Bifunktionale fluoreszierende Kohlenstoffnanodots aus Galangal dienen als Sensoren für Metallionen und als Nährstoffquelle für das Wachstum von Erdnüssen

Zusammenfassung

Bifunktionelle fluoreszierende Kohlenstoffnanodots (C-Dots), die aus Galangal gewonnen wurden, werden als Sensoren zur Metallionenerkennung und als Nährstoffquelle für das Wachstum von Erdnusspflanzen demonstriert. Diese Ergebnisse unterstreichen ihr Potenzial als selektive Sensoren für Fe^3⁺ und Mg^2⁺ sowie als Nährstoffpräparate zur Förderung des Erdnusswachstums.

Zusammenfassung

Diese Studie zeigt die Bifunktionalität fluoreszierender Kohlenstoffnanodots (C-Dots), die aus dem Galangal abgeleitet werden, sowohl als Sensoren für Metallionen als auch als Nährstoffquelle für das Erdnusswachstum. Die C-Punkte wurden mit einer Karbonisierungsmethode bei 200 °C für 30 Minuten hergestellt und zeigten blaue Fluoreszenz in Ethanol und wässrigen Lösungen. Charakterisierung mittels Absorption, Photolumineszenz (PL), Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie und Röntgenbeugung (XRD) bestätigte die erfolgreiche Entstehung. Die C-Punkte zeigten Absorptionsspitzen bei 275 nm (Ethanol) und 270 nm (wässrig), mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 5,74 nm und einer Standardabweichung von 1,11 nm. Die PL-Intensität wurde bei der Interaktion mit Fe^3⁺- und Mg^2⁺ -Ionen signifikant abgeschaltet, was deren Detektion mit Detektionsgrenzen von 2,98 μM bzw. 3,3 μM ermöglichte. Die Anwendung von C-Dots förderte das Erdnusswachstum, was sich an einem höheren Chlorophyllgehalt und Biomasse im Vergleich zu unbehandelten Pflanzen zeigt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass von Galangal-abgeleitete C-Punkte als effektive Nährstoffquellen für das vegetative Wachstum fungieren. Insgesamt bietet dieser Ansatz eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Strategie zur Entwicklung bifunktionaler C-Dots für Metallionensensorik und landwirtschaftliche Anwendungen.

Einleitung

Wasser ist eine essentielle Ressource für alle Lebewesen, einschließlich des Menschen, da es essentielle Mineralien enthält, die für die Aufrechterhaltung der Stoffwechselprozesse notwendig sind. Die Konzentration von Metallionen wie Eisenholz (Fe^3⁺), Magnesium (Mg^2⁺), Zink (Zn^2⁺), Kupfer (Cu^2⁺) und Quecksilber (Hg^2⁺) im Wasser muss sorgfältig reguliert werden, um die Eignung für den Verzehr sicherzustellen. Abweichungen von optimalen Konzentrationen, egal ob mangelhaft oder übermäßig, sind dafür bekannt, verschiedene Krankheiten beim Menschen zu verursachen und zur Umweltverschmutzung beizutragen ^1,2,3. Neben Wasser dienen Pflanzen als primäre Nahrungsquelle für lebende Organismen, insbesondere Menschen und Tiere, und unterstützen wichtige Stoffwechselprozesse. Eine wichtige landwirtschaftliche Pflanze ist die Erdnusspflanze (Arachis hypogaea L.), eine Hülsenfrüchte, die in Südamerika heimisch ist, darunter Brasilien, Bolivien, Paraguay und Nordargentinien, und heute weltweit, unter anderem in Indonesien, angebaut wird. Im Laufe der letzten tausend Jahre sind erdnusssamen, proteinreich, für die Nahrungsmittelproduktion unerlässlich geworden und bleiben ein wichtiges landwirtschaftliches Gut. Die Steigerung der Erdnussproduktion bleibt jedoch aufgrund von Umweltfaktoren wie anhaltender Dürre, Bodendegradation, Schädlingsbefällen und Krankheiten wie Laubflecken und Rost sowie begrenzter technologischer Umsetzung ^4,5 eine Herausforderung.

