Reine und dotierte Kohlenstoff-Quantenpunkte als Fluoreszenzsonden zum Nachweis von Phenolverbindungen und Antibiotika in Aquarien

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12863 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die durch den kontinuierlichen Klimawandel, die Urbanisierung und den steigenden Nahrungsmittelbedarf entstehenden Antibiotikarückstände und organischen Chemikalien wirken sich nachteilig auf den Schutz der Umwelt und der menschlichen Gesundheit aus. Deshalb haben wir einen einzigartigen fluoreszierenden Nanosensor auf der Basis von B, N-CQDs (Bor, Stickstoff dotierende Kohlenstoffquantenpunkte) entwickelt, um neuartige Sensormethoden für die präzise und konzentrierte Identifizierung von Antibiotika und Phenolderivaten zu untersuchen und sicherzustellen, dass sie in den zulässigen Prozentsätzen enthalten sind . Die so hergestellten stark fluoreszierenden B, N-CQDs hatten in unserer Studie einen begrenzten Größenbereich zwischen 1 und 6 nm und eine durchschnittliche Größe von 2,5 nm. Die neuartigen B, N-CQDs zeigten eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität für Phenolderivate wie Hydrochinon, Resorcin und para-Aminophenol sowie organische Lösungsmittel wie Hexan mit niedrigen Nachweisgrenzen von 0,05, 0,024, 0,032 bzw. 0,013 µM in einem wässriges Medium. Die hochfluoreszierenden B- und N-CQDs-Sonden wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgenbeugung (XRD), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und UV/VIS-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Kohlenstoffquantenpunkten (CQDs) verglichen, die zuvor aus Harnstoff erzeugt wurden.

Der Klimawandel und das globale Bevölkerungswachstum haben die Nachfrage nach Nahrungsmitteln und Medikamenten erhöht. Bedenken hinsichtlich der Fischerei haben zu einem Missbrauch von Antibiotika geführt, da diese häufig eingesetzt wurden. Im Jahr 2010 wurden rund 63.000 Tonnen Antibiotika eingesetzt, bis zum Jahr 2030 wird ein Anstieg auf 107.000 Tonnen prognostiziert. Jedes Jahr sterben über 700.000 Menschen an Krankheiten, die durch antibiotikaresistente Bakterien verursacht werden, was die Krankheit zu einem ernsten Problem in unserer Gesellschaft macht. Bis zum Jahr 2050 könnte diese Zahl, wenn nichts dagegen unternommen wird, 10 Millionen erreichen2.

Aufgrund der Einleitung kontaminierter Abwässer aus Industrie-, Landwirtschafts- und Haushaltsaktivitäten kommen in Gewässern phenolische Verbindungen vor. Diese Stoffe sind bekanntermaßen gefährlich und haben negative Auswirkungen auf Menschen und Tiere. Hydrochinon, eines der primären Phenolderivate, ist eine bekannte hepatotoxische und krebserregende Chemikalie3. Jüngste Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Hydrochinon das Krebsrisiko erhöhen kann, indem es die DNA schädigt und das Immunsystem beeinträchtigt4. Aminophenole sind potenziell gefährliche und mutagene Chemikalien, die in der Industrie, Medizin und Landwirtschaft verwendet oder freigesetzt werden5,6. Paraaminophenole (PAP) werden auch als Rohstoff für die Herstellung von Paracetamol verwendet, einem der weltweit am häufigsten hergestellten Medikamente. Für die orale Verabreichung stehen sie schon seit längerem zur Verfügung7. Die PAP-Menge weltweit nimmt jährlich um 5 % zu. PAP induziert Nephrotoxizität und induziert, ähnlich wie Paracetamol, Hepatotoxizität8. Darüber hinaus beeinträchtigt (PAP) das Leben im Wasser9,10. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, nach hocheffizienten, umweltfreundlichen und stabilen ungiftigen Technologien zu suchen.

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wie überlegener Ungiftigkeit und Biokompatibilität, mechanischer Festigkeit und thermischer Stabilität haben kohlenstoffbasierte Nanomaterialien in letzter Zeit großes Forschungsinteresse auf sich gezogen. Diese Eigenschaften eröffnen zahlreiche Möglichkeiten in verschiedenen Forschungsbereichen11,12 Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs) sind nulldimensionale (0D) Materialien mit einer durchschnittlichen Größe von weniger als 10 nm13. CQDs haben ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Gesundheit und Umwelt14.

Aufgrund des Potenzials für neue Forschungen zu den Mechanismen und verbesserten zukünftigen Methoden zur Erkennung verschiedener Umgebungschemikalien waren CQD-basierte Sensoren Gegenstand umfangreicher Forschung. Aufgrund ihrer hohen Photostabilität, Biokompatibilität, relativen Fluoreszenzstärke und ihres kontrollierbaren Photolumineszenzpotenzials für die Oberflächenfunktionalisierung17 wurde angenommen, dass es sich um eine vielversprechende Strategie zur Erkennung von Schadstoffen und zur Umweltüberwachung handelt15,16. Es hat sich gezeigt, dass die Dotierung von CQDs mit N-, P-, S- und B- und anderen Heteroatomen ihre Bandlücke und Elektronendichte verändert, ihre Quantenausbeute erhöht und ihren Anwendungsbereich erweitert18. Dotierte CQDs erkennen erfolgreich unerwünschte Arzneimittel und Umweltschadstoffe wie Pestizide, Antibiotika, phenolische Chemikalien, polyaromatische Kohlenwasserstoffe und Schwermetallionen19.

Die meisten der berichteten dotierten CQDs werden unter Verwendung von zwei oder mehr teuren Reaktionsvorläufern hergestellt, was die Reinigung erschweren kann20. Daher ist es immer noch eine Herausforderung, einen einfachen, leicht verfügbaren und kostengünstigen Vorläufer für die Herstellung zweier verschiedener Arten von mit Heteroatomen dotierten CQDs zu finden. Um die Vielfalt und Verwendung von CQDs weiter zu verbessern, beabsichtigen wir, neuartige, einzigartige CQDs zu synthetisieren, die mit Stickstoff und Bor dotiert sind, und zwar durch eine einfache, einfache Methode für variable Sensoranwendungen.

