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Jun 17, 2023

Eine neuartige Technik zur Überwindung des Einflusses der Flüssigkeitsströmung in Kohlenstoffquantenpunkten/-papier

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 17861 (2022) Diesen Artikel zitieren 1669 Zugriffe 1 Zitate 1 Altmetric Metrics Details Papierbasierte Analysegeräte sind vielversprechende Optionen für Schnelltests

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17861 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Papierbasierte Analysegeräte sind eine vielversprechende Wahl für Schnelltests und Lab-on-Chip-Detektionstechniken. Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs) hingegen sind biokompatible Nanomaterialien, die aufgrund ihrer schnellen und kostengünstigen Synthesetechniken im Gramm-Maßstab sowie ihrer deutlich hohen und stabilen Photolumineszenzeigenschaften (PL) industriell vielversprechend sind sind über ein Jahr haltbar und zuverlässig. Es gab jedoch Einschränkungen beim Einschluss von CQDs auf Zellulosepapieren, sodass ihr PL nicht durch das Fließen der CQDs mit dem Strom der Analytflüssigkeit beeinflusst wird, was die Sensoren bei sehr niedrigen Konzentrationen flüssiger Analyten weniger genau macht. Daher wurde in dieser Untersuchung systematisch eine auf Polyvinylalkohol/Alkali basierende Methode generiert und entwickelt, um CQDs in einer 3D-Kristallmatrix auf Papier einzuschließen, sodass sie direkt als Sonden für eine einfache Drop-and-Detect-Methode verwendet werden können . Als Machbarkeitsnachweis wurde N/P-dotiertes CQD auf Zellulosepapier verwendet, um fluoreszierende papierbasierte Analysegeräte zur Identifizierung von Hg2+-Spuren von etwa 100 ppb herzustellen. Der entworfene Sensor wurde über mehrere Monate getestet, um seine Haltbarkeit und Funktionalität über lange Zeiträume für potenzielle industrielle Anwendungen zu untersuchen.

Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs) sind eine Klasse von Nanomaterialien, die für ihre bedeutenden Photolumineszenzeigenschaften (PL), ihre schnellen Synthesetechniken im Gramm-Maßstab sowie ihre Biokompatibilität und einfache Oberflächenfunktionalisierung bekannt sind. Sie können je nach Größe, Kantenkonfiguration, chemischer Struktur und Heteroatom-Dotierungen, die in der Regel über mehrere Monate haltbar sind, eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen emittieren1. Diese Funktion macht CQDs zu vielversprechenden Sonden für eine einfache analytische Überwachung verschiedener umwelt- und biologisch wichtiger Analyten.

Polymere hingegen sind Materialien, die im täglichen Leben für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden. Die Welten der Polymere und CQDs treffen auf unterschiedliche Weise aufeinander; Polymere können entweder als Vorläufer im Syntheseprozess von CQDs verwendet werden oder sie können als Oberflächenmodifikationswerkzeuge oder als unterstützende Matrizen verwendet werden, um CQDs darin zu halten und fluoreszierende Verbundstoffe herzustellen. In den letzten Jahren wurden CQDs zunehmend in Polymermatrizen und Polymergelen für verschiedene Anwendungen konjugiert2,3,4, die von biologischen Anwendungen wie Bioimaging und Arzneimittelabgabe oder Antikrebsmitteln und Wundheilungspflastern bis hin zu nichtbiologischen Anwendungen wie der Detektion und Superkondensatoren reichen , Elektrokatalyse und Leuchtdioden5,6,7,8,9.

Unter den natürlichen Polymeren gelten Zellulosefilterpapiere allgemein als vielversprechende Gerüste für die Herstellung verschiedener Sensor- und Trenngeräte auf der Basis von CQDs oder anderen funktionellen Gastsubstanzen. Sie verfügen über die richtige Porosität, biologische Abbaubarkeit, Flexibilität sowie eine große, natürliche, weiß gefärbte Oberfläche und bieten die Möglichkeit, als Zellulosematerialien mit technischen Eigenschaften funktionalisiert zu werden10. Darüber hinaus ist Cellulose ein chemisch inertes Polymer. Daher kann das natürliche Polymer die Immobilisierung verschiedener funktioneller Substanzen beherbergen, ohne dass Wechselwirkungen zwischen dem Wirt und dem Gast wie anderen Polymeren, Nanopartikeln, Proteinen, DNA und kleinen Molekülen zu erwarten sind11. Daher wird erwartet, dass auf der Grundlage der Fluoreszenzsignalablesung ein großes Spektrum an stimuliresponsiven intelligenten Erkennungs- und Überwachungsplattformen für verschiedene Krankheitsbiomarker und Umweltkontaminationen erreicht wird12,13,14.

