نقاط كربون فلورية ثنائية الوظيفة من جالانجال كحساسات لأيونات المعادن وكمصدر غذائي لنمو الفول السوداني

ملخص

يتم إثبات أن نقاط الكربون الفلورية الثنائية الوظيفة (C-dots) المشتقة من الجالانغال هي حساسات لاكتشاف أيونات المعادن وكمصدر غذائي لنمو نبات الفول السوداني. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكاناتها كحساسات انتقائية ل Fe^3⁺ و Mg^2⁺ وكمكملات غذائية لتعزيز نمو الفول السوداني.

الملخص

تظهر هذه الدراسة الوظيفة الثنائية لنقاط الكربون الفلورية النانوية المشتقة من الجالانغال كحساسات لأيونات المعادن ومصدر غذائي لنمو الفول السوداني. تم تصنيع نقاط C باستخدام طريقة الكربن عند 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة وأظهرت فلورة زرقاء في الإيثانول والمحاليل المائية. أكد التوصيف باستخدام الامتصاص، والتلألؤ الضوئي (PL)، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وحيود الأشعة السينية (XRD) نجاح التكوين. أظهرت نقاط C ذروة امتصاص عند 275 نانومتر (إيثانول) و270 نانومتر (مائي)، بقطر متوسط 5.74 نانومتر وانحراف معياري 1.11 نانومتر. تم تقليل شدة PL بشكل كبير عند التفاعل مع أيونات Fe^3⁺ و Mg^2⁺ ، مما مكن من اكتشافها بحدود كشف 2.98 ميكرومولار و3.3 ميكرومولار على التوالي. أدى تطبيق نقاط C إلى تعزيز نمو الفول السوداني، كما يتضح من زيادة محتوى الكلوروفيل والكتلة الحيوية مقارنة بالنباتات غير المعالجة. تشير هذه النتائج إلى أن نقاط C-dot المشتقة من الجالانغال تعمل كمصادر غذائية فعالة للنمو النباتي. بشكل عام، يوفر هذا النهج استراتيجية اقتصادية وصديقة للبيئة لتطوير نقاط C-dot ثنائية الوظيفة لاستشعار أيونات المعادن والتطبيقات الزراعية.

المقدمة

الماء مورد أساسي لجميع الكائنات الحية، بما في ذلك البشر، لأنه يحتوي على المعادن الأساسية اللازمة للحفاظ على العمليات الأيضية. يجب تنظيم تركيز أيونات المعادن مثل الحديد (Fe^3⁺)، والمغنيسيوم (Mg^2⁺)، والزنك (Zn^2⁺)، والنحاس (Cu^2⁺)، والزئبق (Hg^2⁺) في الماء بعناية لضمان ملاءمته للاستهلاك. الانحراف عن التركيزات المثلى، سواء كان ناقصا أو مفرطا، معروف بأنه يسبب أمراضا مختلفة للبشر ويساهم في تلوث البيئة ^1,2,3. بالإضافة إلى الماء، تعمل النباتات كمصدر غذاء أساسي للكائنات الحية، خصوصا البشر والحيوانات، وتدعم العمليات الأيضية الأساسية. أحد المحاصيل الزراعية المهمة هو نبات الفول السوداني (Arachis hypogaea L.)، وهو نوع بقولي موطنه أمريكا الجنوبية، بما في ذلك البرازيل وبوليفيا وباراغواي وشمال الأرجنتين، ويزرع الآن في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك إندونيسيا. على مدى الألف عام الماضية، أصبحت بذور الفول السوداني، الغنية بالبروتين، ضرورية لإنتاج الغذاء ولا تزال سلعة زراعية حيوية. ومع ذلك، لا يزال إنتاج الفول السوداني المتزايد تحديا بسبب عوامل بيئية مثل الجفاف المطول، وتدهور الأراضي، وإصابات الآفات، والأمراض، بما في ذلك بقع الأوراق والصدأ، بالإضافة إلى محدودية التطبيق التكنولوجي ^4,5.