Unsere Forschung konzentriert sich auf Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs) und wie sie zum Nachweis verschiedener Chemikalien verwendet werden können. Dieser Nachweis ist für biologische, pharmakologische und ökologische Zwecke von Bedeutung. Es werden fortschrittliche innovative optische Doppelfunktionssensoren auf Basis von B, N-CQDs untersucht. Wir zeigen, wie kreative, auf Nanomaterialien basierende analytische Biosensoren das Vorhandensein von Antibiotikarückständen erfolgreich erkennen, quantifizieren und bestätigen können, um sicherzustellen, dass sie innerhalb des zulässigen Prozentsatzes liegen.

Darüber hinaus demonstrieren sie ihre Fähigkeit, Phenolderivate in wässrigen Lösungen als chemische Sensoren nachzuweisen. Ihre optischen und chemischen Eigenschaften werden hier ausführlich besprochen, wobei der Schwerpunkt auf den Fortschritten bei der Herstellung lumineszierender Nanopartikel mit verschiedenen Sensoranwendungen liegt, um die Entwicklung effizienterer, anfälligerer und genauerer Sensoren zu empfehlen. Es ist wichtig zu erwähnen, dass diese innovative Technologie nicht nur eine Art von Antibiotika erkennt; Es identifiziert mehrere Typen und bestimmt auch die unterschiedlichen Konzentrationen jedes einzelnen. Das zeichnet unsere Arbeit aus und wird von anderen nicht erreicht. Abschließend werden neue Standpunkte vorgestellt, um die zahlreichen Chancen und Hindernisse hervorzuheben, die noch ungelöst sind, aber für die Erschließung des vollen Potenzials dieser starken Nanomaterialien von entscheidender Bedeutung sind.

Wir beschreiben die beispiellose Erfassungsstrategie der fluoreszierenden B- und N-kodotierten CQDs, die zeitaufwändige und kostspielige herkömmliche Techniken überflüssig macht. Daher hilft es, fortschrittliche umweltfreundliche Sensoren für verschiedene zukünftige Anwendungen zu entwickeln. Und stellen Sie eine Technik zur Erstellung von Dual-Mode-Sensorsystemen bereit, die auf brandneuen, auf Reize reagierenden Materialien für verschiedene analytische Anwendungen basieren.

Zitronensäuremonohydrat, Harnstoff, Trinatriumcitrat und Borsäure wurden alle von Sigma-Aldrich und Merck Chemical Company bezogen. Salpetersäure (HNO3, 72 %) und Natriumhydroxid (NaOH, 99 %) extrareines Pellet von Oxford Lab Fine Chem. Indien, Erythromycin, Floroquin und Penicillin wurden von (Medical Professions for Veterinary Products Co. MUVCO) bezogen. Oxytetracyclinhydrochlorid wurde von (Pharma SWEDE) bezogen. Die getesteten Antibiotika wurden durch Berechnung der äquivalenten Wirkstoffe und Abwiegen des Pulvers hergestellt. Hydrochinonpulver (+ 99 %) wurde von (Chemsavers, Ägypten) gekauft, und p-Aminophenolpulver (99 %) und Resorcin (99 %) wurden von (Sigma-Aldrich) gekauft. Alle Chemikalien wurden als Reagenzienqualität gekennzeichnet und ohne weitere Reinigung wie erhalten verwendet. Für alle Experimente wurde doppelt entionisiertes Wasser verwendet.

Durch ein thermisches Zersetzungsverfahren21 wurden CDs mit minimalen Veränderungen hergestellt. Um durchscheinende Lösungen herzustellen, wurden 40 ml entionisiertes Wasser mit 6 g Zitronensäure und 12 g Harnstoff gemischt. In einem Elektroofen wurde die transparente Lösung auf 200 °C erhitzt und 4 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend ließ man die Kombination auf natürliche Weise auf Umgebungstemperatur abkühlen und verwandelte sich von einer farblosen Flüssigkeit in einen schwarzen Feststoff. Anschließend wurden die Produkte in entionisiertem Wasser gelöst und die CDs mit einem 0,45 μm-Membranfilter filtriert. Endlich wurde eine Lösung für CDs gefunden. Auf den erstellten CDs wurden weitere Untersuchungen und Anwendungen durchgeführt.

Die mit B und N kodotierten CDs wurden durch die Kombination zuvor beschriebener Verfahren mit minimalen Änderungen erstellt22. 3 g Trinatriumcitrat, 3 g Harnstoff und 3 g Borsäure wurden mit 150 ml entionisiertem Wasser gemischt und vier Stunden lang bei 180 °C in einem Edelstahlautoklaven mit Teflonbeschichtung hydrothermal behandelt. Die CDs wurden dann unter Verwendung eines Filterpapier-0,45-µm-Membranfilters filtriert, nachdem der Autoklav unter Umgebungsbedingungen auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Aufgrund der hohen Intensität und Quantenausbeute der Endlösung wurde 1 ml (13 mg mL−1) der CD-Stammlösung zur weiteren Charakterisierung und Anwendung auf 50 ml verdünnt.

Zunächst wurden Stammlösungen verschiedener Konzentrationen der Antibiotika Oxytetracyclinhydrochlorid, Penicillin, Erythromycin und Floroquin hergestellt. Um genaue Ergebnisse zu gewährleisten, wurden die Wirkstoffkonzentrationen aller Antibiotika konstant gehalten. Es wurde eine identische Stammlösung aus Toluol, Acetonitril, Hexan, Butan, THF, Hydrochinon, Resorcin und para-Aminophenol mit Konzentrationen im Bereich von 500 nM bis 5 µM hergestellt.