Die Entwicklung hydrophiler Zellulose- oder Nitrozellulose-basierter Geräte begann vor weniger als einem Jahrzehnt, um den steigenden Bedarf an tragbaren medizinischen Diagnosesystemen am Behandlungsort zu decken. Die papierbasierten Analysegeräte (PADs) sind einfach zu verwenden und auch für Nicht-Experten benutzerfreundlich und können über eine einstellbare Analyseleistung verfügen. Diese Geräte bestehen typischerweise aus einigen hydrophilen Papiererkennungspools, die CQDs enthalten. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass bei der Einbettung von CQDs in PADs die Immobilisierung der CQDs in der Struktur des natürlichen Polymergerüsts zur Verbesserung ihrer PL beiträgt, indem sie eine aggregationsinduzierte Fluoreszenzlöschung verhindert. Allerdings ist die Nachweisempfindlichkeit immer noch ein entscheidender Faktor, der verbessert werden muss. Wenn CQD-PADs durch Trocknen von CQD-Tropfen auf Papier hergestellt werden, wird das Fluoreszenzsignal des Sensors durch das Tropfen von Wasser auf den fluoreszierenden Fleck beeinflusst. Dieses Phänomen wird beobachtet, weil sich die CQD auf dem Papier mit dem Fluss der aufgetropften Blindprobe bewegen, wodurch ein dunklerer Bereich entsteht. Daher muss verhindert werden, dass sie mit dem Fluss flüssiger Proben gleiten, um bei niedrigen Konzentrationen genauere Ergebnisse zu erzielen.

In den folgenden Jahren versuchten einige Wissenschaftler, sich mit dem Problem der CQD-Einklemmung zu befassen. Copur et al. und Li et al. und Jiang et al. sind drei der Beispiele15,16,17. Li et al. entwarf ein weiteres CQD-PAD unter Verwendung einer Hybridplattform aus Zellulosepapier und Polydimethylsiloxan (PDMS), bei der CQDs auf das Papier geladen und dann auf eine Rillenanordnung aus PDMS-Platten übertragen wurden. Sie testeten die Leistung ihres Sensors mit Folsäure, mit einer Nachweisgrenze von 0,28 μM. Sie zeigten auch, dass diese Art von Geräten weitaus empfindlicher sind als die üblichen lösungsbasierten Systeme, was sie auf absehbare Zeit zu Kandidaten für praktische Anwendungen in der Biosensorik und klinischen Diagnose macht16. In einem anderen Ansatz zur Schaffung einer In-situ-Plattform wurde eine Farbänderungsüberwachungsstrategie für den Nachweis von Cr(VI) eingesetzt. Dazu wurde eine eingedickte CQD-Lösung über das Papier getropft und trocknen lassen. Der Zielanalyt wurde dann über das Testpapier getropft und zeigte unter dem UV-Licht von 365 nm mit zunehmender Konzentration von Cr (VI)18 eine Farbänderung der Emission von Gelb nach Blau. Im Jahr 2022 wurden die N-dotierten CQDs in eine Nitrozellulosemembran integriert, um eine papierbasierte Nanosonde für den Hg2+-Nachweis zu entwickeln. Dazu wurde die Filtermembran zunächst mit Ethanollösung und Wasser gewaschen, um ihre Verunreinigungen zu entfernen, und dann 30 Minuten lang in CQDs-Lösung getaucht. Das vorbereitete PAD wurde dann mit unterschiedlichen Konzentrationen einer Hg2+-Lösung titriert19. In der Studie wurde gezeigt, dass das so hergestellte N-dotierte CQD-PAD in der Lage ist, Hg2+ in Umweltwasser und Lebensmitteln in situ nachzuweisen, was das papierbasierte Gerät wertvoll macht. Es gibt jedoch immer noch Anlass zur Sorge, verlässliche Lösungen für dieses Problem zu finden.

