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Jun 15, 2023

Una técnica novedosa para superar la influencia del flujo de fluidos en papel/puntos cuánticos de carbono

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 17861 (2022) Cite este artículo 1638 Accesos 1 Citas 1 Detalles de Altmetric Metrics Los dispositivos analíticos en papel son opciones prometedoras para pruebas rápidas

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 17861 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Los dispositivos analíticos en papel son opciones prometedoras para pruebas rápidas y técnicas de detección de laboratorio en chip. Los puntos cuánticos de carbono (CQD), por otro lado, son nanomateriales biocompatibles, que son industrialmente prometedores, debido a sus técnicas de síntesis a escala de gramos rápidas y rentables, así como a sus propiedades de fotoluminiscencia (PL) significativamente altas y estables, que Son duraderos y fiables durante más de un año. Sin embargo, ha habido limitaciones en el atrapamiento de CQD en papeles de celulosa de manera que su PL no se vea influenciado por el flujo de los CQD con la corriente de fluido analito, lo que hace que los sensores sean menos precisos en concentraciones muy bajas de analitos líquidos. Por lo tanto, en esta investigación, se generó y desarrolló sistemáticamente un método de base alcalina/alcohol polivinílico para atrapar CQD dentro de una matriz cristalina 3D en papel, de manera que puedan usarse directamente como sondas para un método simple de colocar y detectar. . Como prueba de concepto, se utilizó CQD dopado con N/P sobre papel de celulosa para fabricar dispositivos analíticos basados ​​en papel fluorescente para identificar trazas de Hg2+ de alrededor de 100 ppb. El sensor diseñado fue probado durante varios meses, para estudiar su durabilidad y funcionalidad durante largos períodos, para posibles aplicaciones industriales.

Los puntos cuánticos de carbono (CQD) son una clase de nanomateriales famosos por sus importantes propiedades de fotoluminiscencia (PL), sus técnicas de síntesis rápidas y a escala de gramos, así como por su biocompatibilidad y facilidad de funcionalización de superficies. Pueden emitir una variedad de longitudes de onda diferentes, dependiendo de su tamaño, como principal factor influyente, la configuración de los bordes, la estructura química y los dopajes de heteroátomos, que generalmente duran varios meses1. Esta característica hace que los CQD sean sondas prometedoras para un monitoreo analítico fácil de mezclar y detectar de diversos analitos ambiental y biológicamente importantes.

Los polímeros, por otro lado, son materiales que se utilizan en la vida cotidiana para una amplia gama de aplicaciones. Los mundos de los polímeros y los CQD se encuentran de diversas maneras; Los polímeros pueden usarse como precursores en el proceso de síntesis de CQD, o pueden usarse como herramientas de modificación de superficies o como matrices de soporte para contener CQD y producir compuestos fluorescentes. En los últimos años, los CQD se conjugaron cada vez más en matrices poliméricas y geles poliméricos para diferentes aplicaciones2,3,4, que van desde aplicaciones biológicas, como bioimagen y administración de fármacos o agentes anticancerígenos y parches para la cicatrización de heridas, hasta aplicaciones no biológicas, como detección, supercondensadores. , electrocatálisis y diodos emisores de luz5,6,7,8,9.

Entre los polímeros naturales, los papeles de filtro celulósicos generalmente se consideran soportes prometedores para ser utilizados en la fabricación de diversos dispositivos de detección y separación basados ​​en CQD u otras sustancias huésped funcionales. Tienen una porosidad, biodegradabilidad y flexibilidad adecuadas, así como una gran superficie natural de color blanco, lo que brinda la posibilidad de funcionalizarlos como materiales celulósicos con propiedades de ingeniería10. Además, la celulosa es un polímero químicamente inerte. Por lo tanto, el polímero natural puede albergar la inmovilización de diversas sustancias funcionales, sin esperar interacciones entre el huésped y el huésped, como otros polímeros, nanopartículas, proteínas, ADN y moléculas pequeñas11. Por lo tanto, se espera lograr un amplio espectro de plataformas inteligentes de detección y monitoreo que respondan a estímulos para diversos biomarcadores de enfermedades y contaminaciones ambientales basadas en la lectura de señales de fluorescencia12,13,14.