Eine kleine Menge Antibiotikalösung (0,1 ml) wurde zu 0,1 ml verdünnter B,N-CQDs-Lösung gegeben und 5 Minuten lang bei Raumtemperatur vorsichtig gerührt. Anschließend war die Lösung unter Verwendung eines Perkin Elmer-Fluoreszenzspektrophotometers Modell LS55 mit einer Anregungswellenlänge von 330 nm für PL-Messungen (Photolumineszenzspektroskopie) bereit. Für die Bestimmung von Phenolderivaten wurde das gleiche Verfahren angewendet. Alle Messungen wurden unter den gleichen Bedingungen und bei Raumtemperatur durchgeführt.

Über die Fluoreszenzquantenausbeute von B, N-CQDs wurde in früheren Studien berichtet23. Sie wurde anhand der folgenden Gleichung unter Verwendung von Fluoreszenz als Standard berechnet, dessen Quantenausbeute etwa 0,95 beträgt.

Dabei bezeichnet Y die Quantenausbeute, FX und Fs die integrierte Fluoreszenzintensität, AX und As die Absorption und ηx und ηs die Brechungsindizes des Lösungsmittels der CDs bzw. der Fluoresceinlösung. Bei 340 nm wurde die Absorption gemessen und das Fluoreszenzspektrum bei dieser Wellenlänge erhalten.

Um die kristallinen Strukturen der hergestellten Materialien zu untersuchen, wurden Röntgenbeugungsmuster (XRD) mit einem Röntgenbeugungsspektrophotometer unter Verwendung von Cu K-Strahlung (λ = 1,5406, Betriebsspannung 45 kV und Strom 40 mA) in einer Schrittgröße aufgezeichnet von 0,02° und 2θ-Bereich von 20–90°.

Zur Untersuchung der Nanopartikelmorphologie wurde ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verwendet (JEM-1400 Plus, Japan). Die Probe wurde durch Auflösen von Nanopartikeln in destilliertem Wasser, 30-minütige Ultraschallbehandlung zur Gewährleistung einer vollständigen Dispersion und anschließendes Auftragen eines einzelnen Tropfens der Nanopartikellösung auf ein kohlenstoffbeschichtetes Kupfergitter (400 Maschen) und Trocknen bei Raumtemperatur erhalten.

Die FTIR-Spektren wurden mit Hilfe von (Nicolet 6700, Nicolet, USA) aufgenommen. Alle Spektren wurden unter Verwendung von Pellets erhalten, die durch Kombination von KBr (Sigma Aldrich) mit reinem Pulver der hergestellten Nanopartikel im Bereich von 4000–400 cm− hergestellt wurden. UV-Vis Das Absorptionsspektrum wurde mit dem thermischen Wissenschaftsmodell EVO300 untersucht.

TEM wurde verwendet, um die Größe und Morphologie der synthetisierten CQDs zu beschreiben. TEM-Bilder und Histogramm in Abb. 1a, b zeigen, dass B-, N-dotierte CQDs und CQDs eine gleichmäßige Verteilung mit guter Dispersion der morphologischen Strukturen von Quasikugeln mit durchschnittlichen Größen von 2,5 bzw. 6 nm aufweisen.

TEM-Bilder und Histogramm von (a) B, N-dotierten CQDs (b) Kohlenstoffquantenpunkten (CQDs).

XRD-Muster der vorbereiteten CQDs und B-, N-codotierten CQDs sind in Abb. 2a, b dargestellt. Breite, bucklige Beugungspeaks, die bei den dotierten bzw. reinen CQDs bei 27° und 30° zentriert sind, offenbaren die amorphe Struktur beider Materialien, was auf die Produktion unglaublich ungeordneter Kohlenstoffatome hinweist. Die beobachteten Beugungspeaks entsprechen dem Zwischenschichtabstand von 3,2 und 2,8 Å für CQD- bzw. B- und N-codotierte CQDs 24 (Ergänzende Informationen 1 und 2).

XRD-Muster von (a) B, N-dotierten CQDs (b) Kohlenstoffquantenpunkten (CQDs).

FTIR-Messungen wurden durchgeführt, um die funktionelle Gruppe auf der Oberfläche der vorbereiteten CQDs zu untersuchen. Die FTIR-Analyse für die synthetisierten CQDs und B, N-dotierten CQDs ist in Abb. 3a, b dargestellt. Die Spektren der beiden Proben zeigen eine starke Breitbandigkeit bei 3440 cm−1, vergleichbar mit –OH-Streckschwingungen und N-H-Bindungen. CH war für die Absorptionspeaks bei 2771 cm−1 verantwortlich. Starke Banden bei der Wellenzahl 1600–1750 cm−1 zeigen das Vorhandensein von C=O-Bindungen auf der Oberfläche der Partikel, was auf die Anwesenheit des Citratmoleküls auf der Oberfläche der Partikel hinweist, was den CDs ihre Hydrophilie und Wasserkraft verleiht -lösliche Eigenschaften sowie Erhöhung ihrer Stabilität. Die Banden bei 1400 cm−1 und 1453 cm−1 waren mit CN bzw. –CO vergleichbar. Der Schwingungspeak von C=N wurde bei 1643 cm−1 entdeckt. Andererseits zeigten die FTIR-Spektren der synthetisierten B, N-dotierten CQDs Unterschiede zu denen von CQDs, wie z. B. eine B-O-Streckschwingung bei 1405 cm−1 und einen Absorptionspeak für B-O-C bei 920 cm− 1. B-OH-Biegeschwingungen und C=B-Streckschwingungen zeigten Peaks bei 1189 cm−1 bzw. 1076 cm−1. Die beiden Peaks erschienen jedoch bei 1354 cm−1 und 816 cm−1. (B-N-Streckschwingung in der Ebene bzw. B-N-Biegeschwingung außerhalb der Ebene) sind mit sp2-gebundenem B-N verbunden. Alle FTIR- und XRD-Daten zeigten erfolgreich die Bildung von B-, N-dotierten CQDs und den funktionellen Gruppen B–O, B–O–C, B–OH, C=B, C–N, N–H und C= N bestätigen die Dotierung und sorgen für hohe Leistung und außergewöhnliche Sensoreigenschaften.

FTIR-Spektren von (a) Kohlenstoffquantenpunkten (CQDs) und (b) B, N-dotierten CQDs.