Daher wurde in dieser Arbeit systematisch eine auf Polyvinylalkohol/Alkali basierende Technik entwickelt, um N/P-dotierte CQDs (NPCQDs) als fluoreszierende Punkte auf Papier einzufangen und fluoreszierende PADs zur Identifizierung von Spuren von Hg2+-Ionenverunreinigungen in Wasser herzustellen. Der Zweck dieser Untersuchung besteht darin, mithilfe einer einfachen Drop-and-Detect-Methode zu verhindern, dass die NPCQDs mit dem Strom der Analytflüssigkeit fließen, wenn diese auf die fluoreszierenden Stellen gegossen wird. Daher wurden geeignete Maßnahmen ergriffen, um das Phänomen zu reduzieren, das hier als Fluid Flow Influence (FFI) bezeichnet wird. Abschließend wurde der entworfene Sensor über einen Zeitraum von sieben Monaten getestet, um seine Haltbarkeit und Funktionalität zu untersuchen.

Alle Chemikalien wurden von Sigma Aldrich und Merck Chemical Companies, Deutschland, bezogen. Die durchschnittliche Partikelgröße und das Zetapotential wurden durch die dynamische Lichtstreumethode (DLS) (HORIBA-Modell SZ-100, Kyoto, Japan) bestätigt. Alle Experimente wurden in drei Wiederholungen bei Raumtemperatur und einem Streuwinkel von 90° unter Verwendung einer HeNe-Laserlichtquelle mit 632,8 nm und einer maximalen Intensität von 10 mW durchgeführt. Zur Analyse der Morphologie, Partikelgröße und des Agglomerationsverhaltens wurde eine hochauflösende Hellfeld-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt. Die NPCQDs wurden in destilliertem Wasser stark verdünnt. Anschließend wurde die Suspension 5 min im Ultraschallbad homogenisiert. Unmittelbar nach der Ultraschallbehandlung wurden Mikrotröpfchen auf 3-mm-TEM-Gitter aus Spitzenkohlenstoff (TED PELLA INC.) gegeben und mindestens 30 Minuten lang trocknen gelassen. Anschließend wurden die Gitter mit den NPCQDs in einem JEOL 2200FS TEM in Tokio, Japan, bei 200 kV analysiert.

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde mit PHI 5000 Versaprobe, Physical Electronics, Minnesota, USA, durchgeführt und das verwendete Rasterkraftmikroskopiegerät (AFM) war das Easyscan 2 Nanosurf, Liestal, Schweiz. Zur Analyse der chemischen Bindungen der synthetisierten NPCQDs wurde Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) (Thermo-Nicolet NEXUS 470, Illinois, USA) eingesetzt. Das Röntgenbeugungsspektrum (XRD) wurde mit einem DMAX-2500-Diffraktometer (Rigaku, Japan) unter Verwendung einer Cu-Kα1-Röntgenstrahlungsquelle im Bereich von 2θ zwischen 1° und 80° aufgezeichnet, um Informationen über das zu liefern Kristallstruktur der Partikel. Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie wurde verwendet, um die optischen Eigenschaften der CQDs (PerkinElmers LAMBDA 950 UV/Vis/NIR-Spektrophotometer, USA) in optischen Glasküvetten mit einer Pfadlänge von 10 mm zu charakterisieren. Es wurde ein Photolumineszenzspektrophotometer (PerkinElmer LS45, Massachusetts, USA) verwendet. Bei der Untersuchung der optischen Eigenschaften wurden die Proben jeweils in unterschiedlichen Konzentrationen auf eine optische Dichte von etwa 0,1 verdünnt, um den Reabsorptionseffekt zu minimieren20. Zur Aufnahme von Bildern der auf Zellulosepapier vorbereiteten Proben wurde der INTAS Gel-Dokumentationshauben-Imager (Göttingen, Deutschland) zusammen mit der mobilen Kamera iPhone Pro Max 11 verwendet, um die Kohlenstoffpunktemissionen zu fotografieren. Die erhaltenen Bilder wurden mit der ImageJ-Android-Anwendung (IJ_Mobile®, Version 1.1, 2013) analysiert.

N/P-dotierte CQDs wurden gemäß zuvor beschriebenen Methoden mit geringfügigen Modifikationen unter Verwendung einer einstufigen hydrothermischen Methode1 hergestellt. Zitronensäuremonohydrat (0,30 g) und dibasisches Ammoniumphosphat (0,75 g) wurden in 20 ml destilliertem Wasser gut gelöst und in einem mit Teflon ausgekleideten Reaktor 4 Stunden lang hydrothermisch auf 180 °C erhitzt. Die erhaltene dunkelbraune Lösung, die die NPCQDs enthielt, wurde nach Erreichen der Raumtemperatur auf pH 7,0 neutralisiert. Anschließend wurde es 15 Minuten lang bei 20.000 U/min zentrifugiert und filtriert, um große Partikel zu entfernen.