لمعالجة التحديات المزدوجة المتمثلة في مراقبة تركيزات أيونات المعادن في الماء وتعزيز نمو نباتات الفول السوداني، تمثل نقاط الكربون النانوية (C-dots) حلا واعدا. يمكن أن تعمل هذه المواد كحساسات لاكتشاف تركيزات الأيونات المعدنية الدقيقة وكعوامل لتعزيز نمو النباتات. تم تطبيق نقاط C-dot الفلورية، وهي فئة من المواد النانوية القائمة على الكربون، على نطاق واسع في التصوير الحيوي⁶، الاستشعار ^2,7، توصيل الدواء⁸، وكمصادر غذائية لنمو النباتات ^9,10. خصائصها الفيزيائية الكيميائية، بما في ذلك الاستقرار الضوئي العالي، والفلورة القوية، والتوافق الحيوي الممتاز، وحجم النانو، ومقاومة التبييض الضوئي، وانخفاض سميتها، تجعلها مناسبة جدا للتطبيقات البيولوجية^11,12. بالإضافة إلى ذلك، تظهر نقاط C ذوبانية عالية في الماء، وقابلية للتحلل الحيوي، وتوفر كميات وفيرة من المواد الأولية، وتكلفة إنتاج منخفضة ^9,11، مما يعزز قابليتها للتطبيق في الاستشعار والزراعة.

تم دراسة استخدام نقاط C المشتقة من المواد العضوية والنفايات المرتبطة بها بشكل موسع كأجهزة استشعار للكشف عن أيونات المعادن وكمصدر غذائي لزيادة الإنتاج الزراعي. يرجع هذا الاهتمام المتزايد أساسا إلى خصائصها الفيزيائية الكيميائية الممتازة، مثل الاستقرار الضوئي العالي، والفلورة القوية، والتوافق الحيوي العالي، والحجم النانوي، ومقاومة التبييض الضوئي، وانخفاض السمية، مما يجعلها مجتمعة مناسبة للغاية لتطبيقات بيولوجية متنوعة^11,12. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع نقاط C بذوبانية عالية في الماء، وقابلية تحلل حيوي ممتازة، وتوفر كميات وفيرة من المواد الأولية، وتكاليف إنتاج منخفضة ^9,11. المزيج التآزري من انخفاض السمية، والتوافق الحيوي، وقوة PL، والاستقرار الضوئي العالي يجعل نقاط C واعدة للغاية كمسبار فلوري ممتاز للتصوير الخلوي متعدد الألوان¹¹ ومصدر غذائي لتعزيز نمو النبات، مما يساهم في زيادة الإنتاجية الزراعية.

استكشفت العديد من الدراسات استخدام نقاط C-dot المستخرجة من المواد العضوية والنفايات كأجهزة استشعار للكشف عن الأيونات المعدنية وكمصادر غذائية لتحسين الإنتاجية الزراعية. تم تطبيق نقاط C المحضرة من p-phenylenediamine باستخدام طريقة هيدروحرارية بنجاح للكشف عن Fe³⁺ مع حد كشف (LOD) يبلغ 0.85 ميكرومولار¹³. وبالمثل، تم استخدام نقاط C المصنعة من أميدو بلاك 10B لاكتشاف أيونات الحديد³⁺ في مياه البحيرة، محققة LOD يبلغ 1.84 ميكرومولار¹⁴. تم الإبلاغ أيضا عن نقاط C المستخرجة من قشور فاكهة التنين للكشف عن Zn²⁺ مع LOD يبلغ 3.2 ميكرومولار⁷. في التطبيقات الزراعية، زادت نقاط C المصنعة من الجلوكوز واليوريا من إنتاج الأرز بنسبة 14.8^٪. كما تم الإبلاغ عن تعزيز نمو Ipomoea aquatica باستخدام نقاط C المستمدة من قشر فاكهة التنين، وتحسين نمو خس الرومين المزروع بالزراعة المائية باستخدام نقاط C-dot^{في 10˒15}. أبلغت دراسة سابقة عن تصنيع نقاط C من الجالانغال باستخدام طريقة الميكروويف ودرست خصائصها البصرية كدالة لوقت المعالجة¹⁶؛ ومع ذلك، لم يتم استكشاف تطبيقها كأجهزة استشعار ومصادر غذائية.

