24. De nouveaux matériaux de détection doivent être conçus et explorés pour développer de nouveaux capteurs optiques de pH. Jusqu'à présent, seuls quelques fluorophores ont été identifiés et présentent un changement significatif du FL avec le changement de pH18. Pour contourner ce problème, des architectures s'articulant autour de l'utilisation de films capteurs contenant plusieurs espèces chimiques ont été proposées. Par exemple, la méthode de référencement à double durée de vie (DLR) possède une architecture de détection de pH bien connue35,36,37,38. L'architecture DLR combine un fluorophore sensible au pH avec une référence luminescente à longue durée de vie, où les propriétés de fluorescence de l'indicateur sensible au pH varient en fonction du pH. La réponse de fluorescence combinée de la paire d'indicateurs est significativement plus longue et varie sur une plage plus large que celle de l'indicateur sensible au pH seul, ce qui permet une lecture optoélectronique plus facile8,18,38.