Zunächst wurde die NPCQD-Lösung viermal mit destilliertem Wasser verdünnt und 3 μl Tropfen der verdünnten Lösung auf ein Whatman-Zellulosefilterpapier der Güteklasse 591 gegossen. Anschließend wurden 0,5 μl von sieben verschiedenen 2 mM Metallkationen, nämlich Pb2+, Hg2+, Cu2+, hinzugefügt , Fe3+, Fe2+, Ca2+, Zn2+, wurden über die NPCQD-Fluoreszenzflecken gegossen, um die Selektivität der NPCQDs zu untersuchen. Die blaue PL-Emission des NPCQD wurde durch das Hg2+-Ion im Vergleich zu anderen Metallionen besser gelöscht, wie im Einschub von Abb. S1-a gezeigt, aufgrund der Bildung des Quecksilberhydroxidkomplexes auf der Oberfläche von NPCQDs21.

Im nächsten Schritt wurden PVA-Lösungen unterschiedlicher Konzentration, also 0 % (destilliertes Wasser), 1 %, 2 %, 4 % und 10 %, hergestellt und dann mit der NPCQDs-Lösung im Volumenverhältnis 3:1 gemischt und verdünnt der Bestand der NPCQD-Probe viermal. Die Mischung wurde dann 20 Minuten lang in ein 30 °C warmes Ultraschallbad gegeben, wodurch die NPCQD-PVA (NP-PVA)-Kompositlösung entstand. Anschließend wurden 3 µl Tropfen der erhaltenen NP-PVA-Nanokomposite auf ein neues Filterpapier getropft und bei Umgebungstemperatur etwa 30 Minuten lang trocknen gelassen, wodurch die fluoreszierenden Flecken auf dem Papier entstanden.

Auf das Filterpapier wurde eine Matrix aus 3 Reihen und 5 Spalten gedruckt, wobei die drei Reihen NP-PVA-Fluoreszenzflecken, NP-PVA-Fluoreszenzflecken plus 0,5 µl Wassertropfen und NP-PVA-Fluoreszenzflecken plus 0,5 µl Tropfen enthielten von Hg2+ (10 mM). Die Matrixsäulen auf dem Filterpapier enthielten NP-PVA-Fluoreszenzflecken bei fünf unterschiedlichen PVA-Konzentrationen wie eingeführt. Die Matrix wurde so konzipiert, dass die Wirkung der PVA-Dichte auf die Emissionsintensität des NP-PVA-Nanokomposits analysiert und die Wirkung von gegossenem Wasser (FFI) und Hg2+-Tropfen auf die Emission der fluoreszierenden Flecken untersucht wird.

Nach Auswahl der besten PVA-Dichte wurde eine alkalische Behandlung durchgeführt, um den FFI zu kontrollieren. Dazu wurde ein Papier mit einer Reihe von drei 3-µl-Tropfen der optimalen NP-PVA-Fluoreszenzflecken 5 Minuten lang in 6 M NaOH eingeweicht und dann mindestens 10 Minuten lang in Wasser getaucht. Abschließend wurde das Papier flach in den Ofen gelegt und etwa 15 Minuten lang bei 60 °C getrocknet. Es ist zu beachten, dass eine Gelbfärbung des Papiers nach dem Trocknen darauf hinweist, dass noch NaOH-Rückstände auf dem Papier vorhanden sind. Anschließend wurden 0,5 µl Wassertropfen und Hg2+ (10 mM) getrennt auf zwei der alkalisch behandelten NP-PVA-Fluoreszenzflecken gegossen.

Um schließlich den Einfluss der Anzahl der NP-PVA-Schichten auf die Emissionsintensität der alkalisch behandelten Fluoreszenzflecken zu untersuchen, wurde der obige Schritt auf einem anderen Filterpapier mit drei Säulen wiederholt, die jeweils eine, zwei und drei Schichten enthielten NP-PVA, vor der alkalischen Behandlung. Die fluoreszierenden Flecken wurden schließlich mit 0,5 µl Wassertropfen und Hg2+ (10 mM) angefärbt.

Im letzten Schritt wurden die NP-PVA-Fluoreszenz-PADs verschiedenen Hg2+-Konzentrationen von 0,01, 0,05, 0,1, 0,5, 1, 2, 5 und 10 mM ausgesetzt, um die Löschfähigkeit des entworfenen PADs zu untersuchen. Um darüber hinaus die Leistung des Geräts über längere Zeiträume zu untersuchen, wurden die NPCQD-Papier-Nanokomposite bei verschiedenen pH-Werten hergestellt und über 6 Monate lang im Kühlraum und bei Zimmertemperatur aufbewahrt und ihre Emissionen wurden ab dem ersten Tag rechtzeitig aufgezeichnet 360 nm UV-Emission.