Um die doppelten Herausforderungen bei der Überwachung der Metallionenkonzentration im Wasser und der Förderung des Wachstums von Erdnusspflanzen zu bewältigen, stellen Kohlenstoffnanodots (C-Dots) eine vielversprechende Lösung dar. Diese Materialien können als Sensoren zur Erkennung von Spurenkonzentrationen von Metallionen und als Mittel zur Förderung des Pflanzenwachstums dienen. Fluoreszierende C-Punkte, eine Klasse kohlenstoffbasierter Nanomaterialien, wurden häufig in der Bioimaging⁶ eingesetzt, wobei sie ^2,7, Medikamentenabgabe⁸ und als Nährstoffquellen für Pflanzenwachstum ^9,10 dienen. Ihre physikochemischen Eigenschaften, darunter hohe Photostabilität, starke Fluoreszenz, ausgezeichnete Biokompatibilität, nanoskalige Größe, Resistenz gegen Photobleaching und geringe Toxizität, machen sie für biologische Anwendungen äußerst geeignet^11,12. Darüber hinaus zeigen C-Punkte eine hohe Wasserlöslichkeit, biologische Abbaubarkeit, reichlich vorhandene Vorläuferverfügbarkeit und niedrige Produktionskosten^{von 9,11}, was ihre Anwendbarkeit in der Sensorik und Landwirtschaft weiter verbessert.

Die Verwendung von C-Punkten, die aus organischem Material und dessen zugehörigen Abfällen gewonnen werden, wurde umfassend als Sensoren zur Detektion von Metallionen und als Nährstoffquelle zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion untersucht. Dieses zunehmende Interesse beruht vor allem auf ihre hervorragenden physikochemischen Eigenschaften, wie hohe Photostabilität, starke Fluoreszenz, hervorragende Biokompatibilität, nanoskalige Größe, Resistenz gegen Photobleaching und geringe Toxizität, die sie zusammen für verschiedene biologische Anwendungen sehr geeignet machen^11,12. Darüber hinaus haben C-Dots eine hohe Wasserlöslichkeit, ausgezeichnete biologische Abbaubarkeit, reichlich vorhandene Vorläuferverfügbarkeit und niedrige Produktionskosten ^9,11. Die synergetische Kombination aus geringer Toxizität, Biokompatibilität, starkem PL und hoher Photostabilität macht C-Dots sehr vielversprechend als hervorragende fluoreszierende Sonde für zelluläre mehrfarbige^{Bildgebung 11} und als Nährstoffquelle zur Förderung des Pflanzenwachstums, was so zur gesteigerten landwirtschaftlichen Produktivität beiträgt.

Zahlreiche Studien haben die Verwendung von C-Punkten aus organischen Materialien und Abfällen als Sensoren zur Metallionenerkennung und als Nährstoffquellen zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität untersucht. C-Punkte, die aus p-Phenylendiamin mit hydrothermaler Methode hergestellt wurden, wurden erfolgreich zur^Fe-3⁺-Detektion mit einem Nachweislimit (LOD) von 0,85 μM¹³ eingesetzt. Ähnlich wurden C-Dots, hergestellt aus Amido Black 10B, verwendet, um^Fe-3⁺-Ionen im Seewasser zu detektieren, wodurch ein LOD von 1,84 μM¹⁴ erreicht wurde. C-Punkte, die aus Drachenfruchtschalen gewonnen wurden, wurden ebenfalls für den Nachweis von Zn²⁺ mit einem LOD von 3,2 μM⁷ gemeldet. In landwirtschaftlichen Anwendungen erhöhten C-Dots, die aus Glukose und Harnstoff synthetisiert wurden, den Reisertrag um 14,8 ^%. Wachstumssteigerung von Ipomoea aquatica mit C-Dots, die aus Drachenfruchtschale gewonnen wurden, sowie ein verbessertes Wachstum von hydroponisch kultiviertem Römersalat mit C-Dots wurden ebenfalls¹⁰˒¹⁵ berichtet. Eine frühere Studie berichtete über die Herstellung von C-Dots aus Galangal mittels Mikrowellenmethode und untersuchte deren optische Eigenschaften als Funktion der Verarbeitungszeit¹⁶; ihre Anwendung als Sensoren und Nährstoffquellen wurde jedoch nicht untersucht.

