Nanodots de carbono fluorescentes bifuncionales de Galangal como sensores para iones metálicos y como fuente de nutrientes para el crecimiento del cacahuete

Resumen

Se demuestran nanodotos fluorescentes bifuncionales de carbono (C-dots) derivados de la galanga como sensores para la detección de iones metálicos y como fuente de nutrientes para el crecimiento de plantas de cacahuete. Estos hallazgos destacan su potencial como sensores selectivos para Fe^3⁺ y Mg^2⁺ y como suplementos nutritivos para potenciar el crecimiento del cacahuete.

Resumen

Este estudio demuestra la bifuncionalidad de los nanodotos fluorescentes de carbono (C-dots) derivados de la galanga como sensores para iones metálicos y fuente de nutrientes para el crecimiento del cacahuete. Los C-dots se fabricaron mediante un método de carbonización a 200 °C durante 30 minutos y mostraron fluorescencia azul en etanol y soluciones acuosas. La caracterización mediante absorción, fotoluminiscencia (PL), espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier (FTIR) y difracción de rayos X (XRD) confirmó la formación exitosa. Los puntos C mostraron picos de absorción en 275 nm (etanol) y 270 nm (acuoso), con un diámetro medio de 5,74 nm y una desviación estándar de 1,11 nm. La intensidad PL se apagó significativamente al interactuar con iones Fe^3⁺ y Mg^2⁺ , permitiendo su detección con límites de detección de 2,98 μM y 3,3 μM, respectivamente. La aplicación de C-dots mejoró el crecimiento del cacahuete, como lo demuestra el aumento del contenido de clorofila y la biomasa en comparación con las plantas no tratadas. Estos resultados indican que los C-dots derivados de la galanga funcionan como fuentes de nutrientes eficaces para el crecimiento vegetativo. En conjunto, este enfoque proporciona una estrategia económica y respetuosa con el medio ambiente para desarrollar C-dots bifuncionales para la detección de iones metálicos y aplicaciones agrícolas.

Introducción

El agua es un recurso esencial para todos los organismos vivos, incluidos los humanos, ya que contiene minerales esenciales necesarios para mantener los procesos metabólicos. La concentración de iones metálicos como férrico (Fe^3⁺), magnesio (Mg^2⁺), zinc (Zn^2⁺), cobre (Cu^2⁺) y mercurio (Hg^2⁺) en el agua debe regularse cuidadosamente para garantizar su idoneidad al consumo. Se sabe que las desviaciones respecto a concentraciones óptimas, ya sean deficientes o excesivas, causan diversas enfermedades en humanos y contribuyen a la contaminación^{ambiental 1,2,3}. Además del agua, las plantas sirven como fuente principal de alimento para los organismos vivos, especialmente humanos y animales, apoyando procesos metabólicos esenciales. Un cultivo agrícola importante es la planta de cacahuete (Arachis hypogaea L.), una especie leguminosa originaria de Sudamérica, incluyendo Brasil, Bolivia, Paraguay y el norte de Argentina, y que ahora se cultiva en todo el mundo, incluyendo Indonesia. En los últimos mil años, las semillas de cacahuete, ricas en proteínas, se han vuelto esenciales para la producción de alimentos y siguen siendo un recurso agrícola fundamental. Sin embargo, el aumento de la producción de cacahuetes sigue siendo un reto debido a factores ambientales como la sequía prolongada, la degradación de la tierra, infestaciones de plagas y enfermedades, incluyendo manchas foliares y roya, así como a la limitada implementación tecnológica ^4,5.

Para abordar los dos retos de monitorizar las concentraciones de iones metálicos en el agua y mejorar el crecimiento de las plantas de cacahuete, los nanodotos de carbono (C-dots) representan una solución prometedora. Estos materiales pueden funcionar como sensores para detectar concentraciones traza de iones metálicos y como agentes para potenciar el crecimiento de las plantas. Los puntos C fluorescentes, una clase de nanomateriales basados en carbono, se han aplicado ampliamente en bioimagen⁶, detectando ^2,7, administración de^{fármacos 8}, y como fuentes de nutrientes para el crecimiento de^{plantas 9,10}. Sus propiedades fisicoquímicas, incluyendo alta fotosabilidad, fuerte fluorescencia, excelente biocompatibilidad, tamaño a escala nanométrica, resistencia al fotoblanqueo y baja toxicidad, los hacen altamente adecuados para aplicaciones^{biológicas 11,12}. Además, los C-dots presentan alta solubilidad en agua, biodegradabilidad, abundante disponibilidad de precursores y bajo coste^{de producción 9,11}, lo que mejora aún más su aplicabilidad en la detección y la agricultura.

