从高良姜中提取的双功能荧光碳点（C-dots）被用作金属离子检测的传感器以及花生植株生长的营养来源。这些发现表明，它们具有作为Fe3⁺和Mg2⁺选择性传感器以及促进花生生长的营养补充剂的潜力。
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从高良姜中提取的双功能荧光碳点（C-dots）被用作金属离子检测的传感器以及花生植株生长的营养来源。这些发现表明，它们具有作为Fe3⁺和Mg2⁺选择性传感器以及促进花生生长的营养补充剂的潜力。
本研究展示了从高良姜中提取的荧光碳纳米点（C-dots）具有双重功能，既可作为金属离子的传感器，又能作为花生生长的营养源。C-dots的制备采用 通过 200 °C 下碳化 30 分钟制备，所得碳点在乙醇和水溶液中均表现出蓝色荧光。通过吸收光谱、光致发光（PL）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和 X 射线衍射（XRD）表征，证实了碳点的成功合成。碳点在乙醇中的吸收峰位于 275 nm，在水溶液中位于 270 nm，平均直径为 5.74 nm，标准偏差为 1.11 nm。当与 Fe 相互作用时，其光致发光强度显著被猝灭3⁺ 和 Mg2⁺ 离子，检测限分别为2.98 µM和3.3 µM。C-点的应用促进了花生的生长，表现为与未处理植株相比，叶绿素含量和生物量显著增加。这些结果表明，高良姜来源的C-点可作为植物营养生长的有效养分来源。总体而言，该方法为开发兼具金属离子传感和农业应用功能的双功能C-点提供了一种经济且环境友好的策略。
水是所有生物体（包括人类）必不可少的资源，因为其中含有维持新陈代谢过程所必需的矿物质。水中金属离子（如三价铁（Fe3⁺）、镁（Mg2⁺）、锌（Zn2⁺）、铜（Cu2⁺）和汞（Hg2⁺））的浓度必须严格调控，以确保其适合饮用。浓度偏离最佳范围，无论是缺乏还是过量，均可能导致人类多种疾病，并加剧环境污染1,2,3。除了水之外，植物也是生物体（尤其是人类和动物）的主要食物来源，支持着基本的新陈代谢过程。其中一种重要的农作物是花生（Arachis hypogaea L.），这是一种原产于南美洲（包括巴西、玻利维亚、巴拉圭和阿根廷北部）的豆科植物，现已在包括印度尼西亚在内的全球多地广泛种植。在过去的一千多年里，富含蛋白质的花生种子已成为食品生产中不可或缺的一部分，并始终是一种重要的农业商品。然而，由于长期干旱、土地退化、病虫害（如叶斑病和锈病）以及技术应用有限等环境因素，提高花生产量仍然面临挑战4,5。
为应对水中金属离子浓度监测和促进花生植株生长的双重挑战，碳纳米点（C-dots）提供了一种颇具前景的解决方案。这类材料既可作为检测金属离子痕量浓度的传感器，也可用作促进植物生长的添加剂。荧光碳纳米点是一类碳基纳米材料，已广泛应用于生物成像6、传感2,7、药物递送8以及作为植物生长的营养来源9,10。其理化特性，如高光稳定性、强荧光性、优异的生物相容性、纳米级尺寸、抗光漂白能力以及低毒性，使其非常适用于生物领域的应用11,12。此外，碳纳米点还具有高水溶性、可生物降解性、前体来源丰富以及低成本等优点9,11，进一步增强了其在传感和农业领域的适用性。
源自有机材料及其相关废弃物的碳点（C-dots）作为金属离子检测传感器以及促进农业增产的营养源，已得到广泛研究。这种日益增长的研究兴趣主要源于其优异的理化性质，例如高光稳定性、强荧光性、良好的生物相容性、纳米级尺寸、抗光漂白能力以及低毒性，这些特性共同使其非常适用于多种生物应用11,12。此外，碳点还具有高水溶性、优良的生物降解性、前驱体来源丰富以及低成本等优势9,11。低毒性、生物相容性、强光致发光（PL）性能和高光稳定性的协同作用，使碳点成为细胞多色成像中极具前景的优良荧光探针11，同时也可作为促进植物生长的营养源，从而有助于提高农业生产效率。
大量研究探索了利用有机材料和废弃物制备的碳点（C-dots）作为金属离子检测传感器以及提高农业生产力的营养源。通过水热法由对苯二胺制备的碳点已成功用于Fe3⁺的检测，其检测限（LOD）为0.85 µM13。类似地，由胺黑10B制备的碳点被用于湖水中Fe3⁺离子的检测，检测限达到1.84 µM14。来源于火龙果果皮的碳点也被报道可用于Zn2⁺的检测，检测限为3.2 µM7。在农业应用方面，由葡萄糖和尿素合成的碳点使水稻产量提高了14.8%9。已有研究报道，使用来源于火龙果果皮的碳点促进了空心菜（Ipomoea aquatica）的生长，以及碳点对水培长叶莴苣生长的促进作用10˒15。先前一项研究报道了采用微波法从高良姜中制备碳点，并研究了其光学性质随处理时间的变化规律16；然而，该研究未探讨其作为传感器和营养源的应用。