Dem erhaltenen UV-sichtbaren Spektrum der synthetisierten NPCQDs zufolge emittieren NPCQDs bei einer Anregungswellenlänge von 360 nm eine blaue Emissionswellenlänge von etwa 440 nm. Die blaue PL-Emission des NPCQD wurde durch das Hg2+-Ion gelöscht, wie in der Abbildung im Anhang dargestellt . S1. Die Quantenausbeute der NPCQDs wurde gegen Chininsulfat als Standard-Fluoreszenzmaterial mit 59 % ermittelt. Die relativ hohe QY der NPCQDs impliziert, dass sie gut oberflächenpassiviert sind, und zwar durch Carboxyl- und Hydroxylgruppen an den Kanten und Polymermoleküle auf der Oberfläche der Quantenpunkte sowie als Ergebnis der Stickstoff- und Phosphordotierung, die effektiv modulieren kann die chemische und elektrische Struktur der Oberfläche von NPCQDs22.

Die Untersuchung der durchschnittlichen Partikelgröße und des Zetapotentials der NPCQDs wurde in drei Replikationen unter Verwendung von DLS und hochauflösendem TEM durchgeführt (Abb. 1-a). Die Ergebnisse zeigen, dass die CQDs einen durchschnittlichen Durchmesser von 7,67 ± 0,94 nm und ein Zetapotential von etwa −24,9 ± 1,5 eV haben. Die erhaltene Größenverteilung wird durch die AFM-Ergebnisse des NP-PVA-Verbundwerkstoffs bestätigt. Die Elementaranalyse der NPCQDs, dargestellt durch XPS, dargestellt in Abb. 1-b und Abb. S2 (Anhang), zeigt einen höheren Phosphorgehalt von 14,7 %, verglichen mit 4,0 % für Stickstoff. Auch der Sauerstoffgehalt ist in diesem NPCQD sehr hoch (42,7 %), beobachtet als C=O-, P-O- und O-C=O-Bindungen, wie durch FTIR-Analyse des NPCQD bestätigt (Abb. S2), wodurch es für spezifische Zwecke geeignet ist Anwendungen.

(a) TEM von NPCQDs (Einschub: Histogramm der Größenverteilung); (b) Die vollständigen XPS-Diagramme von NPCQDs; (c) XRD-Muster von PVA, NPCQDs und NP-PVA-Nanokomposit und (d) Schematische Darstellung der Wasserstoffbindung zwischen NPCQDs und PVA im NP-PVA-Nanokomposit.

In reinem PVA, wie in Abb. 1-c dargestellt, wird der XRD-Peak bei etwa 2θ = 19° der (101)-Kristallinitätsebene zugeschrieben, die aufgrund der halbkristallinen Natur von PVA ziemlich breit ist. In NPCQDs sind neben dem graphitischen (001)-Peak bei etwa 20° auch der sp2-Peak (002) und der (101)-Kohlenstoffkristall in den Bereichen 20°–30° bzw. 40°–50° bemerkenswert. Die kristalline Struktur von NPCQDs beweist ein gutes Ausmaß der Karbonisierung im Syntheseprozess23. Allerdings sind im XRD-Muster der NPCQDs einige Mengen an Polymermolekülen nachweisbar, was den Polymerisationsprozess verdeutlicht, der als Teil der Bildung von NPCQDs abläuft. Tatsächlich werden während des Synthesevorgangs von CQDs im Allgemeinen einige polymerähnliche Cluster als Zwischenprodukte gebildet, insbesondere auf ihrer Oberfläche23, die auch als Oberflächenpassivator dienen, um die PL-Emission der CQDs22 zu verstärken.

Das XRD-Muster des NP-PVA-Komposits zeigt einen Anstieg bei 2θ = 19°. Die Verbesserung der Kristallinität wird der Tatsache zugeschrieben, dass die hohe Anzahl an Hydroxylgruppen (O–H) in PVA zu intra- und intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen und einer Neuordnung von NPCQDs und den PVA-Polymerketten im NP-PVA-Nanokomposit führt und somit die Kristallinität steigert die Kristallinität (Abb. 1-d). Die leichte Verschiebung zu den niedrigeren Winkeln weist darauf hin, dass die Hinzufügung der NPCQDs zur PVA-Matrix zu einer Erhöhung des d-Abstandswerts der Gitterkonstante führt, was eine gute Dispersität der NPCQDs in der PVA-Matrix gemäß der Bragg-Gleichung zeigt. Die Eliminierung von NPCQDs-Peaks zeigt deren Auflösung in der Polymermatrix23,24,25,26.