El uso de C-dots derivados de material orgánico y sus residuos asociados ha sido ampliamente investigado como sensores para la detección de iones metálicos y como fuente de nutrientes para aumentar la producción agrícola. Este creciente interés se debe principalmente a sus excelentes propiedades fisicoquímicas, como alta fotoestabilidad, fuerte fluorescencia, excelente biocompatibilidad, tamaño a escala nanométrica, resistencia al fotoblanqueo y baja toxicidad, lo que en conjunto las hace muy adecuadas para diversas aplicaciones^{biológicas 11,12}. Además, los C-dots tienen alta solubilidad en agua, excelente biodegradabilidad, abundante disponibilidad de precursores y bajos costes^{de producción 9,11}. La combinación sinérgica de baja toxicidad, biocompatibilidad, fuerte PL y alta fotoestabilidad hace que los puntos C sean muy prometedores como excelente sonda fluorescente para la imagen celular^{multicolor 11} y como fuente de nutrientes para potenciar el crecimiento de las plantas, contribuyendo así al aumento de la productividad agrícola.

Numerosos estudios han explorado el uso de C-dots derivados de materiales orgánicos y residuos como sensores para la detección de iones metálicos y como fuentes de nutrientes para mejorar la productividad agrícola. Los C-dots preparados a partir de p-fenilendiamina mediante un método hidrotermal se aplicaron con éxito para la detección de Fe³⁺ con un límite de detección (LOD) de 0,85 μM¹³. De manera similar, se utilizaron C-dots fabricados con amido negro 10B para detectar iones Fe³⁺ en agua de lago, logrando un LOD de 1,84 μM¹⁴. También se han reportado C-dots derivados de la piel de la pitaya del dragón para la detección de Zn²⁺ con un LOD de 3,2^{μM 7}. En aplicaciones agrícolas, los C-dots sintetizados a partir de glucosa y urea aumentaron el rendimiento de arroz en un 14,8^%. También se han reportado mejoras del crecimiento de Ipomoea aquatica usando C-dots derivadas de la piel de la pitaruga y un mejor crecimiento de lechuga romana cultivada hidropónicamente usando^{C-dots 10}˒¹⁵. Un estudio previo informó sobre la fabricación de puntos C a partir de galanga mediante un método de microondas e investigó sus propiedades ópticas en función del tiempo de procesamiento¹⁶; sin embargo, no se exploró su aplicación como sensores y fuentes de nutrientes.

En este estudio, los C-dots se fabricaron a partir de galanga (Alpinia officinarum) utilizando un método^{de carbonización 7,12}. Se analizaron las propiedades ópticas y fisicoquímicas de los puntos C preparados, incluyendo la fotoestabilidad y el potencial zeta, junto con sus aplicaciones como sensores para la detección de iones metálicos y como fuentes de nutrientes para evaluar el crecimiento vegetativo en plantas de cacahuete. El galangal es una planta perenne ampliamente cultivada en Asia, especialmente en Indonesia y Tailandia. Es conocido por sus aplicaciones en alimentos y medicina debido a sus propiedades carminativas, estomacales, antiespasmódicas y^{antimicrobianas 16}. El análisis fitoquímico indica que la galanga contiene terpenos y compuestos fenólicos ricos en carbono, nitrógeno y oxígeno, lo que la convierte en un precursor adecuado para la síntesis de puntos^{C-dot 16,17}. Así, la galanga representa una fuente de carbono abundante, económica y renovable. Los objetivos de este estudio son analizar las propiedades ópticas y fisicoquímicas de los puntos C derivados del galanga y evaluar su aplicabilidad como sensores para la detección de iones metálicos y como fuentes de nutrientes para mejorar el crecimiento de las plantas de cacahuete. Estos materiales presentan una doble funcionalidad, una propiedad conocida como puntos C fluorescentes bifuncionales. La hipótesis comprobable es que las plantas de cacahuete tratadas con C-dots presentan un crecimiento mejorado en comparación con las plantas sin tratar.

La carbonización de galanga a 200 °C durante 30 minutos produjo puntos fluorescentes C-dot que se dispersaron fácilmente en etanol y soluciones acuosas, y emitieron fluorescencia azul bajo iluminación ultravioleta a 365 nm. La caracterización mediante absorción (Abs), fotoluminiscencia (PL), espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de transmisión (TEM), dispersión dinámica de luz (DLS) y difracción de rayos X (XRD) confirmó la síntesis exitosa y propiedades ópticas y estructurales favorables. La intensidad de PL disminuyó con el aumento de las concentraciones de iones Fe³⁺ y Mg²⁺, demostrando sensibilidad y selectividad, con valores de LOD de 2,98 μM y 3,3 μM, respectivamente. Además, la aplicación de C-dots derivados de la galanga mejoró significativamente el crecimiento vegetativo de las plantas de cacahuete, como se indica por un mayor contenido de clorofila y biomasa en comparación con los controles no tratados.