El desarrollo de dispositivos basados ​​en celulosa hidrófila o nitrocelulosa comenzó hace menos de una década para satisfacer la creciente necesidad de sistemas de diagnóstico médico portátiles y en el lugar de atención. Los dispositivos analíticos en papel (PAD) son fáciles de usar y fáciles de usar para no expertos y pueden tener rendimientos analíticos ajustables. Estos dispositivos suelen consistir en algunos grupos de detección de papel hidrófilo que contienen CQD. Como ventaja adicional, cuando los CQD se incrustan dentro de los PAD, la inmovilización de los CQD en la estructura del armazón de polímero natural contribuye a la mejora de su PL al prevenir la extinción de la fluorescencia inducida por la agregación. Sin embargo, la sensibilidad de detección sigue siendo un factor crucial que es necesario mejorar. Cuando los CQD-PAD se fabrican secando gotas de CQD sobre papel, la señal de fluorescencia del sensor se ve afectada por la caída de agua sobre el punto fluorescente. Este fenómeno se observa porque el CQD en el papel se mueve con el flujo de la muestra en blanco goteada, creando una región más oscura. Por lo tanto, es necesario evitar que se deslicen con el flujo de muestras líquidas para lograr resultados más precisos, a bajas concentraciones.

A lo largo de los años siguientes, algunos académicos intentaron abordar la cuestión del atrapamiento de CQD. Copur et al. y Li et al. y Jiang et al. son tres de los ejemplos15,16,17. Li y col. diseñaron otro CQD-PAD utilizando una plataforma híbrida de papel de celulosa y polidimetilsiloxano (PDMS), en la que los CQD se cargaron en el papel y luego se transfirieron a una matriz de ranuras de placas PDMS. Probaron el rendimiento de su sensor con ácido fólico, con un límite de detección de 0,28 μM. También demostraron que este tipo de dispositivos son mucho más sensibles que los sistemas comunes basados ​​en soluciones, lo que los convierte en candidatos para un futuro brillante y previsible para aplicaciones prácticas en biodetección y diagnóstico clínico16. En otro enfoque para lograr una plataforma in situ, se empleó una estrategia de monitoreo del cambio de color para la detección de Cr(VI). Para ello, se goteó una solución espesa de CQD sobre el papel y se dejó secar. Luego se dejó caer el analito objetivo sobre el papel de prueba, mostrando un cambio en el color de la emisión de amarillo a azul bajo la luz UV de 365 nm con la concentración creciente de Cr (VI)18. En 2022, los CQD dopados con N se integraron en una membrana de nitrocelulosa para desarrollar una nanosonda de papel para la detección de Hg2+. Para ello, primero se lavó la membrana del filtro con una solución de etanol y agua para eliminar sus impurezas y luego se sumergió en una solución de CQD durante 30 min. Luego, el PAD preparado se tituló con diferentes concentraciones de solución de Hg2+19. En el estudio, se demostró que el CQD-PAD dopado con N preparado es capaz de detectar in situ Hg2+ en agua ambiental y alimentos, lo que hace que el dispositivo de papel sea valioso. Sin embargo, encontrar soluciones fiables para abordar el problema sigue siendo motivo de preocupación.

Por lo tanto, en este artículo, se generó y desarrolló sistemáticamente una técnica de base alcalina/alcohol polivinílico para atrapar CQD dopados con N/P (NPCQD) como puntos fluorescentes en papel y fabricar PAD fluorescentes para identificar rastros de contaminación por iones Hg2+ en el agua. El propósito de esta investigación es controlar que los NPCQD fluyan con la corriente de líquido analito, a medida que se vierte sobre los puntos fluorescentes, utilizando un método simple de soltar y detectar. Por lo tanto, se tomaron las medidas adecuadas para reducir el fenómeno, denominado aquí influencia del flujo de fluido (FFI). Finalmente, el sensor diseñado fue probado durante un período de 7 meses para estudiar su durabilidad y funcionalidad.