In dieser Studie wurden C-Punkte aus Galangal (Alpinia officinarum) mit der Karbonisierungsmethode ^7,12 hergestellt. Die optischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften der präparierten C-Punkte, einschließlich Photostabilität und Zetapotenzial, wurden analysiert, ebenso wie ihre Anwendungen als Sensoren zur Metallionenerkennung und als Nährstoffquellen zur Bewertung des vegetativen Wachstums in Erdnusspflanzen. Galangal ist eine mehrjährige Pflanze, die in Asien, insbesondere in Indonesien und Thailand, weit verbreitet angebaut wird. Es ist bekannt für seine Anwendungen in Lebensmitteln und Medizin aufgrund seiner karminativen, magenhaften, krampfstillenden und antimikrobiellen Eigenschaften¹⁶. Phytochemische Analysen zeigen, dass Galangal Terpene und phenolische Verbindungen enthält, die reich an Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff sind, was es zu einem geeigneten Vorläufer für die C-Dot-Synthese^{macht 16,17}. Daher stellt Galangal eine reichliche, kostengünstige und erneuerbare Kohlenstoffquelle dar. Die Ziele dieser Studie sind die Analyse der optischen und physikochemischen Eigenschaften von Galangal-abgeleiteten C-Punkten sowie die Bewertung ihrer Anwendbarkeit als Sensoren zur Metallionenerkennung und als Nährstoffquellen zur Förderung des Wachstums von Erdnusspflanzen. Diese Materialien weisen eine doppelte Funktionalität auf, eine Eigenschaft, die als bifunktionale fluoreszierende C-Punkte bezeichnet wird. Die überprüfbare Hypothese ist, dass Erdnusspflanzen, die mit C-Dots behandelt wurden, ein verbessertes Wachstum im Vergleich zu unbehandelten Pflanzen aufweisen.

Die Verkohlung des Galangals bei 200 °C für 30 Minuten erzeugte fluoreszierende C-Punkte, die sich leicht in Ethanol und wässrigen Lösungen verteilen ließen und unter UV-Beleuchtung bei 365 nm blaue Fluoreszenz abgaben. Die Charakterisierung mit Absorption (Abs), Photolumineszenz (PL), Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), dynamischer Lichtstreuung (DLS) und Röntgenbeugung (XRD) bestätigte eine erfolgreiche Synthese sowie günstige optische und strukturelle Eigenschaften. Die PL-Intensität nahm mit steigenden Konzentrationen von Fe³⁺- und Mg²⁺-Ionen ab, was Empfindlichkeit und Selektivität zeigt, mit LOD-Werten von 2,98 μM bzw. 3,3 μM. Darüber hinaus steigerte die Anwendung von Galangal-abgeleiteten C-Dots das vegetative Wachstum von Erdnusspflanzen signifikant, was sich an einem erhöhten Chlorophyllgehalt und Biomassegehalt im Vergleich zu unbehandelten Kontrollgruppen zeigt.

Protokoll

Diese Studie umfasste weder menschliche Teilnehmer noch tierische Proben. Alle Pflanzenversuche wurden gemäß den geltenden institutionellen und nationalen Richtlinien für Pflanzenforschung und Biosicherheit durchgeführt. Die Chemikalien und Ausrüstungen sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Herstellung von C-Punkten aus Galangal

Die Herstellung von Kohlenstoff-Nanodots (C-Dots) aus Galangal erfolgte mit der Karbonisierungsmethode ^7,18 mit geringfügigen Modifikationen. Galangalpulver (20 g) wurde bei 200 °C für 30 Minuten verkohlt, um eine dunkle Probe zu erzeugen. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Probe zerkleinert, um ein feines Pulver zu erhalten. Ein Teil des dunklen Galangalpulvers (0,5 g) wurde 5 ml Ethanol zugesetzt, und das Gemisch wurde 1 Stunde lang soniziert, um eine homogene dunkle Lösung zu erhalten. Anschließend wurden 9 ml Ethanol hinzugefügt und das Gemisch bei 805 × g für 30 Minuten bei Raumtemperatur zentrifugiert, um größere Partikel zu entfernen. Nach der Zentrifugation wurde die Probe durch einen 0,22-μm-Whatman-Filter gefiltert, um große Restpartikel zu entfernen, wodurch ein klarer Überstandsstoff mit fluoreszierenden C-Punkten in Ethanollösung entstand.