Protocolo

Este estudio no incluyó participantes humanos ni sujetos animales. Todos los experimentos con plantas se realizaron de acuerdo con las directrices institucionales y nacionales aplicables para la investigación y la bioseguridad vegetal. Los productos químicos y equipos se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Fabricación de C-dots a partir de Galangal

La fabricación de nanodotos de carbono (C-dots) a partir de galanga se realizó mediante un método^{de carbonización 7,18} con modificaciones menores. El polvo de galangal (20 g) se carbonizó a 200 °C durante 30 minutos para obtener una muestra oscura. Tras enfriarse a temperatura ambiente, la muestra se trituraba para obtener un polvo fino. Se añadió una porción del polvo de galanga oscura (0,5 g) a 5 mL de etanol, y la mezcla se sonicó durante 1 hora para obtener una solución oscura homogénea. Posteriormente, se añadieron 9 mL de etanol y la mezcla se centrifugó a 805 × g durante 30 minutos a temperatura ambiente para eliminar partículas más grandes. Tras la centrifugación, la muestra fue filtrada a través de un filtro Whatman de 0,22 μm para eliminar partículas grandes residuales, obteniendo un supernadante transparente que contenía puntos fluorescentes en C-dot en solución de etanol.

La preparación de los puntos C en solución acuosa siguió el mismo procedimiento que para la solución de etanol. Sin embargo, el rendimiento del polvo de galanga disuelto en solución acuosa fue menor que el obtenido en la solución de etanol. Bajo iluminación con una lámpara UV de 365 nm, los puntos C tal como se prepararon en soluciones de etanol y acuosa mostraron fluorescencia azul. Posteriormente se caracterizaron las propiedades ópticas y fisicoquímicas de los puntos C preparados, incluyendo absorción (Abs), fotoluminiscencia (PL), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X (XRD), morfología, distribución de tamaño y potencial zeta. Finalmente, los C-dots preparados fueron evaluados por su aplicabilidad como sensores para la detección de iones metálicos y como fuentes de nutrientes para promover el crecimiento de las plantas de cacahuete.

2. Síntesis de puntos C de galanga con iones metálicos

Se investigó la interacción de los puntos C con iones férricos (Fe^3⁺). Específicamente, se mezcló 1 mL de dispersión de puntos C en etanol con 3 mL de etanol y 0,75 mL de solución salina tamponada con fosfato (PBS, 1 M, pH 7,0), seguido de la adición de 100 μL de solución de Fe^3⁺ a concentraciones variables (0–10 μM). Los espectros de fotoluminiscencia (PL) se registraron usando una longitud de onda de excitación de 350 nm. También se midieron espectros infrarrojos de transformada de Fourier (FTIR) para evaluar posibles interacciones entre los puntos C y los iones^{Fe 3⁺} . Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente.

El mismo procedimiento experimental se aplicó para investigar las interacciones entre los puntos C y otros iones metálicos, incluyendo magnesio (Mg^2⁺), zinc (Zn^2⁺) y cobre (Cu^2⁺).

3. El uso de los puntos C producidos como producidos para el crecimiento de la planta de cacahuete

Se mezclaron tierra negra (4 kg) y cáscaras de arroz (1 kg) y se colocaron en recipientes de bolsas de plástico. Se midió la capacidad de retención de agua de la mezcla de suelo para determinar el volumen de agua que podía absorber. Las semillas de cacahuete se obtuvieron en un mercado local en Kupang, Nusa Tenggara Oriental, Indonesia; El cultivar no fue especificado porque el proveedor no proporcionó etiquetado. Las semillas tenían una capa marrón rojiza a blanquecina rotiza, midiendo entre 6 y 7 mm de largo y 4 a 5 mm de ancho. La germinación se evaluó sobre papel filtro húmedo en placas de Petri a 25–28 °C durante 5–7 días, definiéndose la germinación como la emergencia radicular ≥2 mm, dando una tasa de germinación del 99%. Las semillas se remojaron en agua durante 12 horas y luego se plantaron a una profundidad de 3 cm en cada bolsa de polietileno. Cada bolsa de polietileno recibía 1200 mL de agua al día. Los C-dots se aplicaron semanalmente en volúmenes que iban de 1 a 10 mL durante dos meses. Cada volumen de tratamiento incluía dos réplicas. Se utilizaron un total de 30 bolsas de plástico: 10 sin C-dots (control) y 20 con C-dots. Las semillas sin tratar y las tratadas con C-dots se cultivaron en condiciones ambientales naturales idénticas en un invernadero. Se monitorizaron y controlaron de forma natural los parámetros ambientales, incluyendo temperatura (25-30^°C), humedad relativa, intensidad luminosa y fotoperiodo, de forma natural durante todo el experimento para garantizar la consistencia y la reproducibilidad.