UV-Vis-Absorptions- und Photolumineszenzspektren wurden verwendet, um die optischen Eigenschaften der synthetisierten B-, N-CQDs und CQDs aus Harnstoff zu bewerten. Entionisiertes Wasser verdünnte die Proben auf 0,2–0,05 mg/ml. Die erzielten Ergebnisse sind in Abb. 4a,b dargestellt. Das UV-sichtbare Spektrum der hergestellten CQDs in Wasser zeigt drei Absorptionsbanden25 bei 320 nm, 360 nm und 430 nm, die dem π → π*-Übergang von C=C- oder C=O-Bindungen entsprechen, in denen das Orbital sp2 war hybridisierte und unterschiedliche Banden bei 350 nm und 340 nm wurden dem n → π*-Übergang der Kantenfunktionsgruppenelektronen von B-, O- und N-Atomen zugeordnet26.

UV-VIS-Absorptionsspektren von (a) B- und N-codotierten CQDs (b) Kohlenstoffquantenpunkt-CQDs.

Diese Atome haben eine stärkere Elektronegativität als Kohlenstoff; Daher ziehen sie induktiv Elektronen aus π-Orbitalen. Die Konjugation mit vielen Kohlenstoffatomen erleichterte den Prozess. Der ausgedehnte Absorptionsschwanz, der bis zu 550 nm reicht, wird durch Übergänge niedriger Energie innerhalb der Oberflächenzustände verursacht, die durch funktionelle Oberflächengruppen27 verursacht werden. Um die optischen Eigenschaften weiter zu untersuchen, wurde die Photolumineszenz (PL)-Variation von B, N-CQDs und CQDs aus Harnstoff mit unterschiedlichen stimulierten Wellenlängen untersucht, um mehr über ihre PL-Merkmale zu erfahren. Die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Anregende Peaks werden bei 470 nm für alle angeregten Wellenlängen für das so hergestellte B, N-CQD beobachtet. Die Intensität der Peaks nimmt mit abnehmender Anregungswellenlänge von 330 auf 270 nm ab, Abb. 5a.

(a) Photolumineszenzspektren von B, N-CQDs bei verschiedenen Anregungswellenlängen 270,280,290,300 und 330 nm. (b) Photolumineszenzspektren von CQDs bei verschiedenen Anregungswellenlängen 300,330,350 und 380 nm. (c) Vergleich der Fluoreszenzspektren von B, N-CQDs und CQDs mit einer Anregungswellenlänge von 330 nm.

Andererseits sind aus Harnstoff hergestellte CQDs in Abb. 5b dargestellt. Die Intensität der Peaks nimmt mit zunehmender Anregungswellenlänge von 300 auf 380 nm ab; Das bedeutet, dass die Intensitätsspitzen mit abnehmender Anregungswellenlänge stärker werden. Der Bandlückenübergang, der die Fluoreszenzschwankung der hergestellten CQDs regulieren kann, kann zu einer Vergrößerung der Bandlücke führen.

Wie bereits beobachtet, ist diese intrinsische Eigenschaft auf die variablen Partikelgrößen und die weite Verteilung der Emissionsfallenstellen auf so vorbereiteten CQDs zurückzuführen. Obwohl der Mechanismus der Photolumineszenz von CQDs unbekannt ist, ist bekannt, dass er maßgeblich mit den Zuständen, der Verteilung und der Assoziation funktioneller Gruppen auf der Oberfläche zusammenhängt28. Abbildung 5c ​​vergleicht die Fluoreszenzspektren von CQDs und den dotierten CQDs bei einer Anregungswellenlänge von 330 nm, was eine signifikante Rotverschiebung der Fluoreszenz zur höheren Wellenlänge (niedrigere Energie) von 480 bis 600 nm für die hergestellten CQDs aus Harnstoff veranschaulicht. Andererseits ist es wichtig zu erwähnen, dass ein Filter verwendet wurde, um die Fluoreszenzintensität der co-dotierten CQDs um das Zehnfache zu reduzieren, um diese Ergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Fluoreszenz für die B, N-CQDs. Diese offensichtliche Variation bestätigt, dass die B, N-CQDs einzigartige Fluoreszenzeigenschaften haben und als vielversprechende Nanosonde für variable Anwendungen verwendet werden können.

In dieser Studie wurden Vergleiche zwischen B-, N-CQDs und CQDs aus Harnstoff erörtert und bestätigt, dass B- und N-CQDs besser sind. Eine kleine Menge und eine geringe Konzentration reichten aus, um die gewünschten Ergebnisse zu messen und zu erzielen. Es sind keine kostenintensiven Vorbereitungen erforderlich, was sich in der Praxis wirtschaftlich auswirkt. Wir können also sagen, dass B, N-dotierte CQDs vielversprechende Fluoreszenzsonden zum Nachweis variabler Antibiotika in wässrigen Lösungen sind.

Die CQDs wurden als Fluoreszenzsensoren für die empfindliche und selektive Bestimmung von Antibiotika verwendet, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß, basierend auf den oben beschriebenen Vorteilen, die die hervorragende Photolumineszenzleistung der so hergestellten CQDs zusammenfassen. Antibiotikarückstände in großen Mengen in Aquakulturen und im Trinkwasser stellen eine ernsthafte Bedrohung dar. Die in der ägyptischen Aquakultur am häufigsten verwendeten Antibiotika sind Oxytetracyclinhydrochlorid, Erythromycin, Penicillin und Floriquin. Diese Antibiotika wurden als Testpersonen ausgewählt, um ihre Lichtwahrnehmungsfähigkeiten unter Verwendung überlegener CQDs als Chemosensor zu untersuchen. Dadurch wird das Fluoreszenzsignal des aus CQDs und verschiedenen Antibiotika (AB) bestehenden Sensorsystems variiert. Die Ergebnisse werden in Abb. 6 beschrieben und dargestellt.

Repräsentatives Fluoreszenzlöschspektrum nach Zugabe variabler Antibiotika für (a) B, N-CQDs, (b) CQDs.