Die Herstellung von C-Punkten in wässriger Lösung folgte dem gleichen Verfahren wie bei der Ethanollösung. Allerdings war der Ertrag des gelösten Galangalpulvers in wässriger Lösung geringer als der in Ethanollösung. Bei Beleuchtung mit einer 365-nm-UV-Lampe zeigten die als vorbereiteten C-Punkte sowohl in Ethanol als auch in wässrigen Lösungen blaue Fluoreszenz. Die optischen und physikochemischen Eigenschaften der präparierten C-Punkte, einschließlich Absorption (Abs), Photolumineszenz (PL), Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie, Röntgenbeugung (XRD), Morphologie, Größenverteilung und Zeta-Potenzial, wurden anschließend charakterisiert. Schließlich wurden die vorbereiteten C-Punkte auf ihre Anwendbarkeit als Sensoren zur Metallionenerkennung und als Nährstoffquellen zur Förderung des Erdnusspflanzenwachstums bewertet.

2. Synthese von C-Punkten aus Galangal mit Metallionen

Die Wechselwirkung von C-Punkten mit Eisen- (Fe^3⁺)-Ionen wurde untersucht. Konkret wurde 1 ml C-Dot-Dispersion in Ethanol mit 3 ml Ethanol und 0,75 ml phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS, 1 M, pH 7,0) gemischt, gefolgt von der Zugabe von 100 μL Fe^3⁺ -Lösung in unterschiedlichen Konzentrationen (0–10 μM). Photolumineszenz-(PL)-Spektren wurden mit einer Anregungswellenlänge von 350 nm aufgezeichnet. Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektren wurden ebenfalls gemessen, um potenzielle Wechselwirkungen zwischen C-Punkten und^Fe-3⁺ -Ionen zu bewerten. Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Dasselbe experimentelle Verfahren wurde angewandt, um Wechselwirkungen zwischen C-Punkten und anderen Metallionen zu untersuchen, darunter Magnesium (Mg^2⁺), Zink (Zn^2⁺) und Kupfer (Cu^2⁺).

3. Die Verwendung der bereits hergestellten C-Punkte für das Wachstum der Erdnusspflanze

Schwarze Erde (4 kg) und Reisschalen (1 kg) wurden gemischt und in Polybeutelbehälter gelegt. Die Wasserspeicherkapazität der Bodenmischung wurde gemessen, um das Wasservolumen zu bestimmen, das es aufnehmen konnte. Erdnusssamen wurden auf einem lokalen Markt in Kupang, Ost-Nusa Tenggara, Indonesien, bezogen; Die Sorte wurde nicht angegeben, da der Lieferant keine Kennzeichnung bereitstellte. Die Samen hatten eine rötlich-braune bis cremeweiße Samenschicht, die 6–7 mm lang und 4–5 mm breit war. Die Keimung wurde auf feuchtem Filterpapier in Petrischalen bei 25–28 °C für 5–7 Tage bewertet, wobei die Keimung als Radikelvorkommen ≥2 mm definiert ist, was eine Keimrate von 99 % ergibt. Die Samen wurden 12 Stunden in Wasser eingeweicht und dann in jeder Polytüte in einer Tiefe von 3 cm gepflanzt. Jeder Polybeutel erhielt täglich 1200 ml Wasser. C-Dots wurden wöchentlich bei Mengen von 1 bis 10 mL für zwei Monate aufgebracht. Jedes Behandlungsvolumen enthielt zwei Replikate. Insgesamt wurden 30 Polybeutel verwendet: 10 ohne C-Punkte (Steuerung) und 20 mit C-Punkten. Unbehandelte Samen und mit C-Punkten behandelte Samen wurden unter identischen natürlichen Umweltbedingungen in einem Gewächshaus kultiviert. Umweltparameter wie Temperatur (25–30^°C), relative Luftfeuchtigkeit, Lichtintensität und Photoperiode wurden während des gesamten Experiments natürlich überwacht und kontrolliert, um Konsistenz und Reproduzierbarkeit sicherzustellen.