本研究采用碳化法以高良姜（Alpinia officinarum）制备碳点7,12。对所制备碳点的光学和理化性质（包括光稳定性和zeta电位）进行了分析，并评估了其作为金属离子检测传感器以及作为营养源促进花生植株营养生长的应用潜力。高良姜是一种多年生植物，在亚洲广泛种植，尤其在印度尼西亚和泰国。由于其具有驱风、健胃、解痉和抗菌等特性，高良姜在食品和医药领域具有广泛应用16。植物化学分析表明，高良姜含有丰富的萜类和酚类化合物，其中富含碳、氮和氧元素，是合成碳点的理想前驱体16,17。因此，高良姜是一种丰富、廉价且可再生的碳源。本研究的目标是分析源自高良姜的碳点的光学和理化特性，并评估其作为金属离子检测传感器及促进花生植株生长的营养源的应用价值。这些材料具有双重功能，被称为双功能荧光碳点。可检验的假设是：经碳点处理的花生植株相较于未处理植株表现出更优的生长表现。
将高良姜在 200 °C 下碳化 30 分钟，制得可稳定分散于乙醇和水溶液中的荧光碳点，在 365 nm 紫外光照射下发出蓝色荧光。通过吸收光谱（Abs）、光致发光（PL）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）和 X 射线衍射（XRD）表征，证实了碳点的成功合成，并具有优良的光学和结构特性。PL 强度随 Fe3⁺ 和 Mg2⁺ 离子浓度的增加而降低，表现出良好的灵敏度和选择性，检出限（LOD）分别为 2.98 µM 和 3.3 µM。此外，将高良姜来源的碳点应用于花生植株，显著促进了其营养生长，表现为叶绿素含量和生物量均较未处理对照组明显增加。
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本研究未涉及人类参与者或动物实验对象。所有植物实验均遵循适用的机构和国家关于植物研究与生物安全的指南。化学品和设备列于材料表中。
1. 从高良姜制备碳点
采用碳化法并稍作修改7,18，从高良姜中制备碳纳米点（C-dots）。取高良姜粉末（20 g）在200 °C下碳化30分钟，得到深色样品。冷却至室温后，将样品研磨成细粉。取部分深色高良姜粉末（0.5 g）加入5 mL乙醇中，超声处理1小时，得到均一的深色溶液。随后加入9 mL乙醇，混合物在室温下以805 × g离心30分钟，以去除较大颗粒。离心后，样品经0.22 µm Whatman滤膜过滤，以除去残留的大颗粒，获得含有荧光C-dots的乙醇澄清上清液。
在水溶液中制备碳点（C-dots）的步骤与乙醇溶液中的制备过程相同。然而，高良姜粉末在水溶液中的溶解产率低于在乙醇溶液中的产率。在365 nm紫外灯照射下，乙醇溶液和水溶液中所制备的碳点均表现出蓝色荧光。随后对所制备碳点的光学和理化性质进行了表征，包括吸收光谱（Abs）、光致发光（PL）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、形貌、尺寸分布以及zeta电位。最后，评估了所制备碳点作为金属离子检测传感器以及促进花生植株生长营养源的应用潜力。
2. 利用高良姜和金属离子合成碳点
研究了碳点与三价铁（Fe3⁺）离子之间的相互作用。具体操作为：将1 mL乙醇中的碳点分散液与3 mL乙醇和0.75 mL磷酸盐缓冲液（PBS，1 M，pH 7.0）混合，随后加入不同浓度（0–10 µM）的Fe3⁺溶液100 µL。采用350 nm激发波长记录光致发光（PL）光谱。同时测定傅里叶变换红外（FTIR）光谱，以评估碳点与Fe3⁺离子之间可能存在的相互作用。所有实验均在室温下进行。
采用相同的实验步骤研究了碳点与其他金属离子的相互作用，包括镁（Mg2⁺）、锌（Zn2⁺）和铜（Cu2⁺）。
3. 利用制备的碳点促进花生植株生长
将4公斤黑土和1公斤稻壳混合后装入聚乙烯袋容器中。测定该土壤混合物的持水能力，以确定其可吸收的水量。花生种子购自印度尼西亚东努沙登加拉省古邦市的当地市场；由于供应商未提供标签信息，品种未予注明。种子种皮呈红棕色至浅白色，长6–7毫米，宽4–5毫米。在培养皿中的湿润滤纸上进行发芽试验，温度为25–28 °C，持续5–7天，以胚根伸出≥2毫米为发芽标准，测得发芽率为99%。种子经清水浸泡12小时后，种植于各聚乙烯袋中，深度为3厘米。每个聚乙烯袋每天浇水1200毫升。连续两个月每周施用一次碳点（C-dots），施用量分别为1至10毫升，每种处理设两个重复。共使用30个聚乙烯袋：其中10个不施加碳点（对照组），20个施加碳点。未处理种子与碳点处理种子均在温室中相同的自然环境条件下培养。实验期间对温度（25–30oC）、相对湿度、光照强度和光周期等环境参数进行自然监测与调控，以确保实验的一致性和可重复性。