Todos los productos químicos se compraron a Sigma Aldrich y Merck Chemical Companies, Alemania. El tamaño promedio de las partículas y el potencial zeta se confirmaron mediante el método de dispersión dinámica de la luz (DLS) (HORIBA modelo SZ-100, Kyoto, Japón). Todos los experimentos se realizaron en tres repeticiones, a temperatura ambiente, en un ángulo de dispersión de 90°, utilizando una fuente de luz láser HeNe de 632,8 nm, con una intensidad máxima de 10 mW. Se realizó microscopía electrónica de transmisión (TEM) de campo brillante y alta resolución para analizar la morfología, el tamaño de las partículas y el comportamiento de aglomeración. Los NPCQD se diluyeron altamente en agua destilada. Luego la suspensión se homogeneizó en un baño de ultrasonidos durante 5 min. Inmediatamente después del tratamiento ultrasónico, se colocaron microgotas en rejillas TEM de carbono de encaje de 3 mm (TED PELLA INC.) y se dejaron secar durante al menos 30 minutos. Posteriormente, las rejillas que contienen los NPCQD se analizaron en un TEM JEOL 2200FS, Tokio, Japón, que opera a 200 kV.

La espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) se realizó utilizando PHI 5000 Versaprobe, Physical Electronics, Minnesota, EE. UU. y el instrumento de microscopía de fuerza atómica (AFM) empleado fue el Easyscan 2 Nanosurf, Liestal, Suiza. Se empleó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) (Thermo-Nicolet NEXUS 470, Illinois, EE. UU.) para analizar los enlaces químicos de los NPCQD sintetizados. El espectro de difracción de rayos X (DRX) se registró mediante un difractómetro DMAX-2500 (Rigaku, Japón), utilizando una fuente de radiación de rayos X Cu Kα1, en el rango de 2θ entre 1° y 80°, para proporcionar información sobre la Estructura cristalina de las partículas. Se utilizó espectroscopía ultravioleta-visible para caracterizar las propiedades ópticas de los CQD (espectrofotómetro UV/Vis/NIR LAMBDA 950 de PerkinElmer, EE. UU.) en cubetas de vidrio óptico, con una longitud de paso de 10 mm. Se utilizó un espectrofotómetro de fotoluminiscencia (PerkinElmer LS45, Massachusetts, EE. UU.). En el estudio de las propiedades ópticas, las muestras se diluyeron en diferentes concentraciones cada una, hasta una densidad óptica de aproximadamente 0,1, para minimizar el efecto de reabsorbancia20. Con el fin de capturar imágenes de las muestras preparadas en papel de celulosa, se utilizó el generador de imágenes con campana de documentación INTAS Gel (Göttingen, Alemania) junto con la cámara móvil iPhone Pro Max 11 para fotografiar las emisiones de puntos de carbono. Las imágenes obtenidas se analizaron utilizando la aplicación ImageJ para Android (IJ_Mobile®, versión 1.1, 2013).

Los CQD dopados con N/P se prepararon de acuerdo con los métodos descritos anteriormente con modificaciones menores, utilizando un método hidrotermal de un solo paso1. Se disolvieron bien monohidrato de ácido cítrico (0,30 g) y fosfato dibásico de amonio (0,75 g) en 20 ml de agua destilada y se calentaron hidrotermalmente en un reactor revestido de teflón a 180 °C durante 4 h. La solución de color marrón oscuro obtenida que contenía los NPCQD se neutralizó a pH 7,0, después de alcanzar la temperatura ambiente. Luego se centrifugó a 20 k rpm durante 15 min y se filtró para eliminar las partículas grandes.