Bei mehreren Antibiotika unter denselben Analysebedingungen veränderten sich die Fluoreszenzspektren des B, N-CQD (AB)-Detektionssystems. Penicillin und Erythromycin haben eine stärkere Fluoreszenzlöschungsreaktion als die anderen Antibiotika; Sie sind jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt, Abb. 6a. Im Fall von CQDs zeigten die Ergebnisse jedoch, dass Penicillin und Oxytetracyclinhydrochlorid eine stärkere fluoreszenzlöschende Wirkung haben als die anderen Antibiotika, Abb. 6b. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Fluoreszenzlöschungsreaktion von CQDs und das B, N-Co-Dotierungs-CQDs-Sensorsystem Penicillin mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit und Selektivität nachweisen konnten. Daher gilt es als eine neue erfolgreiche Sensorsonde, die zwischen mehreren Antibiotikatypen und einem Typ unterscheiden kann, was unsere Arbeit vom Rest der bisherigen Ergebnisse unterscheidet.

Die Ergebnisse der untersuchten B, N-CQD für verschiedene Antibiotika sind in Abb. 7a dargestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass Penicillin und Erythromycin eine stärkere fluoreszenzlöschende Wirkung haben. Gemäß der grafischen Darstellung der Fluoreszenzlöschungsprozentsätze reagieren CQDs empfindlicher auf den Nachweis von Penicillin und Erythromycin als jedes andere Antibiotikum. Aus Harnstoff hergestellte CQDs waren selektiver für Penicillin und Oxytetracyclinhydrochlorid Abb. 7b. Es ist wichtig zu beachten, dass nach dem Vergleich von co-dotierten CQDs und CQDs B, N-CQDs-basierte Sensoren aufgrund ihrer spezifischen, stark fluoreszierenden Eigenschaften effektiver sind als CQDs (Filter wurden verwendet, um die Fluoreszenzintensität um zehn zu reduzieren). falten).

Quenching-Prozentdiagramm zur Demonstration der selektiven Wirksamkeit von Antibiotika für die untersuchten (a) B-, N-CQDs und (b) CQDs.

(a) Die meisten Studien gehen davon aus, dass die Kohlenstoffkernzustände, Oberflächendefektzustände und Molekülzustände hauptsächlich die komplexe Fluoreszenzcharakteristik von CQDs verursachen.

Die Kohlenstoffkernzustände, die durch die Trennung des Valenz- und Leitungsbandes der π-Domäne, hauptsächlich vom Graphenkern, verursacht werden,

Der Oberflächendefektzustand ist der primäre Fluoreszenzmechanismus der am besten untersuchten CQDs, die von verschiedenen funktionellen Oberflächengruppen erzeugt werden. Die Kombination dieser zahlreichen funktionellen Gruppen führt zu einer anregungsabhängigen Emission, mehrfarbigen Emissionen und einer komplizierten Strahlungsrelaxation. Darüber hinaus verbessert die heteroatomare Dotierung mit Elementen wie N, S und B die Strahlungsrekombination und erhöht die Quantenausbeute von Oberflächendefektzuständen30.

Die Fluorophore oder Chromophore auf der Oberfläche von CQDs verursachen die fluoreszierenden molekularen Zustände. Die molekularen Zustände zeigten ein Verhalten, das mit organischen Farbstoffen identisch war, die häufig eine hohe Quantenausbeute, scheinbare Stärke, starke Fluoreszenz und eine schwache Photobleichbeständigkeit aufweisen.

Fluorophore sind als Chromophore Verbindungen, die Licht im UV- oder sichtbaren Spektrum absorbieren. Sie geben einen Teil des Lichts als Strahlung wieder ab, dieser Vorgang wird Fluoreszenz genannt.

Die Fluoreszenzlöschung, die zur Analytdetektion verwendet werden kann, kann aus spezifischen Wechselwirkungen von CQDs mit verschiedenen Molekülen, einschließlich Metallionen, Antibiotika und Proteinen, resultieren31.

Der Abschreckprozess kann je nach Abschrecksystem statisch oder dynamisch sein. Der Quencher und die Fluoreszenzsonde gehen während des statischen Löschvorgangs eine nicht fluoreszierende Verbindung ein. Die Anzahl dieser Komplexe nimmt mit zunehmender Konzentration der Quenchermoleküle [Q] zu. Die Quencherkonzentrationen haben jedoch keinen Einfluss auf die entsprechende Fluoreszenzlebensdauer (Abklingrate der Fluoreszenz).

Ein empfohlener Löschprozess für CQDs ist das statische Löschen, das auftritt, wenn sie mit Analyten in Kontakt kommen und aufgrund einer starken Bindungsverbindung einen neuen Grundzustand des Analyt-CQD-Komplexes erzeugen. Nachdem die CQDs stimuliert wurden, kann die Fluoreszenz auch durch dynamische Kollision mit dem Löscher gelöscht werden, was zu einem strahlungslosen Energietransfer führt32.

Beim dynamischen Quenchen kollidiert das Quenchermolekül mit dem Fluorophor, während es stimuliert wird, wodurch sich die Quencherkonzentrationen ändern. Infolgedessen nehmen die Änderung des KSV und der zugehörige Lebensdauerwert T mit zunehmender [Q]-Quencher-Konzentration gemäß der folgenden Gleichung33 ab:

KSV ist die Stern-Volmer-Konstante und T ist die Fluoreszenzabklingrate.

Zwischen den CQDs und dem Analyten kann auch ein photoinduzierter Elektronentransfer (PET) stattfinden. Wenn Analyt und elektronenreiche/arme CQDs interagieren, kann sich ein Elektron von einer Struktur zur anderen bewegen. Aus diesem Grund sind die Elektronen gezwungen, einen anderen Weg einzuschlagen (Elektron fällt vom niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) zum höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) der CQDs). PET kann in zwei Kategorien unterteilt werden: oxidativer Elektronentransfer, bei dem CQDs als Elektronendonoren fungieren, und reduktiver Elektronentransfer, bei dem CQDs als Elektronenempfänger fungieren. Das Elektron bewegt sich während des oxidativen Elektronentransfers typischerweise vom LUMO der CQDs zum LUMO des Löschers. Für den reduktiven Elektronentransfer vom Beim Vergleich des LUMO des Quenchers mit dem HOMO der CQDs führen beide Situationen häufig zu einer verringerten Fluoreszenz34.

