Investigation of Fluorescent pH Indicators and Antibiofouling Properties of a Nanostructured Glass for Use in Underwater Fluorescence Lifetime-based pH Sensors

Abstract

Denne avhandlinga undersøkjer karbonprikkar for deira potensial som pH-indikatorar og deira tilhøyrande fluorescensrespons, samt dei antibiobegroing eigenskapane til eit gjennomsiktig nanostrukturert vindauge. Motivasjonen for denne avhandlinga har vore å utvikle ein ny undervass fluorescens levetidsbasert pH-sensor og å bidra med grunnleggjande arbeid på å undersøkje nye antibiobegroing løysingar ved Senteret for Forskningsdrevet Innovasjon Smart Ocean.

Denne avhandlinga er kulminasjonen av tre vitskaplege artiklar, alle publisert i internasjonale, fagfellevurderte Web of Science-tidsskrift. Forsvararen av denne avhandlinga er einaste førsteforfattar på alle tre artiklane.

Artikkel I presenterer undersøkinga av fluorescens intensitet og fluorescens levetidsrespons av fem solvotermalt syntetiserte karbonprikkar som ein funksjon av pH. Fire karbonprikkar er heilt nye og ein er syntetisert basert på ein tidlegare publisert syntese. Ei enkel eksitasjonsbølgjelengde på 452 nm med eit bandbreidd på 45 nm vart brukt for å undersøkje fluorescensen i pH-området 5–9. Karbonprikkar er lovande fluoroforkandidatar til bruk i fluorescens levetidsbaserte pH-sensorar på grunn av deira låge kostnad, enkel syntese, låge toksisitet og ubetydeleg fotobleiking. Artikkel II presenterer grundig fluorescenskartlegging av dei fem karbonprikkane. Fluorescensresponsen vart undersøkt som ein funksjon av pH innanfor området 5–9 over eit eksitasjonsområde på 200–550 nm og eit emisjonsområde på 250–750 nm. Undersøkinga viste viktigheita av valet av eksitasjonslys. Ein karbonprikk viser ratiometriske eigenskapar, noko som gjer den til ein god fluoroforkandidat for ein ratiometrisk basert pH-sensor. Artikkel III undersøkjer dei antibiobegroing eigenskapane til eit gjennomsiktig, nanostrukturert vindauge. Nanostrukturerte og referansesubstrat vart eksponert for ein biobegroande organisme i ulike tidsperiodar (1–180 dagar). Mikroalgen Phaeodactylum tricornutum vart valt som biobegroande organisme på grunn av sitt vanlege nærvær i norske kystvatn. Dei nanostrukturerte vindauga viser lovande antibiobegroing eigenskapar.

This thesis investigates carbon dots for their potential as fluorescent pH indicators, as well as the antibiofouling properties of a transparent nanostructured window. The motivation for this thesis has been to develop a novel underwater fluorescence lifetime-based pH sensor and to contribute to foundational work investigating novel antibiofouling solutions at the Centre for Research-Based Innovation Smart Ocean.

This thesis is the culmination of three papers, all of which have been published in international, peer-reviewed Web of Science journals. The defender of this thesis is the sole first author of all three papers.

Paper I presents the investigation of fluorescence intensity and fluorescence lifetime response of five solvothermal synthesised carbon dots as a function of pH. Four carbon dots are novel, and one has been synthesised using a published synthesis. A single excitation wavelength of 452 nm with a bandwidth of 45 nm was used to investigate the fluorescence in the pH range 5–9. Carbon dots are promising fluorophore candidates for fluorescence lifetime-based pH sensors due to their low cost, ease of manufacturing, low toxicity, and negligible photobleaching. Paper II presents in-depth fluorescence mapping of the five carbon dots. The fluorescence response was investigated as a function of pH within the range of 5–9 across an excitation range of 200–550 nm and an emission range of 250–750 nm. The investigation showcased the importance of the choice of the excitation light. One carbon dot shows ratiometric properties, making it a good fluorophore candidate for a ratiometric-based pH sensor. Paper III investigates the antibiofouling properties of a transparent, nanostructured window. Nanostructured and reference substrates were exposed to a biofouling organism for different time periods (1–180 days). Microalgae Phaeodactylum tricornutum was chosen as the biofouling organism due to its common presence in the Norwegian coastal waters. The nanostructured windows show promising antibiofouling properties.