Inicialmente, la solución de NPCQD se diluyó cuatro veces con agua destilada y se vertieron gotas de 3 µl de la solución diluida en un papel de filtro de celulosa Whatman grado 591. Luego, se agregaron 0,5 µl de siete cationes metálicos diferentes de 2 mM, a saber, Pb2+, Hg2+, Cu2+. , Fe3+, Fe2+, Ca2+, Zn2+, se vertieron sobre los puntos fluorescentes de NPCQD, para estudiar la selectividad de los NPCQD. La emisión de PL azul del NPCQD fue mejor apagada por el ion Hg2+ en comparación con otros iones metálicos, como se muestra en el recuadro de la Fig. S1-a, debido a la formación del complejo de hidróxido de mercurio en la superficie de los NPCQD21.

En el siguiente paso, se prepararon soluciones de PVA de diferentes concentraciones, es decir, 0% (agua destilada), 1%, 2%, 4% y 10%, y luego se mezclaron con la solución de NPCQD en una proporción de volumen de 3:1, diluyendo el stock de la muestra NPCQD cuatro veces. Luego, la mezcla se colocó en un baño de sonicación a 30 °C durante 20 minutos, generando la solución compuesta NPCQD-PVA (NP-PVA). Luego, se dejaron caer gotas de 3 µl de los nanocompuestos de NP-PVA obtenidos sobre un papel de filtro nuevo y se dejaron secar a temperatura ambiente durante aproximadamente 30 minutos, creando manchas fluorescentes en el papel.

Se imprimió una matriz de 3 filas y 5 columnas en el papel de filtro, en la cual las tres filas contenían manchas fluorescentes de NP-PVA, manchas fluorescentes de NP-PVA más una gota de 0,5 µl de agua y manchas fluorescentes de NP-PVA más una gota de 0,5 µl. de Hg2+ (10 mM). Las columnas de matriz sobre el papel de filtro contenían manchas fluorescentes de NP-PVA en cinco concentraciones diferentes de PVA tal como se introdujeron. La matriz fue diseñada para analizar el efecto de la densidad de PVA sobre la intensidad de emisión del nanocompuesto NP-PVA y estudiar el efecto del vertido de agua (FFI) y gotas de Hg2+ sobre la emisión de puntos fluorescentes.

Después de elegir la mejor densidad de PVA, se realizó un tratamiento alcalino para controlar el FFI. Para ello, se empapó un papel que contenía una fila de tres gotas de 3 µl de los puntos fluorescentes óptimos de NP-PVA en NaOH 6 M durante 5 minutos y luego se sumergió en agua durante al menos 10 minutos. Finalmente, el papel se colocó en posición horizontal en el horno y se secó a 60 °C durante aproximadamente 15 min. Cabe señalar que si el papel se vuelve amarillo después del secado, indica que todavía hay residuos de NaOH en el papel. Posteriormente, se vertieron gotas de 0,5 µl de agua y Hg2+ (10 mM) sobre dos de las manchas fluorescentes de NP-PVA tratadas alcalinamente, por separado.

Finalmente, para estudiar el efecto del número de capas de NP-PVA sobre la intensidad de emisión de los puntos fluorescentes tratados alcalinos, se repitió el paso anterior en otro papel de filtro con 3 columnas, cada una de las cuales contenía una, dos y tres capas del NP-PVA, antes del tratamiento alcalino. Las manchas fluorescentes finalmente se tiñeron con gotas de 0,5 µl de agua y Hg2+ (10 mM).

En la etapa final, los PAD fluorescentes de NP-PVA se expusieron a varias concentraciones de Hg2+ de 0,01, 0,05, 0,1, 0,5, 1, 2, 5 y 10 mM para estudiar la capacidad de extinción del PAD diseñado. Además, para estudiar el rendimiento del dispositivo durante períodos más prolongados, los nanocompuestos de papel NPCQD se crearon a varios pH y se mantuvieron en una cámara fría y a temperatura ambiente durante más de 6 meses y sus emisiones se registraron oportunamente a partir del primer día, bajo Emisión UV de 360 ​​nm.