Der Nachweis von Analyten hing nicht nur von einem kontaktbasierten Löschprozess ab. Es gibt weitere berührungslose Methoden, die zum Nachweis einer Vielzahl von Analyten verwendet werden können, darunter der innere Filtereffekt (IFE), der Fluoreszenz- und Chemilumineszenz-Resonanzenergietransfer (FRET und CRET) und andere35.

Unter optimalen experimentellen Bedingungen wurden den B, N-CQDs-Lösungen unterschiedliche Konzentrationen von Penicillin- und Erythromycin-Standardlösungen zugesetzt. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die PL-Messungen der analysierten B- und N-CQDs mithilfe eines Filters untersucht wurden. Bei unterschiedlichen Penicillinkonzentrationen veränderte sich das Erkennungssystem. Die Penicillinkonzentrationen im 1-ml-Nachweissystem betrugen 0, 5,8, 10,3, 23,2, 47,68, 93,4, 143,04, 300 und 350 µM, wie in Abb. 8a dargestellt. Wenn die Penicillinkonzentration unter den gleichen Analysebedingungen erhöht wird, nimmt die Fluoreszenzintensität im Sensorsystem stetig ab.

(a) PL-Spektren von B, N-CQDs nach Zugabe verschiedener Konzentrationen von Penicillin und (b) Diagramm der Fluoreszenzintensitätsverhältnisse von Io/I gegen die Konzentration von Penicillin (µM) im Bereich von 0 µM bis 350 µM.

Andererseits zeigt Abb. 9a die Beziehung zwischen Erythromycin-Konzentration und Fluoreszenzintensität in einem 1-ml-Detektionssystem mit Erythromycin-Konzentrationen von 2, 10, 60, 100, 400, 800 nM, 1,7, 5, 10, 20, 40 und 80 µM. Den Beobachtungen zufolge nimmt die Fluoreszenzlöschung zu, wenn die Konzentration steigt.

(a) FL-Spektren von B, N-CQDs nach Zugabe verschiedener Konzentrationen von Erythromycin und (b) Diagramm der Fluoreszenzintensitätsverhältnisse von Io/I gegen die Konzentration von Erythromycin (µM) im Bereich von 2 nM bis 80 µM.

Es ist wichtig zu beachten, dass Penicillin und Erythromycin die Fluoreszenzintensität von B- und N-CQDs löschten und dass die Fluoreszenzlöschung mit steigenden Antibiotikakonzentrationen zunahm. Darüber hinaus bestätigt dies die unübertroffene Empfindlichkeit von B, N-CQDs. Daher gilt sie als eine neuartige, erfolgreiche Nachweissonde, die eine ausgezeichnete Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Antibiotikakonzentrationen aufweist (Ergänzende Informationen 3).

Die Empfindlichkeit von B, N-CQDs gegenüber Antibiotika wie Penicillin und Erythromycin wurde unter perfekten experimentellen Bedingungen getestet. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 8b, 9b. Die Fluoreszenzintensität (Io/I) nimmt mit steigender Antibiotikakonzentration zu, wobei Io und I die Fluoreszenzintensität von B- und N-CQDs in Abwesenheit bzw. Anwesenheit von Antibiotika waren. Die Konzentrationsbereiche für Penicillin und Erythromycin lagen bei 0 bis 350 µM bzw. 2 nM bis 60 µM. Innerhalb der Grenzen der linearen Regressionsgleichung zeigte das Diagramm eine ausgezeichnete lineare Beziehung und der lineare Korrelationskoeffizient (R2) betrug 0,962 bzw. 0,9818. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Nachweisgrenze basierend auf 3σ/S 10 nM und 5 nM betrug, wobei σ und S die Standardabweichung bzw. Steigung der Kurve darstellen. Die analytische Leistung dieser Arbeit ist in Tabelle 1 angegeben.

Die synthetisierten B,N-CQDs stellen aktive Zentren und ein hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis für die Adsorption von Antibiotika bereit. Darüber hinaus kann es die Bandlücke verändern, was zu einem Anstieg der Fluoreszenz führt, der zur Herstellung von Sensoren genutzt werden könnte36.

Es ist allgemein bekannt, dass die Adsorptionsgeschwindigkeit am stärksten vom Anteil aromatischer Ringe in Antibiotika beeinflusst wird37. Antibiotika mit verschiedenen aromatischen Ringen verbessern ihre Bindungsfähigkeit an B-, N-CQD-Oberflächen. Dies deutet darauf hin, dass die Anzahl der aromatischen Ringe, die ein Antibiotikum besitzt, einen Einfluss darauf hat, wie schnell es sich an kohlenstoffbasierte Materialien binden kann. Wie bereits erwähnt, beruht die Bindung von Antibiotika an B, N-CQDs hauptsächlich auf der π-π-Wechselwirkung38. Gemäß der Begründung B würden N-CQDs auf absehbare Zeit zu den besten dualfunktionalen Nanosensoren gehören.

Phenolderivate und die Verschmutzung durch Phenolverbindungen sind zwei der größten Herausforderungen, mit denen die Weltbevölkerung konfrontiert ist. Aufgrund ihrer Toxizität und ihrer Fähigkeit, über längere Zeiträume in der Umwelt zu verbleiben, ist es wichtig, die Menge phenolischer Verbindungen in unserer Umwelt zu überwachen. In dieser Studie waren wir daran interessiert, CQDs zum Nachweis phenolischer Chemikalien einzusetzen.