في هذه الدراسة، تم تصنيع نقاط C من الجالانغال (Alpinia officinarum) باستخدام طريقة الكربن ^7,12. تم تحليل الخصائص البصرية والكيميائية الفيزيائية لنقاط C المحضرة، بما في ذلك الاستقرار الضوئي وإمكانات زيتا، إلى جانب تطبيقاتها كأجهزة استشعار لكشف أيونات المعادن وكمصادر غذائية لتقييم النمو النباتي في نباتات الفول السوداني. جالانجال نبات معمر يزرع على نطاق واسع في آسيا، خاصة في إندونيسيا وتايلاند. يشتهر بتطبيقاته في الغذاء والطب بسبب خصائصه الكارمنالية، والمعدة والمضادة للتشنج، ومضادات الميكروبات¹⁶. تشير التحليلات الكيميائية النباتية إلى أن جالانجال يحتوي على تربينات ومركبات فينولية غنية بالكربون والنيتروجين والأكسجين، مما يجعله مقدمة مناسبة لتخليق C-dot^16,17. لذا، يمثل الجالانغال مصدرا وفرة ورخيصة ومتجددة للكربون. تهدف هذه الدراسة إلى تحليل الخصائص البصرية والفيزيائية الكيميائية لنقاط C-Spots المشتقة من الجالانغال وتقييم قابليتها لاستخدامها كأجهزة استشعار لاكتشاف الأيونات المعدنية وكمصادر غذائية لتعزيز نمو نبات الفول السوداني. تظهر هذه المواد وظيفة مزدوجة، وهي خاصية تعرف باسم نقاط C الفلورية ذات الوظيفة. الفرضية القابلة للاختبار هي أن نباتات الفول السوداني المعالجة بنقاط C-dot تظهر نموا أفضل مقارنة بالنباتات غير المعالجة.

أدى كربن الجالانغال عند 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة إلى إنتاج نقاط فلورية C-dot يمكن نشرها بسهولة في الإيثانول والمحاليل المائية، وانبعثت فلورة زرقاء تحت إضاءة UV عند 365 نانومتر. أكدت التوصيفات باستخدام الامتصاص (Abs)، والتلميع الضوئي (PL)، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، والتشتت الديناميكي للضوء (DLS)، وحيود الأشعة السينية (XRD) نجاحا في التخليق وخصائص بصرية وهيكلية مفضلة. انخفضت شدة PL مع زيادة تركيزات أيونات Fe³⁺ و Mg²⁺، مما أظهر الحساسية والانتقائية، مع قيم LOD بلغت 2.98 ميكرومولار و3.3 ميكرومولار على التوالي. علاوة على ذلك، أدى تطبيق نقاط C المشتقة من الجالانغال إلى تعزيز النمو النباتي بشكل كبير لنباتات الفول السوداني، كما يتضح من زيادة محتوى الكلوروفيل والكتلة الحيوية مقارنة بالمواد الضابطة غير المعالجة.

البروتوكول

لم تشمل هذه الدراسة مشاركين بشريين أو مواضيع حيوانية. تم إجراء جميع تجارب النباتات وفقا للإرشادات المؤسسية والوطنية المعمول بها لأبحاث النبات والسلامة البيولوجية. المواد الكيميائية والمعدات مدرجة في جدول المواد.

1. تصنيع نقاط C من جالانجال

تم تصنيع نقاط الكربون النانوية (C-dots) من الجالانغال باستخدام طريقة الكربن ^7,18 مع تعديلات طفيفة. تم كربن مسحوق جالانغال (20 جرام) عند 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لإنتاج عينة داكنة. بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، تم سحق العينة للحصول على مسحوق ناعم. تمت إضافة جزء من مسحوق الجالانغال الداكن (0.5 جرام) إلى 5 مل من الإيثانول، وتم تحويل الخليط إلى الصوتيات لمدة ساعة واحدة للحصول على محلول داكن متجانس. بعد ذلك، أضيف 9 مل من الإيثانول، وتم طرد الخليط عند 805 × جرام لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة لإزالة الجسيمات الأكبر. بعد الطرد المركزي، تم ترشيح العينة عبر مرشح واتمان بحجم 0.22 ميكرومتر لإزالة الجسيمات الكبيرة المتبقية، مما ينتج فائقا شفافا يحتوي على نقاط C الفلورية في محلول الإيثانول.