Según el espectro UV-visible obtenido de los NPCQD sintetizados, bajo una longitud de onda de excitación de 360 ​​nm, los NPCQD emiten una longitud de onda de emisión azul de aproximadamente 440 nm. La emisión azul PL del NPCQD fue apagada por el ion Hg2+, como se muestra en la figura del apéndice. .S1. El rendimiento cuántico de los NPCQD se obtuvo frente al sulfato de quinina como material fluorescente estándar y fue igual al 59%. El QY relativamente alto de los NPCQD implica que están bien pasivados en la superficie, por grupos carboxilo e hidroxilo en los bordes y moléculas poliméricas en la superficie de los puntos cuánticos, y como resultado del dopaje con nitrógeno y fósforo, que puede modular eficazmente la estructura química y eléctrica de la superficie de los NPCQD22.

El estudio del tamaño promedio de partícula y el potencial zeta de los NPCQD se realizó en tres replicaciones utilizando DLS y TEM de alta resolución (Fig. 1-a). Los resultados revelan que los CQD tienen un diámetro promedio de 7,67 ± 0,94 nm, con un potencial zeta de aproximadamente − 24,9 ± 1,5 eV. La distribución de tamaño obtenida se confirma mediante los resultados de AFM del compuesto NP-PVA. El análisis elemental de los NPCQD, como lo representa XPS, que se muestra en la Fig. 1-b y la Fig. S2 (Apéndice), informa un contenido de fósforo más alto del 14,7 %, en comparación con el 4,0 % del nitrógeno. El contenido de oxígeno también es muy alto en este NPCQD (42,7%), observado como enlaces C = O, P – O y O – C = O, como lo confirma el análisis FTIR del NPCQD (Fig. S2), lo que lo hace adecuado para aplicaciones específicas. aplicaciones.

(a) TEM de NPCQD (recuadro: histograma de distribución de tamaños); (b) Los diagramas XPS completos de los NPCQD; (c) Patrones XRD de nanocompuestos de PVA, NPCQD y NP-PVA, y (d) Ilustración esquemática del enlace de hidrógeno entre NPCQD y PVA en el nanocompuesto de NP-PVA.

En PVA puro, como se muestra en la Fig. 1-c, el pico XRD en alrededor de 2θ = 19 ° se atribuye al plano de cristalinidad (101), que es bastante ancho, debido a la naturaleza semicristalina del PVA. En los NPCQD, además del pico grafítico (001) alrededor de 20 °, los picos cristalinos de carbono sp2 (002) y (101) son notables en los rangos de 20 ° –30 ° y 40 ° –50 °, respectivamente. La estructura cristalina de los NPCQD demuestra un buen grado de carbonización en el proceso de síntesis23. Sin embargo, se pueden detectar algunas cantidades de moléculas poliméricas en el patrón XRD de los NPCQD, lo que resalta el proceso de polimerización que ocurre como parte de la formación de los NPCQD. De hecho, durante el procedimiento de síntesis de los CQD, generalmente se forman algunos grupos similares a polímeros como productos intermedios, especialmente en su superficie23, que también sirven como pasivador de superficie para mejorar la emisión de PL de los CQD22.

El patrón XRD del compuesto NP-PVA muestra un aumento en 2θ = 19°. La mejora de la cristalinidad se atribuye al hecho de que la gran cantidad de grupos hidroxilo (O-H) en el PVA conduce a enlaces de hidrógeno intra e intermoleculares y al reordenamiento de los NPCQD y las cadenas de polímero de PVA en el nanocompuesto NP-PVA, lo que aumenta la cristalinidad (Fig. 1-d). El ligero desplazamiento hacia los ángulos inferiores indica que la adición de los NPCQD a la matriz de PVA conduce a un aumento en el valor del espaciado d de la constante de red, lo que muestra una buena dispersión de los NPCQD en la matriz de PVA según la ecuación de Bragg. La eliminación de los picos de NPCQD demuestra su disolución en la matriz polimérica23,24,25,26.