Die einzigartigen untersuchten CQDs spielen eine entscheidende Rolle beim Nachweis von Phenolanaloga (para-Aminophenol, Resorcin und Hydrochinon), bei denen es sich um bekannte Kontaminanten handelt. Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse für B, N-CQDs und CQDs als vielversprechende Sensoren für die Phenoldetektion, und wir bewerten ihre Selektivität und Empfindlichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln. Abbildung 10a zeigte, dass sich die Fluoreszenzintensität von mit B und N gleichzeitig dotierten CQDs durch die Zugabe von Phenolderivaten leicht änderte, was auf ihre hohe Selektivität für den Hydrochinonnachweis gegenüber Resorcin und dann Aminophenol hinweist. CQDs weisen unter den gleichen Bedingungen die höchste Empfindlichkeit für den Nachweis von Phenolderivaten auf als alle anderen organischen Lösungsmittel. Abbildung 10b zeigte, dass die CQDs gegenüber den Phenolverbindungen empfindlicher sind als jedes andere organische Lösungsmittel und selektiver gegenüber Resorcinol als andere. Den Ergebnissen zufolge belegen Löschprozentdiagramme die besondere Effizienz der untersuchten CQDs für eine Reihe von Phenolderivaten (Hydrochinon, Resorcin und para-Aminophenol). Aufgrund ihrer phenolischen chemischen Struktur zeigten sie eine stärkere Fluoreszenzlöschungsreaktion als die anderen organischen Lösungsmittel, was bedeutet, dass CQDs empfindlicher auf die Erkennung von Chemikalien mit Phenolderivaten reagieren als jedes andere organische Lösungsmittel. Im Fall von B- und N-kodotierten CQDs, Abb. 11a. Den Ergebnissen zufolge hat Hydrochinon eine stärkere fluoreszenzlöschende Wirkung. CQDs hingegen waren selektiver für Resorcin, Abb. 11b.

Repräsentatives Fluoreszenzlöschspektrum bei Zugabe variabler organischer Verbindungen und Phenolderivate für (a) B, N-CQDs und (b) Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs).

Quenching-Prozentdiagramm zur Demonstration der selektiven Effizienz verschiedener organischer Verbindungen und Phenolderivate für die untersuchten (a) B, N-CQDs (b) CQDs.

Nach dem Vergleich von co-dotierten CQDs und CQDs ist es wichtig zu erwähnen, dass Sensoren auf der Basis von B, N-CQDs aufgrund ihrer charakteristischen hohen Fluoreszenzeigenschaften wirksamer sind als CQDs (ein Filter war erforderlich, um die Fluoreszenz um das Zehnfache zu verringern). Daher wurde erwartet, dass B, N-CQDs die vielversprechendste Sonde für den Nachweis von Phenolderivaten sind.

Das FT-IR-Spektrum zeigte den Vergleich zwischen reinen B, N-dotierten CQDs und verschiedenen Peaks, die einige funktionelle Gruppen auf der Oberfläche von B, N-CQDs mit Zielanalyten darstellen. Abb. 12. Streckschwingung von C-OH (3400 cm−). 1) und C=C (1700 cm−1). Zusätzlich wurden Schwingungsabsorptionsbanden entsprechend C=O und C–O–C bei 1700 cm–1, 1500 cm–1 und 1250 cm–139 aufgezeichnet.

FT-IR-Spektrenvergleich von B, N-CQDs und verschiedenen Analyten.

Basierend auf früheren Daten liefert PL genauere, präzisere und detailliertere Ergebnisse als FTIR, um die Fluoreszenz von CQDs mit verschiedenen Analyten zu untersuchen, selbst bei niedrigen Konzentrationen (Konz. < 80 µM), wobei die Fluoreszenzspektrometrie eine der vielversprechendsten Analysemethoden ist.

Der Nachweis von Phenolderivat-Chemikalien wurde mithilfe der erworbenen B- und N-Co-Dotierungs-CQDs untersucht. Für PL-Messungen wurden unterschiedliche Konzentrationen von Phenolderivaten im Bereich von 5 bis 500 µM in eine wässrige Lösung von B, N-CQDs eingebracht. Wie in Abb. 13 dargestellt, nimmt bei einer Anregungswellenlänge von 330 nm die Fluoreszenzintensität der B, N-CQDs mit zunehmender Konzentration der Phenolderivatverbindungen ab. Dieser Befund impliziert, dass Phenolderivate wie Hydrochinon, Resorcin und para-Aminophenol die B-, N-CQD-Fluoreszenz löschen können.

PL-Spektren von B, N-CQDs und Fluoreszenzintensitätsverhältnisse von Io/I gegenüber der Konzentration im Bereich von 500 µM bis 5 µM von (a) Hydrochinon, (b) Resorcinol, (c) Para-Aminophenol und (d) Hexan.

Der Zusammenhang zwischen dem Fluoreszenzlöschwert (Io/I) und der Konzentration der Phenolderivate [Q] ist in Abb. 13 dargestellt. (Io und I sind die Fluoreszenzintensität von B, N-CQDs bei 330 nm in Abwesenheit und Gegenwart von Phenolderivaten). Das Fluoreszenzdiagramm (Abb. 13a–c) zeigt eine ausgezeichnete lineare Korrelation mit Hydrochinon, Resorcin und para-Aminophenol mit Konzentrationen im Bereich von 5 µM bis 500 µM. Der entsprechende Wert des Regressionskoeffizienten (R2) betrug 0,989, 0,977 bzw. 0,981, was die lineare Beziehung bestätigt. Die Nachweisgrenze (LOD) wurde zu 0,05, 0,024 und 0,032 µM berechnet, basierend auf der Formel LOD = 3δ/S, wobei S die Steigung des linearen Kalibrierungsdiagramms und δ die Standardabweichung des Blindsignals ist.