Wie bereits beschrieben, wurden für die NP-PVA-Verbundsynthese PVA-Lösungen unterschiedlicher Konzentration hergestellt und mit NPCQDs in einem identischen Volumenverhältnis von 3:1 gemischt, also 3 (PVA) zu 1 (NPCQD) Volumeneinheiten. Wie in Abb. 2-a gezeigt, wurden sehr viel stärkere Emissionsintensitäten erreicht, da dickeres PVA als Trägermatrix für die NPCQDs verwendet wurde. Der Grund für diese verstärkte Emission sollte in einer homogeneren Dispersität der fluoreszierenden NPCQDs innerhalb der PVA-Matrix gesucht werden, wodurch der Reabsorptionseffekt minimiert wird27. Wie durch XRD-Ergebnisse bestätigt, wurde infolge der Bildung des NP-PVA-Komposits eine deutliche Verbesserung der Kristallinität beobachtet, die auf eine höhere Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Hydroxylgruppen von PVA (-OH) und Carboxylgruppen (–COOH) zurückzuführen ist. Gruppen an den Rändern der NPCQDs28, was zu einer Neuanordnung und Neuordnung der NPCQDs innerhalb der PVA-Ketten führt und somit die Kristallinität und die Homogenität in der Dispersität der NPCQDs erhöht. Das in dieser Studie verwendete PVA mit einem Hydrolysegrad von über 98 % verfügte über eine große Anzahl von Hydroxylgruppen, wodurch es weitgehend zur Wasserstoffbrückenbindung fähig war.

(a) Die Auswirkung der PVA-Konzentration auf die Emissionsintensität der NP-PVA-Fluoreszenzflecken und der Einfluss auf ihre Emission, wenn sie Wasser und Hg2+-Tropfen ausgesetzt werden; (b) der kontrollierte FFI nach alkalischer Behandlung; und die Auswirkung der Anzahl der NP-PVA-Schichten vor der alkalischen Behandlung auf die Leistung des Geräts (c) zu Beginn und (d) nach 5 Monaten.

Da jedoch die Emission der Fluoreszenzflecken durch die Zugabe von Wassertropfen beeinflusst wurde, musste über eine Methode nachgedacht werden, um zu verhindern, dass die NPCQDs mit dem Strom der Analytflüssigkeit fließen, wenn diese auf die Fluoreszenzflecken gegossen wird! Dieses Phänomen, das hier als FFI bezeichnet wird, muss kontrolliert werden, insbesondere wenn es um sehr niedrige Konzentrationen der Analytlösung geht. Zu diesem Zweck wurde, wie zuvor beschrieben, eine alkalische Behandlung von NP-PVA auf Filterpapier durchgeführt, um PVA zu expandieren und es von einem 2D-Fluoreszenzfleck in eine 3D-PVA-Matrix umzuwandeln, die die NPCQDs darin hält und sie an der Bewegung hindert. Abbildung 2-b zeigt, wie die alkalische Behandlung die FFI stoppt, verglichen mit der Spalte ganz rechts in Abb. 2-a, von 24 % PL-Abfall bei unbehandelten fluoreszierenden Flecken auf nur 8 % bei alkalisch behandelten. Obwohl die alkalische Behandlung und die Waschschritte im Vergleich zur anfänglichen Emission der fluoreszierenden Flecken zu einer erheblichen Verringerung der Emissionsintensität führten, reicht die Änderung der PL-Emission infolge des FFI und der Zugabe von Hg2+-Ionen aus, um das Gerät herzustellen zuverlässig. Die beobachtete Veränderung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass in physikalischen Polymergelen wie PVA physikalische Bindungen wie hier die Wasserstoffbrückenbindung oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen in einigen anderen Polymeren für die Bildung von Verbindungspunkten verantwortlich sind. Daher kann die Verwendung dieser Polymere mit geeigneten Modifikationen, wie der hier verwendeten alkalischen Behandlung, ein großes Volumen bereitstellen, um das Eindringen des Lösungsmittels in die Struktur des Verbundwerkstoffs zu erleichtern29. Um schließlich die Wahrscheinlichkeit der Lösung des Problems der verringerten Anfangsemission zu testen, wurden weitere Schichten von NP-PVA-Verbundwerkstoffen auf das Papier gelegt, um den anfänglichen 2D-Verbundwerkstoff dicker zu machen. Wie in Abb. 2-c dargestellt, reduzieren die alkalischen Behandlungs- und Waschschritte die anfängliche Emission der fluoreszierenden Flecken nahezu gleichmäßig, unabhängig von der anfänglichen Dicke der fluoreszierenden Flecken. Nachdem das fluoreszierende PAD jedoch mehrere Monate lang im Kühlraum belassen wurde, ist eine beträchtliche Veränderung in der Emissionsstärke der dickeren fluoreszierenden Punkte zu beobachten, was zeigt, dass es eine klügere Idee wäre, bei der Herstellung dickere Anfangsschichten des fluoreszierenden Materials zu berücksichtigen Gerät (Abb. 2-d).