Como se describió anteriormente, para la síntesis compuesta de NP-PVA, se prepararon soluciones de PVA de diferentes concentraciones y se mezclaron con NPCQD con una proporción de volumen idéntica de 3:1, como 3 (PVA) a 1 (NPCQD) unidad de volumen. Como se muestra en la Fig. 2-a, se lograron intensidades de emisión mucho más fuertes cuando se utilizó PVA más grueso como matriz de soporte para los NPCQD. La razón detrás de este aumento de la emisión debe buscarse en una dispersión más homogénea de los NPCQD fluorescentes dentro de la matriz de PVA, minimizando el efecto de reabsorción27. Como lo confirman los resultados de XRD, como resultado de la formación del compuesto NP-PVA, se observó una mejora significativa en la cristalinidad, debido a un mayor número de enlaces de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de PVA (-OH) y carboxilo (-COOH). grupos en los bordes de los NPCQD28, lo que lleva a la reorganización y reordenamiento de los NPCQD dentro de las cadenas de PVA y, por lo tanto, aumenta la cristalinidad y la homogeneidad en la dispersión de los NPCQD. El PVA utilizado en este estudio, con más del 98% de grado de hidrólisis, tenía una gran cantidad de grupos hidroxilo, lo que lo hacía ampliamente capaz de formar enlaces de hidrógeno.

(a) El efecto de la concentración de PVA sobre la intensidad de emisión de los puntos fluorescentes de NP-PVA, y la influencia sobre su emisión, cuando se exponen al agua y a gotas de Hg2+; (b) el FFI controlado después del tratamiento alcalino; y el efecto del número de capas de NP-PVA antes del tratamiento alcalino sobre el rendimiento del dispositivo (c) inicialmente y (d) después de 5 meses.

Sin embargo, dado que la emisión de los puntos fluorescentes se vio influenciada por la adición de gotas de agua, fue necesario pensar en un método para detener el flujo de los NPCQD con la corriente de fluido analito, tal como se vierte sobre los puntos fluorescentes. Este fenómeno, que aquí se denominó FFI, es necesario controlar, especialmente cuando se trata de concentraciones muy bajas de solución de analito. Para eso, como se describió anteriormente, se realizó un tratamiento alcalino de NP-PVA sobre papel de filtro para expandir el PVA y convertirlo de un punto fluorescente 2D a una matriz de PVA 3D que contiene los NPCQD, evitando que se muevan. La Figura 2-b muestra cómo el tratamiento alcalino detiene el FFI, en comparación con la columna de la derecha en la Fig. 2-a, desde una caída del 24% de PL en manchas fluorescentes no tratadas a solo un 8% en las tratadas con alcalinos. Aunque el tratamiento alcalino y los pasos de lavado condujeron a una reducción importante en la intensidad de la emisión, en comparación con la emisión inicial de los puntos fluorescentes, el cambio en la emisión de PL como resultado del FFI y la adición de iones Hg2+ es suficiente para hacer que el dispositivo confiable. El cambio observado se debe al hecho de que en geles de polímeros físicos como el PVA, los enlaces físicos como el enlace de hidrógeno aquí, o las interacciones de Van der Waals en algunos otros polímeros, son responsables de la formación de puntos de unión. Por lo tanto, con modificaciones adecuadas, como el tratamiento alcalino aquí empleado, el uso de estos polímeros puede proporcionar una gran cantidad de volumen para facilitar la penetración del disolvente en la estructura del composite29. Finalmente, para probar la probabilidad de resolver el problema de la reducción de la emisión inicial, se colocaron más capas de compuestos NP-PVA sobre el papel para hacer que el compuesto 2D inicial fuera más grueso. Como se muestra en la Fig. 2-c, los pasos de tratamiento alcalino y lavado reducen la emisión inicial de las manchas fluorescentes casi por igual, independientemente del espesor inicial de las manchas fluorescentes. Sin embargo, después de dejar el PAD fluorescente en la cámara fría durante varios meses, se observa un cambio considerable en la fuerza de emisión de los puntos fluorescentes más gruesos, lo que demuestra que sería una idea más inteligente considerar capas iniciales más gruesas del material fluorescente al hacer el dispositivo (Fig. 2-d).