تم تحضير نقاط C في محلول مائي باتباع نفس الإجراء المستخدم في محلول الإيثانول. ومع ذلك، كان إنتاج مسحوق الجالانغال المذاب في المحلول المائي أقل من الناتج عن محلول الإيثانول. تحت الإضاءة بمصباح UV بقطر 365 نانومتر، أظهرت نقاط C المحضرة في كل من الإيثانول والمحاليل المائية فلورة زرقاء. تم لاحقا توصيف الخصائص البصرية والكيميائية الفيزيائية لنقاط C المحضرة، بما في ذلك الامتصاص (Abs)، التلألؤ الضوئي (PL)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، الشكل، توزيع الحجم، وإمكانات زيتا. وأخيرا، تم تقييم نقاط C المحضرة لاستخدامها كحساسات للكشف عن أيونات المعادن ومصادر غذائية لتعزيز نمو نبات الفول السوداني.

2. تخليق نقاط C من الجالانغال مع أيونات المعادن

تم دراسة تفاعل نقاط C مع أيونات الحديديين (Fe^3⁺). تحديدا، تم خلط 1 مل من تشتت نقطة C-dot في الإيثانول مع 3 مل من الإيثانول و0.75 مل من محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS، 1 M، pH 7.0)، تلاها إضافة 100 ميكرولتر من محلول الحديد^3⁺ بتركيزات متفاوتة (0–10 ميكرومول). تم تسجيل أطياف التلميع الضوئي (PL) باستخدام طول موجة إثارة قدره 350 نانومتر. كما تم قياس أطياف التحويل الفورييه تحت الأحمر (FTIR) لتقييم التفاعلات المحتملة بين نقاط C وأيونات Fe^3⁺ . أجريت جميع التجارب في درجة حرارة الغرفة.

تم تطبيق نفس الإجراء التجريبي لدراسة التفاعلات بين نقاط C وأيونات المعادن الأخرى، بما في ذلك المغنيسيوم (Mg^2⁺)، والزنك (Zn^2⁺)، والنحاس (Cu^2⁺).

3. استخدام نقاط C المنتجة لنمو نبات الفول السوداني

تم خلط التربة السوداء (4 كجم) وقشور الأرز (1 كجم) ووضعها في حاويات من الأكياس الصناعية. تم قياس سعة احتباس الماء لخليط التربة لتحديد حجم الماء الذي يمكنه امتصاصه. تم الحصول على بذور الفول السوداني من سوق محلي في كوبانغ، شرق نوسا تينغارا، إندونيسيا؛ لم يتم تحديد الصنف لأن المورد لم يقدم ملصقا. كان للبذور طبقة من البني المحمر إلى الأبيض المائل إلى الفاتح، بطول 6–7 مم وعرض 4–5 مم. تم تقييم الإنبات على ورق ترشيح رطب في أطباق بتري عند درجة حرارة 25–28 درجة مئوية لمدة 5–7 أيام، مع تعريف الإنبات بأنه ظهور الجذور ≥2 مم، مما أعطى معدل إنبات 99٪. تم نقع البذور في الماء لمدة 12 ساعة ثم زرعت على عمق 3 سم في كل كيس بولي. كل كيس بولي يتلقى 1200 مل من الماء يوميا. تم تطبيق نقاط C-dot أسبوعيا بأحجام تتراوح بين 1 إلى 10 مل لمدة شهرين. تضمن كل مجلد معالجة نسختين مكررتين. تم استخدام ما مجموعه 30 كيس بولي: 10 بدون نقاط C (تحكم) و20 بدون نقاط C. كانت البذور غير المعالجة والبذور المعالجة بنقاط C تزرع في ظروف بيئية طبيعية متطابقة في بيت زجاجي. تمت مراقبة والتحكم في المعايير البيئية، بما في ذلك درجة الحرارة (25-30^درجةمئوية)، والرطوبة النسبية، وشدة الضوء، وفترة الضوء، بشكل طبيعي طوال التجربة لضمان الاتساق وقابلية التكرار.

تم قياس ارتفاع النبات أسبوعيا، بينما تم قياس محتوى الكتلة الحيوية والكلوروفيل بعد شهرين. تم تحليل البيانات باستخدام تحليل التباين (ANOVA) عند p < 0.05، وتم إجراء الفصل المتوسط باستخدام اختبار دنكان للمدى المتعدد (DMRT) على نفس مستوى الأدلة.