Die Pflanzenhochhöhe wurde wöchentlich gemessen, während Biomasse und Chlorophyllgehalt nach zwei Monaten gemessen wurden. Die Daten wurden mittels Varianzanalyse (ANOVA) bei p < 0,05 analysiert, und die mittlere Trennung erfolgte mit Duncans Multiple Range Test (DMRT) auf demselben Signifikanzniveau.

Ergebnisse

Vorbereitung und allgemeine Eigenschaften von C-Punkten aus Galangal

Abbildung 1 zeigt ein Schema der Herstellung hochfluoreszierender Kohlenstoffnanodots (C-Dots) aus Galangal in Ethanol und wässrigen Lösungen sowie deren Anwendung als Sensoren und Nährstoffquellen für das Wachstum von Erdnusspflanzen. Die C-Punkte wurden aus Galangal mit einer Verkohlungsmethode hergestellt. Galangal wurde bei 2...

Diskussion

Die vorliegende Studie demonstriert die erfolgreiche Herstellung von fluoreszierenden Kohlenstoffnanodots (C-Dots) aus Galangal mit einer einfachen Karbonisierungsmethode. Die vorbereiteten C-Punkte wiesen wünschenswerte optische, strukturelle und biologische Eigenschaften auf, was ihre bifunktionale Anwendung als Sensoren für^Fe-3+- und^Mg-2+- Ionen sowie als Nährstoffquellen für das Wachstum von Erdnusspflanzen unterstützte. Das verbesserte vegetative Wachstum bei E...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Aquadest	Wasser Eins	A-1708-5LT	Solvent für die Herstellung wässriger C-dot-Dispersionen
Schwarzer Boden und Reisschale	Lokale Produkte aus der Stadt Kupang, Provinz Ost-Nusa Tenggara, Indonesien	N/A	Pflanzmedium für Erdnussanbau
Zentrifuge	LC-04S	N/A	Zur Trennung von C-Dots von Kohlenstoffrückständen
Kupferchlorid-Dihydrat	Emsure	CAS-Nr. 10125-13-0	Metall-Ionenquelle für PL-Löschversuche
Dynamisches Lichtstreuungsinstrument	BeNano 180 Zeta Pro	N/A	Zur Messung des Zeta-Potenzials von C-Dots
Ethanol absolut zur Analyse	Emsure	CAS-Nr. 64-17-5	Solvent für C-dot-Dispersion und Synthese
Eisen(III)-chlorid-Dihydrat	Emsure	CAS-Nr. 10025-77-1	Fe3+ Ionenquelle für Sensorexperimente
FT/IR-4200 Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer	JASCO	FT/IR-4200	Zur Messung von FTIR-Spektren von C-Dots
Galangal (Alpinia galanga)	Lokale Produkte aus der Provinz Ost-Nusa Tenggara, Indonesien	N/A	Kohlenstoffvorläufer zur Herstellung fluoreszierender C-Dots
Magnesiumchlorid-Hexahydrat	Emsure	CAS-Nr. 7791-18-6	Mg2+ Ionenquelle für Sensorexperimente
Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung (PBS)	Buana Laboratories	N/A	Pufferlösung zur pH-Wert-Aufrechterhaltung
Polybeutel	Lokale Produkte aus der Stadt Kupang, Provinz Ost-Nusa Tenggara, Indonesien	N/A	Behälter zur Erdnussanbau
Spektrofluorimeter	SHIMADZU	RF-6000	Zur Messung der Photolumineszenzspektren von C-Dots
Transmissionselektronenmikroskop (TEM)	JEOL	JEM-2100Plus	Zur Untersuchung der Morphologie und Partikelgröße von C-Dots
Ultraschallreiniger	Schmuckreiniger	N/A	Zur Homogenisierung und Dispersion von C-Dots
UV-Lampe (365 nm)	Sofim	N/A	Zur Fluoreszenzvisualisierung von C-Dots
UV-Spektrophotometer	JASCO	UV-570	Zur Messung der Absorptionsspektren von C-Dots
Röntgendiffraktometer (XRD)	Bruker AXS	N/A	Zur Messung der XRD-Muster von C-Dots
Zinkchlorid	Emsure	CAS-Nr. 7646-85-7	Zn2+ Ionenquelle für PL-Löschversuche