Para probar el rendimiento del PAD fluorescente diseñado, se vertió el ion Hg2+ en diferentes concentraciones sobre los puntos fluorescentes. La Figura 3 muestra los resultados de la titulación en dos órdenes de rango lineal diferentes, a saber, μM (Fig. 3-a) y mM (Fig. 3-b). De acuerdo con los resultados obtenidos, como se muestra en la Fig. 3-c, se calculó y se informó que el límite de detección (LOD) y la concentración mínima de detección visible (MCVD) del PAD fluorescente diseñado eran aproximadamente 100 y 13 ppb, respectivamente. .

El efecto de la titulación de iones Hg2+ en dos órdenes de rango diferentes de (a) μM y (b) mM; y (c) la concentración mínima de detección visible y LOD del PAD fluorescente diseñado.

Anteriormente, se habían realizado esfuerzos limitados para fabricar PAD fluorescentes basados ​​en CQD para la detección de iones Hg2+. Sin embargo, los rangos lineales de detección informados en estas investigaciones fueron en general muy limitados. El rango lineal de detección se define como el intervalo de concentración de analito en el que las intensidades de la señal son linealmente proporcionales a la cantidad de analito, que es una característica muy importante de un sensor. Sin embargo, en 2022, Zou et al. utilizaron PAD fluorescentes basados ​​en CQD dopados con N para detectar rastros de Hg2+ en un rango lineal razonablemente largo, es decir, 0–50 μM, que sigue siendo la mitad del rango lineal logrado en este estudio, con un LOD de 800 nM. La Tabla 1 muestra el rango lineal informado y el límite de detección de varios PAD basados ​​en CQD. Según los datos proporcionados, la técnica que se desarrolló en este estudio condujo a la fabricación de un sensor desechable significativamente confiable, que puede usarse mediante un método simple de colocar y detectar.

La durabilidad de la intensidad de emisión de los puntos fluorescentes se define como qué tan buena es su emisión inicial y qué tan bien dura durante un período de varios meses. Como se muestra en la Fig. 4-a, las manchas fluorescentes de NPCQD mostraron una emisión bastante constante y fuerte durante varios meses. Sin embargo, se observó un notable corrimiento al rojo en la longitud de onda de emisión en NPCQD mantenidos a temperatura ambiente, del azul al verde. El aparente aumento en los registros de intensidad de emisión se debió a la incapacidad del software empleado para distinguir los colores de emisión. Por lo tanto, según los resultados, se seleccionaron condiciones de pH neutro y cámara frigorífica como las condiciones de conservación más adecuadas para los PAD fluorescentes diseñados.

El efecto de mantener la temperatura y el pH sobre (a) la durabilidad y (b) la sostenibilidad de la intensidad de las emisiones después de 2 meses; (c) la emisión del PAD fluorescente después de 7 meses.