La altura de la planta se midió semanalmente, mientras que la biomasa y el contenido de clorofila se midieron tras dos meses. Los datos se analizaron mediante análisis de varianza (ANOVA) a p < 0,05, y la separación media se realizó utilizando la prueba de rango múltiple (DMRT) de Duncan al mismo nivel de significación.

Resultados

Preparación y características generales de los C-dots de Galangal

La Figura 1 ilustra un esquema de la preparación de nanodotos de carbono altamente fluorescentes (C-dots) a partir de galanga en soluciones de etanol y acuosas, y su aplicación como sensores y fuentes de nutrientes para el crecimiento de plantas de cacahuete. Los C-dots se prepararon a partir de galanga mediante un método de carboni...

Discusión

El presente estudio demuestra la exitosa fabricación de nanodotos fluorescentes de carbono (C-dots) a partir de galanga utilizando un método sencillo de carbonización. Los C-dots preparados mostraron propiedades ópticas, estructurales y biológicas deseables, lo que respalda su aplicación bifuncional como sensores para iones Fe³⁺ y Mg²⁺ y como fuentes de nutrientes para el crecimiento de plantas de cacahuete. El crecimiento vegetativo mejorado observado en plantas de...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Aquadest	Water One	A-1708-5LT	Solvente para la preparación de dispersiones acuosas de C-dot
Tierra negra y cáscara de arroz	Producto local de la ciudad de Kupang, provincia de Nusa Tenggara Oriental, Indonesia	N/A	Medio de siembra para el cultivo de maní
Centrífuga	LC-04S	N/A	Utilizada para separar C-dots de los residuos de carbono
Cloruro de cobre dihidrato	Emsure	CAS No. 10125-13-0	Fuente de iones metálicos para experimentos de amortiguamiento de PL
Instrumento de dispersión dinámica de luz	BeNano 180 Zeta Pro	N/A	Utilizado para mediciones de potencial zeta de C-dots
Etanol absoluto para análisis	Emsure	CAS No. 64-17-5	Solvente para la dispersión y síntesis de C-dot
Cloruro férrico dihidrato	Emsure	CAS No. 10025-77-1	Fuente de iones Fe3+ para experimentos de detección
Espectrómetro de transformada de Fourier-infrarrojo (FTIR) FT/IR-4200	JASCO	FT/IR-4200	Utilizado para medir los espectros FTIR de C-dots
Galanga (Alpinia galanga)	Producto local de la provincia de Nusa Tenggara Oriental, Indonesia	N/A	Precursor de carbono para la preparación de C-dots fluorescentes
Cloruro de magnesio hexahidrato	Emsure	CAS No. 7791-18-6	Fuente de iones Mg2+ para experimentos de detección
Solución salina tamponada con fosfato (PBS)	Buana Laboratories	N/A	Solución tampón utilizada para mantener el pH
Bolsa de polietileno	Producto local de la ciudad de Kupang, provincia de Nusa Tenggara Oriental, Indonesia	N/A	Contenedor utilizado para el cultivo de maní
Espectrofluorímetro	SHIMADZU	RF-6000	Utilizado para medir los espectros de fotoluminiscencia de C-dots
Microscopio electrónico de transmisión (TEM)	JEOL	JEM-2100Plus	Utilizado para investigar la morfología y el tamaño de las partículas de C-dots
Limpador ultrasónico	Limpador de joyas	N/A	Utilizado para la homogeneización y dispersión de C-dots
Lámpara UV (365 nm)	Sofim	N/A	Utilizada para la visualización de fluorescencia de C-dots
Espectrómetro UV	JASCO	UV-570	Utilizado para medir los espectros de absorción de C-dots
Difractómetro de rayos X (DRX)	Bruker AXS	N/A	Utilizado para medir los patrones de DRX de C-dots
Cloruro de zinc	Emsure	CAS No. 7646-85-7	Fuente de iones Zn2+ para experimentos de amortiguamiento de PL