植株高度每周测量一次，生物量和叶绿素含量在两个月后进行测量。数据采用方差分析（ANOVA）进行分析，显著性水平为 p < 0.05，均值差异显著性检验在相同显著性水平下采用邓肯多重极差检验（DMRT）进行。
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高良姜碳点的制备及其一般特性
图1 展示了从高良姜中制备高荧光碳纳米点（C-dots）的示意图，包括在乙醇和水溶液中的制备过程，及其作为传感器和花生植株生长营养源的应用。C-dots采用碳化方法从高良姜中制备。将高良姜在200 °C下碳化30分钟，得到深色样品，表明已形成生成C-dots的碳源7,18,19。随后通过超声处理、离心和过滤，得到在乙醇和水溶液中呈现蓝色荧光的C-dots，如图1所示。
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本研究展示了利用高良姜通过简单的碳化方法成功制备荧光碳纳米点（C-dots）。所制备的C-dots表现出理想的光学、结构和生物学特性，支持其作为Fe3+和Mg2+离子传感器以及花生植株生长营养源的双功能应用。经C-dots处理的花生植株表现出更旺盛的营养生长，验证了C-dots可促进花生植株生长的假设。
所制备的碳点（C-dots）呈球形形貌且具有纳米级直径，证实了从高良姜成功合成了碳纳米点。本研究中观察到的球形形貌与先前报道的火龙果皮7,10和木瓜叶20来源的碳点一致。XRD图谱中约21.74°处出现的宽衍射峰表明所制备的碳点为非晶态结构，这是由于碳原子紧密堆积但结晶性较差所致2。类似衍射图谱也见于火龙果皮7、棕榈雄花2和芒果皮
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作者声明无利益冲突。
作者衷心感谢印度尼西亚努沙珍达大学科学与工程学院物理系为本研究提供的经费支持，项目编号为 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 纯水 | Water One | A-1708-5LT | 用于制备水性碳点分散液的溶剂 |
| 黑土和稻壳 | 印度尼西亚东努沙登加拉省古邦市当地产品 | N/A | 花生栽培的种植介质 |
| 离心机 | LC-04S | N/A | 用于分离碳点与碳残留物 |
| 二水合氯化铜 | Emsure | CAS No. 10125-13-0 | 光致发光猝灭实验中的金属离子源 |
| 动态光散射仪 | BeNano 180 Zeta Pro | N/A | 用于测定碳点的Zeta电位 |
| 分析用无水乙醇 | Emsure | CAS No. 64-17-5 | 碳点分散与合成用溶剂 |
| 二水合氯化铁 | Emsure | CAS No. 10025-77-1 | 传感实验中的Fe3+离子源 |
| 傅里叶变换红外光谱仪（FT/IR-4200） | JASCO | FT/IR-4200 | 用于测定碳点的傅里叶变换红外光谱 |
| 高良姜（Alpinia galanga） | 印度尼西亚东努沙登加拉省当地产品 | N/A | 制备荧光碳点的碳前驱体 |
| 六水合氯化镁 | Emsure | CAS No. 7791-18-6 | 传感实验中的Mg2+离子源 |
| 磷酸盐缓冲液（PBS） | Buana Laboratories | N/A | 用于维持pH值的缓冲溶液 |
| 聚乙烯袋（Polybag） | 印度尼西亚东努沙登加拉省古邦市当地产品 | N/A | 用于花生栽培的容器 |
| 荧光分光光度计 | SHIMADZU | RF-6000 | 用于测定碳点的光致发光光谱 |
| 透射电子显微镜（TEM） | JEOL | JEM-2100Plus | 用于观察碳点的形貌和粒径 |
| 超声波清洗机 | Jewelry Cleaner | N/A | 用于碳点的均质化与分散 |
| 紫外灯（365 nm） | Sofim | N/A | 用于碳点荧光的可视化观察 |
| 紫外-可见分光光度计 | JASCO | UV-570 | 用于测定碳点的吸收光谱 |
| X射线衍射仪（XRD） | Bruker AXS | N/A | 用于测定碳点的X射线衍射图谱 |
| 氯化锌 | Emsure | CAS No. 7646-85-7 | 光致发光猝灭实验中的Zn2+离子源 |