blog

Mar 07, 2024

Medições de intensidade de fluorescência e tempo de vida de fluorescência de vários pontos de carbono em função do pH

Relatórios Científicos volume 13, Artigo número: 10660 (2023) Citar este artigo 641 Acessos 1 Detalhes da Métrica Altmétrica Medição e monitoramento de pH são essenciais tanto na indústria quanto na academia.

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10660 (2023) Citar este artigo

641 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A medição e o monitoramento do pH são essenciais tanto na indústria quanto na academia. Portanto, é importante continuar desenvolvendo novos sensores de pH de baixo custo que proporcionem maior precisão durante longos períodos de tempo. Particularmente promissores são os sensores baseados em materiais que mostram intensidade de fluorescência (FI) e vida útil (FL) dependentes do pH. Os pontos de carbono (CDs) estão emergindo como candidatos promissores devido ao seu baixo custo, facilidade de fabricação, baixa toxicidade e fotodegradação insignificante. Contudo, pouco tem sido feito para quantificar os valores de FI e FL dos CDs. Aqui relatamos a caracterização do FI e FL dependente do pH de quatro novos CDs sintetizados solvotérmicos. O quinto CD é usado como amostra de referência e foi sintetizado seguindo uma síntese publicada. Os precursores dos CDs incluem corante azul disperso 1, floroglucinol, m-fenilenodiamina (m-PD), N e N-dimetilformamida (DMF). O tamanho médio do diâmetro dos CDs varia de 1,5 a 15 nm. Um comprimento de onda de excitação de 452 nm com largura de banda de 45 nm foi usado para quantificar a fluorescência na faixa de pH 5–9. Três CDs mostram uma tendência decrescente na FI com o pH, enquanto dois CDs mostram uma tendência crescente. Nenhum dos CDs mostra forte dependência de FL. O FL muda em torno de 0,5 ± 0,2 ns em toda a faixa de pH testada. Sugerimos que as diferenças nas tendências de fluorescência podem ser atribuídas aos precursores escolhidos para a síntese dos CDs.

O PH é um parâmetro crítico em diversas áreas da pesquisa e da indústria. Pequenas alterações ambientais no pH podem ter consequências significativas para os organismos vivos, por exemplo, em sistemas de aquicultura fechados, onde o pH é alterado pelos níveis de \(\mathrm {CO_2}\) e de amónia, como subprodutos respiratórios e metabólicos dos peixes1, 2. Na natureza, a acidificação dos oceanos altera a química do carbonato da água do mar, causando uma saturação desequilibrada de iões carbonato, crucial para a formação de carbonato de cálcio, o bloco de construção básico dos esqueletos e conchas de muitos organismos marinhos, incluindo corais, mariscos e plâncton3,4,5, 6.

A importância generalizada das medições de pH causa a necessidade de materiais sensores de pH adequados. Atualmente, o eletrodo de pH clássico é o sensor mais utilizado em diversas indústrias7,8,9. O eletrodo de pH barato tem várias desvantagens críticas, incluindo vulnerabilidade à deriva (tipicamente 0,25 pH ou mais ao longo de seis meses7), exigindo recalibrações regulares7. Além disso, os eletrodos de pH requerem adição regular de eletrólitos para compensar o consumo e não funcionam bem em ambientes de alta salinidade devido à instabilidade nos potenciais de junção no eletrodo de referência8,10,11,12. Portanto, os eletrodos de pH são mais adequados para amostragem pontual do que monitoramento de longo prazo.

Várias tecnologias de detecção foram desenvolvidas para superar as limitações do eletrodo de pH, incluindo transistores de efeito de campo sensíveis a íons (requer um eletrodo de referência)13,14,15, sensores baseados em espectrofotometria (requer recarga periódica de agentes, é caro)16,17 e sensores ópticos.

As tecnologias de sensores ópticos de pH estão atraindo muito interesse devido ao seu preço acessível, baixo consumo de energia e estabilidade a longo prazo8,18,19,20,21. Os sensores ópticos são particularmente interessantes na biomedicina, onde o pH é de grande importância em muitos processos biológicos, bem como na pesquisa ambiental e na indústria, onde se tem que lidar com ecossistemas e organismos vivos18,22,23,24,25. Esses sensores de pH são normalmente feitos de um filme sensor que consiste em um indicador de pH imobilizado em um meio penetrável por íons e uma unidade interrogadora optoeletrônica para sondar o filme. Quando o pH do líquido que envolve o filme muda, algumas propriedades ópticas do indicador mudam e podem ser quantificadas utilizando métodos optoeletrônicos. Até agora, a maioria dos estudos sobre materiais fluorescentes sensíveis ao pH concentrou-se no FI22. Uma desvantagem dos sensores ópticos de pH baseados em FI é que sua resposta pode ser fortemente influenciada por fatores como fotodegradação da luz solar ou da própria luz da sonda, lixiviação do indicador do sensor do meio imobilizador, ruído de fundo da luminescência e variações na luz da sonda. sensibilidade18,19. Devido a estes problemas, pesquisas recentes concentraram-se na utilização do FL como indicador de pH em vez do FI. FL é uma propriedade intrínseca de um material e, portanto, não é afetada pelos fatores mencionados acima18,20,21,26,27,28,29,30,31,32, tornando o FL uma característica mais estável e confiável para detecção prolongada de pH com longos intervalos de manutenção18. Sensores fluorescentes de pH podem ser altamente sensíveis, ter alta seletividade, excelente resolução espacial e temporal e imagens in situ em tempo real33,34. Sensores ópticos de oxigênio baseados em fluorescência já estão bem estabelecidos na indústria oceanográfica8,24. Novos materiais sensores precisam ser projetados e explorados para desenvolver novos sensores ópticos de pH. Até agora, foram identificados apenas alguns fluoróforos que apresentam uma alteração significativa no FL com a alteração do pH18. Para contornar este problema, foram propostas arquiteturas que giram em torno do uso de filmes sensores contendo múltiplas espécies químicas. Por exemplo, o método de referência de vida dupla (DLR) possui uma arquitetura de detecção de pH bem conhecida . A arquitetura DLR combina um fluoróforo sensível ao pH com uma referência luminescente de longa duração, onde as propriedades de fluorescência do indicador sensível ao pH variam com o pH. A resposta de fluorescência combinada do par de indicadores é significativamente mais longa e varia em uma faixa mais ampla do que o indicador sensível ao pH sozinho, resultando em uma leitura optoeletrônica mais fácil8,18,38.