En comparación con la durabilidad, la sostenibilidad tiene en cuenta los impactos de las condiciones ambientales sobre el grado de integridad de las intensidades de emisión de los puntos fluorescentes durante varios meses, independientemente de lo alta que fuera el primer día del estudio. La Figura 4-b muestra el efecto de mantener la temperatura y el pH en la sostenibilidad de la emisión. Según lo admitido por los resultados, aproximadamente el 92% de la potencia de emisión de los puntos fluorescentes de NPCQD se mantuvo a pH neutro y en condiciones de cámara fría después de 2 meses. Por lo tanto, considerando simultáneamente la durabilidad y la sostenibilidad de la emisión, el pH neutro y las condiciones de cámara frigorífica se consideran las mejores condiciones de conservación, lo que conduce a un rendimiento fiable después de varios meses. Utilizando los datos, basándose en las condiciones óptimas de mantenimiento introducidas, se registró la intensidad de emisión de PL de los puntos fluorescentes después de 7 meses. La Figura 4-c muestra el rendimiento del PAD fluorescente. Como se puede observar, aunque se observó una caída en la intensidad de las emisiones, en los primeros días, el PAD fluorescente rentable diseñado ha demostrado ser un dispositivo confiable que puede emplearse para diversas aplicaciones durante períodos más largos.

Los dispositivos analíticos en papel son opciones prometedoras para pruebas rápidas y técnicas de detección de laboratorio en chip y, junto con los CQD, pueden servir como opciones industrialmente favorables, debido a su gama ampliada de aplicaciones, utilizando un método simple de colocar y detectar y su rentable proceso de síntesis a escala de gramos. Sin embargo, ha habido limitaciones en el atrapamiento de CQD en papeles de celulosa de manera que no fluyan por la corriente de fluido analito, ya que se vierte sobre las manchas fluorescentes, lo que influye en su PL local. Por lo tanto, en esta investigación, se genera y desarrolla sistemáticamente un método de tratamiento a base de alcohol polivinílico/alcalino para minimizar el fenómeno, denominado aquí influencia del flujo de fluido. Usando esta técnica, los NPCQD quedan atrapados dentro de una matriz cristalina 3D sobre papel de celulosa, de manera que el FFI está completamente controlado. A pesar de la importante reducción en la intensidad de emisión de los puntos fluorescentes, en comparación con su emisión antes del tratamiento alcalino, el cambio en la emisión de PL como resultado del FFI y la adición de iones Hg2+ es suficiente para hacer que el dispositivo sea confiable y el dispositivo diseñado mostró una concentración mínima de detección visible de 13 ppb para la muestra en blanco sobre la que se vertió agua. Se obtuvo que el límite de detección del dispositivo analítico basado en papel fluorescente para identificar trazas de Hg2+ era de aproximadamente 100 ppb.

Además, debido a las propiedades PL estables de los NPCQD, se espera que los dispositivos analíticos basados ​​en papel fluorescente diseñados funcionen durante varios meses, lo que demuestra que aproximadamente el 92 % de la potencia de emisión de los puntos fluorescentes de los NPCQD se mantuvo a pH neutro. y condiciones de la cámara frigorífica. Según los resultados obtenidos, se demostró la confiabilidad de la configuración propuesta para otras aplicaciones industriales, como sensores portátiles basados ​​en papel, rentables, rápidos y respetuosos con el medio ambiente, que se pueden usar directamente para un método confiable de colocar y detectar. durante varios meses.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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El presente trabajo se realizó con el apoyo de investigación de la vicepresidencia de investigación y tecnología de la Universidad Shahid Beheshti.

Centro de Investigación de Proteínas, Universidad Shahid Beheshti, Teherán, Irán

Sepideh Zoghi y Moones Rahmandoust

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MR dirigió el proyecto. MR y SZ contribuyeron igualmente a la realización del proyecto, analizando los datos y escribiendo el manuscrito.

Correspondencia a Moones Rahmandoust.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zoghi, S., Rahmandoust, M. Una técnica novedosa para superar la influencia del flujo de fluidos en puntos cuánticos de carbono/dispositivos analíticos basados ​​en papel. Informe científico 12, 17861 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22837-2

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Recibido: 13 de agosto de 2022

Aceptado: 19 de octubre de 2022

Publicado: 25 de octubre de 2022

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

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