B- und N-Co-Dotierungs-CQDs beschränkten sich nicht auf die Bestimmung von Phenolderivaten. Dennoch können damit auch organische Lösungsmittel identifiziert werden, und aus der Darstellung in Abb. 13d geht klar hervor, dass die Löschung zunimmt, wenn die Konzentration von Hexan (einem Beispiel für ein organisches Lösungsmittel) zunimmt. Das in Abb. 13d dargestellte Diagramm bestätigt die Ergebnisse. Eine ausgezeichnete lineare Beziehung kann mit einem linearen Bereich von 5–500 µM, einem R2-Wert von 0,9707 und einer Nachweisgrenze (LOD) von 0,013 µM beobachtet werden. Die vollständigen Daten sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Die zahlreichen Carboxylgruppen auf der Oberfläche von CQDs ermöglichen die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen mit Phenol, was zu einer bemerkenswerten Selektivität und Empfindlichkeit für den Phenolnachweis führt. Forschungen zur Dichtefunktionaltheorie (DFT) und zur zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) haben gezeigt, dass die Wasserstoffbrückenbindungen (C=O·•·H–O) zwischen Phenol und fluoreszierenden CQDs die Fähigkeit der CQDs zur Fluoreszenzlöschung verursachen. Komplex (CQDs @ Phenol) war das Wasserstoffbrückenmodell, das am stabilsten war. Das O-Atom von CQDs und das H-Atom von Phenol bilden eine Wasserstoffbrücke, die eine bemerkenswerte Empfindlichkeit für den Phenolnachweis ermöglicht.

Die analytische Leistung dieser Untersuchung wurde mit früheren Nachweismethoden für Antibiotika und Phenolderivate verglichen und die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 aufgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Nachweisgrenze dieses Experiments niedriger ist als die der meisten zuvor veröffentlichten Ansätze, der lineare Bereich beträgt breit gefächert, und es ist keine aufwändige chemische Modifikation erforderlich. Unser Sensorgerät übertrifft herkömmliche fluoreszierende Nanosonden bei der präzisen Erkennung von Antibiotika und Phenolderivaten. Daher wird er als dualfunktionaler Nanosensor klassifiziert. Aber die anderen hatten nicht diese starke Leistung. Die Empfindlichkeit einer Sonde zum Nachweis von Phenolderivaten, Pestiziden und Antibiotika sowie unterschiedlichen Arzneimitteln wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Zu diesen Faktoren gehören die funktionellen Oberflächengruppen der CQDs sowie die Lösch- und Bindungskonstanten der Zielpestizide oder Antibiotika. Auf CQDs basierende Antibiotikasensoren haben hingegen die geringste Aufmerksamkeit erhalten und erfordern weitere Untersuchungen. Die chemische Wechselwirkung zwischen CQDs und bestimmten Verbindungen ist die Hauptursache für die Löschung der Fluoreszenz. CQD-basierte Fluoreszenzsensoren sind wirksam bei der Antibiotikaerkennung und praktisch für die Erkennung von Phenolderivaten und Pestiziden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es uns gelungen ist, eine einzigartige Technik zur Herstellung hochfluoreszierender Sonden mit doppelter Funktionalität zu entwickeln und deren Vorteile in Bezug auf Einfachheit, Kosteneffizienz und Umweltfreundlichkeit unter Beweis zu stellen. CQDs wurden in dieser Studie auf zwei verschiedene Arten synthetisiert. Die Synthese einzigartiger hochfluoreszierender B, N-CQD-Sonden war ebenfalls ein vielversprechender Sensor. Mit dem vorgeschlagenen Nanosensor können sowohl Antibiotika als auch Phenolderivate nachgewiesen werden. Der Nachweis ist von der Löschung der Fluoreszenz abhängig. Die Löschprozentsätze stellen die Empfindlichkeit der produzierten B,N-CQDs-Nanoprobe dar, wobei die empfindlichsten Antibiotika Penicillin und Erythromycin sind. Die Aufgabe der untersuchten Nanoprobe umfasst nicht nur den Nachweis von Antibiotika, sondern auch den empfindlichen Nachweis gefährlicher Phenolderivate wie Hydrochinon, Resorcin und para-Aminophenol sowie organischer Lösungsmittel wie Hexan und anderer vergleichbarer Chemikalien. Die Oberflächenzustände der Kohlenstoffpunkte regulieren die Photolumineszenzeigenschaften; Daher kann ihnen die Fluoreszenz zugeschrieben werden. Die Wasserstoffbrückenbindungen (CQO•••H–O) zwischen phenolischen Verbindungen und fluoreszierenden CQDs sind für die Wirkung von CQDs auf phenolische Derivate verantwortlich.

Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Konzentration die Fluoreszenz der stark lumineszierenden B, N-CQDs zunehmend abnimmt, was darauf hindeutet, dass das Stromerfassungsgerät anfällig ist. Die experimentellen Beobachtungen könnten ein wichtiger Schritt zur Schaffung einer vielversprechenden Sonde sein, die als optimaler Sensor dienen wird. Diese neue, auf Fluoreszenzlöschung basierende Methode ist empfindlich, weniger zeitaufwändig und erfordert keine kostspieligen Vorbereitungen, um die weit verbreitete chromatographische Nachweismethode zu ersetzen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Daten sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Mahmoud A. Mousa

Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Alexandria, Alexandria, Ägypten

Hanaa H. Abdelrahman & Amira HE Moustafa

Abteilung für Meereschemie, Umweltabteilung, Nationales Institut für Ozeanographie und Fischerei (NIOF), Alexandria, Ägypten

Mamdouh A. Fahmy und Dina G. Ebrahim

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MA Mousa und AHE Moustafa haben das Studiendesign fertiggestellt. MA Fahmy und DG Ebrahim haben experimentelle Studien abgeschlossen. AHE Moustafa, DG Ebrahim und SH Abdelrahman haben die Datenanalyse abgeschlossen. MA Mousa und AHE Moustafa und HH Abdel Rahman haben die Manuskriptbearbeitung abgeschlossen. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Amira HE Moustafa.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mousa, MA, Abdelrahman, HH, Fahmy, MA et al. Reine und dotierte Kohlenstoffquantenpunkte als Fluoreszenzsonden zum Nachweis von Phenolverbindungen und Antibiotika in Aquarien. Sci Rep 13, 12863 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39490-y

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Eingegangen: 25. Februar 2023

Angenommen: 26. Juli 2023

Veröffentlicht: 08. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39490-y

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