Um die Leistung des entworfenen fluoreszierenden PAD zu testen, wurde das Hg2+-Ion in unterschiedlichen Konzentrationen auf die fluoreszierenden Punkte gegossen. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der Titration in zwei verschiedenen linearen Bereichsordnungen, nämlich μM (Abb. 3-a) und mM (Abb. 3-b). Gemäß den erhaltenen Ergebnissen, wie in Abb. 3-c dargestellt, wurden die Nachweisgrenze (LOD) und die minimale Konzentration des sichtbaren Nachweises (MCVD) des entworfenen fluoreszierenden PAD berechnet und mit etwa 100 bzw. 13 ppb angegeben .

Der Effekt der Hg2+-Ionentitration in zwei verschiedenen Bereichsordnungen von (a) μM und (b) mM; und (c) die minimale Konzentration der sichtbaren Detektion und LOD des entworfenen fluoreszierenden PAD.

Bisher gab es nur begrenzte Bemühungen, CQD-basierte fluoreszierende PADs für den Nachweis von Hg2+-Ionen herzustellen. Allerdings waren die in diesen Untersuchungen angegebenen linearen Nachweisbereiche im Allgemeinen sehr begrenzt. Der lineare Nachweisbereich ist als der Bereich der Analytkonzentration definiert, in dem die Signalintensitäten linear proportional zur Menge des Analyten sind, was ein sehr wichtiges Merkmal eines Sensors ist. Im Jahr 2022 stellten Zou et al. verwendeten N-dotierte CQD-basierte fluoreszierende PADs zum Nachweis von Hg2+-Spuren über einen einigermaßen langen linearen Bereich, d. Tabelle 1 zeigt den gemeldeten linearen Bereich und die Nachweisgrenze mehrerer CQD-basierter PADs. Den bereitgestellten Daten zufolge führte die in dieser Studie entwickelte Technik zur Herstellung eines äußerst zuverlässigen Einwegsensors, der durch eine einfache Drop-and-Detect-Methode verwendet werden kann.

Die Dauerhaftigkeit der Emissionsintensität fluoreszierender Spots wird dadurch definiert, wie gut ihre anfängliche Emission ist und wie gut sie über einen Zeitraum von mehreren Monaten anhält. Wie in Abb. 4-a gezeigt, zeigten die NPCQD-Fluoreszenzflecken über mehrere Monate hinweg eine ziemlich gleichmäßige und starke Emission. Bei bei Raumtemperatur gehaltenen NPCQDs wurde jedoch eine bemerkenswerte Rotverschiebung der Emissionswellenlänge von Blau nach Grün beobachtet. Der offensichtliche Anstieg der Emissionsintensitätsaufzeichnungen war darauf zurückzuführen, dass die verwendete Software nicht in der Lage war, Emissionsfarben zu unterscheiden. Basierend auf den Ergebnissen wurden daher ein neutraler pH-Wert und Kühlraumbedingungen als die geeignetsten Aufbewahrungsbedingungen für die entworfenen fluoreszierenden PADs ausgewählt.

Die Auswirkung der Aufrechterhaltung von Temperatur und pH-Wert auf (a) die Haltbarkeit und (b) die Nachhaltigkeit der Emissionsintensität nach 2 Monaten; (c) die Emission der fluoreszierenden PAD'-Emission nach 7 Monaten.