النتائج

تحضير وخصائص نقاط C من جالانجال

يوضح الشكل 1 مخططا لتحضير نقاط الكربون النانوية الفلورية عالية الفلورية (C-dots) من الجالانغال في الإيثانول والمحاليل المائية واستخدامها كأجهزة استشعار ومصادر غذائية لنمو نباتات الفول السوداني. تم تحضير نقاط C من الجالانغال باستخدام طريقة الكربونة. تم كربنة جالانجال عند 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة للحصول على عينة داكنة، مما يشير إلى تكوين مصدر كربون لتوليد نقاط C<...

المناقشة

تظهر هذه الدراسة نجاح تصنيع نقاط الكربون الفلورية (C-dots) من الجالانغال باستخدام طريقة كربنة بسيطة. أظهرت نقاط C المحضرة خصائص بصرية وبنيوية وبيولوجية مرغوبة، مما يدعم تطبيقها ثنائي الوظيفة كحساسات لأيونات Fe³⁺ وMg²⁺ ومصادر غذائية لنمو نبات الفول السوداني. النمو النباتي المحسوب لوحظا في نباتات الفول السوداني المعالجة بنقاط C يدعم الفرضية المقترحة بأن نقاط C تحسن نمو نبات الفول السوداني.

أكد الشكل الكروي وقطر النقاط الكربونية المحضرة نجاح...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
Aquadest	Water One	A-1708-5LT	مذيب لتحضير نواتج تشتت C-dot المائية
التربة السوداء و قشر الأرز	منتج محلي من مدينة كوبانج، مقاطعة نوسا تنجارا الشرقية، إندونيسيا	N/A	وسط زراعي لزراعة الفول السوداني
الطرد المركزي	LC-04S	N/A	يستخدم لفصل C-dots عن المخلفات الكربونية
كلوريد النحاس ثنائي الهيدرات	Emsure	CAS رقم 10125-13-0	مصدر أيونات معدنية لتجارب إطفاء PL
جهاز التشتت الديناميكي للضوء	BeNano 180 Zeta Pro	N/A	يستخدم لقياس إمكانات زيتا لـ C-dots
الإيثانول المطلق للتحليل	Emsure	CAS رقم 64-17-5	مذيب لتشتت C-dot والتركيب
كلوريد الحديد الثلاثي ثنائي الهيدرات	Emsure	CAS رقم 10025-77-1	مصدر أيون Fe3+ لتجارب الاستشعار
المطياف الأشعة تحت الحمراء بالتحول فورييه FT/IR-4200	JASCO	FT/IR-4200	يستخدم لقياس أطياف FTIR لـ C-dots
الجنجل (Alpinia galanga)	منتج محلي من مقاطعة نوسا تنجارا الشرقية، إندونيسيا	N/A	سلف الكربون لتحضير C-dots الفلورية
كلوريد المغنيسيوم سداسي الهيدرات	Emsure	CAS رقم 7791-18-6	مصدر أيون Mg2+ لتجارب الاستشعار
محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS)	مختبرات بوانا	N/A	محلول مخفف يستخدم للحفاظ على درجة الحموضة
البولي باغ	منتج محلي من مدينة كوبانج، مقاطعة نوسا تنجارا الشرقية، إندونيسيا	N/A	حاوية مستخدمة لزراعة الفول السوداني
المطياف المضيء	SHIMADZU	RF-6000	يستخدم لقياس أطياف التلألؤ الضوئي لـ C-dots
مجهر إلكتروني للإرسال (TEM)	JEOL	JEM-2100Plus	يستخدم للتحقق من مورفولوجيا وحجم جزيئات C-dots
المنظف بالموجات فوق الصوتية	منظف المجوهرات	N/A	يستخدم لتوائم وتشتت C-dots
مصباح الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر)	Sofim	N/A	يستخدم لرؤية التلألؤ الفلوريسنسي لـ C-dots
المطياف فوق البنفسجي	JASCO	UV-570	يستخدم لقياس أطياف الامتصاص لـ C-dots
جهاز التحليل بالحيود بالأشعة السينية (XRD)	Bruker AXS	N/A	يستخدم لقياس أنماط حيود الأشعة السينية لـ C-dots
كلوريد الزنك	Emsure	CAS رقم 7646-85-7	مصدر أيون Zn2+ لتجارب إطفاء PL