Im Vergleich zur Haltbarkeit berücksichtigt die Nachhaltigkeit die Auswirkungen der Umweltbedingungen darauf, wie intakt die Emissionsintensitäten der fluoreszierenden Flecken über mehrere Monate hinweg blieben, unabhängig davon, wie hoch sie am ersten Tag der Studie waren. Abbildung 4-b zeigt die Auswirkung der Aufrechterhaltung von Temperatur und pH-Wert auf die Nachhaltigkeit der Emission. Wie aus den Ergebnissen hervorgeht, blieben etwa 92 % der Emissionsstärke der NPCQDs-Fluoreszenzflecken bei neutralem pH-Wert und Kühlraumbedingungen nach zwei Monaten erhalten. Unter Berücksichtigung der Haltbarkeit und Nachhaltigkeit der Emission gelten daher ein neutraler pH-Wert und Kühlraumbedingungen als die beste Aufbewahrung, die nach mehreren Monaten zu einer zuverlässigen Leistung führt. Anhand der Daten, basierend auf den eingeführten optimalen Haltungsbedingungen, wurde die PL-Emissionsintensität der Fluoreszenzflecken nach 7 Monaten erfasst. Abbildung 4-c zeigt die Leistung des fluoreszierenden PAD. Obwohl in den ersten Tagen ein Rückgang der Emissionsintensität zu beobachten war, hat sich das konzipierte kostengünstige fluoreszierende PAD als zuverlässiges Gerät erwiesen, das über längere Zeiträume für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann.

Papierbasierte Analysegeräte sind eine vielversprechende Wahl für Schnelltests und Lab-on-Chip-Detektionstechniken und können zusammen mit CQDs aufgrund ihres erweiterten Anwendungsbereichs, der einfachen Drop-and-Detect-Methode und der Verwendung einer einfachen Drop-and-Detect-Methode als industriell vorteilhafte Wahl dienen ihr kostengünstiges Syntheseverfahren im Gramm-Maßstab. Es gab jedoch Einschränkungen beim Einschluss von CQDs auf Zellulosepapieren, sodass sie nicht vom Strom der Analytflüssigkeit umströmt werden, wenn diese auf die fluoreszierenden Stellen gegossen wird, was deren lokalen PL beeinflusst. Daher wird in dieser Untersuchung systematisch eine Behandlungsmethode auf Polyvinylalkohol-/Alkalibasis entwickelt und entwickelt, um die Phänomene, die hier als Einfluss der Flüssigkeitsströmung bezeichnet werden, zu minimieren. Mit dieser Technik werden NPCQDs in einer 3D-Kristallmatrix auf Zellulosepapier eingeschlossen, sodass der FFI vollständig kontrolliert wird. Trotz der starken Verringerung der Emissionsintensität der Fluoreszenzflecken im Vergleich zu ihrer Emission vor der alkalischen Behandlung reicht die Änderung der PL-Emission infolge des FFI und der Zugabe von Hg2+-Ionen aus, um das Gerät zuverlässig zu machen, und das entworfene Gerät zeigte eine Mindestkonzentration des sichtbaren Nachweises von 13 ppb für die Blindprobe, auf die Wasser gegossen wurde. Die Nachweisgrenze des auf Fluoreszenzpapier basierenden Analysegeräts zur Identifizierung von Spuren von Hg2+ wurde mit etwa 100 ppb ermittelt.

Darüber hinaus wird aufgrund der stabilen PL-Eigenschaften der NPCQDs erwartet, dass die so konzipierten fluoreszierenden Analysegeräte auf Papierbasis mehrere Monate lang funktionsfähig sind, was zeigt, dass etwa 92 % der Emissionsstärke der fluoreszierenden NPCQDs-Punkte bei neutralem pH-Wert aufrechterhalten wurden und Kühlraumbedingungen. Den erzielten Ergebnissen zufolge wurde die Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Aufbaus für weitere industrielle Anwendungen nachgewiesen, da kostengünstige, schnelle und umweltfreundliche tragbare Sensoren auf Papierbasis direkt für eine zuverlässige Drop-and-Detect-Methode verwendet werden können. über mehrere Monate.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die vorliegende Arbeit wurde mit der Forschungsunterstützung des Vizepräsidenten für Forschung und Technologie der Shahid Beheshti University durchgeführt.

Proteinforschungszentrum, Shahid Beheshti Universität, Teheran, Iran

Sepideh Zoghi & Moones Rahmandoust

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MR leitete das Projekt. MR und SZ beteiligten sich gleichermaßen an der Durchführung des Projekts, der Analyse der Daten und der Erstellung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Moones Rahmandoust.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zoghi, S., Rahmandoust, M. Eine neuartige Technik zur Überwindung des Einflusses der Flüssigkeitsströmung in kohlenstoffbasierten Quantenpunkten/papierbasierten Analysegeräten. Sci Rep 12, 17861 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22837-2

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Eingegangen: 13. August 2022

Angenommen: 19. Oktober 2022

Veröffentlicht: 25. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22837-2

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