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Article de recherche
Les nanodots fluorescents bifonctionnels au carbone (C-dots) dérivés du galangal sont démontrés comme des capteurs pour la détection des ions métalliques et comme source de nutriments pour la croissance des plants d’arachides. Ces résultats mettent en lumière leur potentiel en tant que capteurs sélectifs pour le Fe3⁺ et le Mg2⁺ ainsi que comme compléments nutritifs pour favoriser la croissance de l’arachide.
Cette étude démontre la bifonctionnalité des nanodots fluorescents de carbone (C-dots) dérivés du galangal, servant à la fois de capteurs pour les ions métalliques et de source de nutriments pour la croissance de l’arachide. Les C-dots ont été fabriqués par une méthode de carbonisation à 200 °C pendant 30 minutes et ont présenté une fluorescence bleue dans l’éthanol et les solutions aqueuses. La caractérisation utilisant l’absorption, la photoluminescence (PL), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la diffraction des rayons X (XRD) a confirmé la formation réussie. Les points C ont montré des pics d’absorption à 275 nm (éthanol) et 270 nm (aqueux), avec un diamètre moyen de 5,74 nm et un écart-type de 1,11 nm. L’intensité PL a été significativement atténuée lors de l’interaction avec les ions Fe3⁺ et Mg2⁺ , permettant leur détection avec des limites de détection de 2,98 μM et 3,3 μM, respectivement. L’application des C-dots a favorisé la croissance des arachides, comme en témoigne une augmentation de la teneur en chlorophylle et de la biomasse par rapport aux plantes non traitées. Ces résultats indiquent que les C-dots dérivés du galangal fonctionnent comme des sources de nutriments efficaces pour la croissance végétative. Dans l’ensemble, cette approche offre une stratégie économique et respectueuse de l’environnement pour le développement de C-dots bifonctionnels pour la détection d’ions métalliques et des applications agricoles.
L’eau est une ressource essentielle pour tous les organismes vivants, y compris les humains, car elle contient des minéraux essentiels nécessaires au maintien des processus métaboliques. La concentration d’ions métalliques tels que le ferrique (Fe3⁺), le magnésium (Mg2⁺), le zinc (Zn2⁺), le cuivre (Cu2⁺) et le mercure (Hg2⁺) dans l’eau doit être soigneusement régulée pour garantir une consommation favorable. Les écarts par rapport aux concentrations optimales, qu’ils soient déficients ou excessifs, sont connus pour provoquer diverses maladies chez l’homme et contribuer à la pollution environnementale 1,2,3. En plus de l’eau, les plantes constituent une source alimentaire principale pour les organismes vivants, en particulier les humains et les animaux, soutenant les processus métaboliques essentiels. Une culture agricole importante est la plante de cacahuète (Arachis hypogaea L.), une espèce de légumineuses originaire d’Amérique du Sud, notamment au Brésil, en Bolivie, au Paraguay et dans le nord de l’Argentine, et désormais cultivée dans le monde entier, y compris en Indonésie. Au cours des mille dernières années, les graines de cacahuète, riches en protéines, sont devenues essentielles à la production alimentaire et restent une denrée agricole essentielle. Cependant, l’augmentation de la production d’arachides reste difficile en raison de facteurs environnementaux tels que la sécheresse prolongée, la dégradation des terres, les infestations de ravageurs et les maladies, notamment les taches foliaires et la rouille, ainsi que la mise en œuvre technologiquelimitée 4,5.
Pour relever les défis doubles de la surveillance des concentrations d’ions métalliques dans l’eau et de l’amélioration de la croissance des plants d’arachides, les nanodots au carbone (C-dots) représentent une solution prometteuse. Ces matériaux peuvent servir de capteurs pour détecter de faibles concentrations d’ions métalliques et d’agents favorisant la croissance des plantes. Les points C fluorescents, une classe de nanomatériaux à base de carbone, ont été largement utilisés enbioimagerie 6, détectant 2,7, délivrancede médicaments 8, et comme sources nutritives pour la croissance desplantes 9,10. Leurs propriétés physico-chimiques, notamment une haute photostabilité, une forte fluorescence, une excellente biocompatibilité, une taille nanométrique, une résistance au photoblanchiment et une faible toxicité, les rendent très adaptés aux applicationsbiologiques 11,12. De plus, les C-dots présentent une grande solubilité dans l’eau, une biodégradabilité, une abondance de précurseurs et un faible coûtde production 9,11, ce qui renforce encore leur applicabilité en détection et en agriculture.
L’utilisation des C-dots dérivés de matières organiques et leurs déchets associés a été largement étudiée comme capteurs pour la détection des ions métalliques et comme source de nutriments pour augmenter la production agricole. Cet intérêt croissant est principalement dû à leurs excellentes propriétés physicochimiques, telles que leur haute photostabilité, une forte fluorescence, une excellente biocompatibilité, une taille nanométrique, une résistance au photoblanchiment et une faible toxicité, qui les rendent collectivement très adaptés à diverses applicationsbiologiques 11,12. De plus, les C-dots présentent une grande solubilité dans l’eau, une excellente biodégradabilité, une abondance de précurseurs et des coûts de production faibles 9,11. La combinaison synergique de faible toxicité, de biocompatibilité, de forte pression de plomb et de haute photostabilité rend les points C très prometteurs comme excellente sonde fluorescente pour l’imagerie cellulaire multicolore11 et comme source de nutriments favorisant la croissance des plantes, contribuant ainsi à l’augmentation de la productivité agricole.
De nombreuses études ont exploré l’utilisation des points C dérivés de matériaux organiques et de déchets comme capteurs pour la détection des ions métalliques et comme sources de nutriments pour améliorer la productivité agricole. Les C-dots préparés à partir de p-phénylénediamine par une méthode hydrothermale ont été appliqués avec succès pour la détection de Fe3⁺ avec une limite de détection (LOD) de 0,85μM 13. De même, des C-dots fabriqués en amido noir 10B ont été utilisés pour détecter les ions Fe3⁺ dans l’eau du lac, atteignant un LOD de 1,84 μM14. Des C-dots dérivés de l’écorce de fruit du dragon ont également été signalés pour la détection de Zn2⁺ avec un LOD de 3,2μM 7. Dans les applications agricoles, les C-dots synthétisés à partir de glucose et d’urée ont augmenté le rendement en riz de 14,8 %. Une augmentation de la croissance d’Ipomoea aquatica à l’aide de C-dots dérivés de l’écorce de fruit du dragon et une meilleure croissance de la laitue romaine cultivée hydroponiquement à l’aide de C-dots ont également étérapportées 10˒15. Une étude antérieure a rapporté la fabrication de points C à partir de galange à l’aide d’une méthode micro-ondes et a étudié leurs propriétés optiques en fonction du temps de traitement16 ; cependant, leur application comme capteurs et sources de nutriments n’a pas été explorée.
Dans cette étude, des C-dots ont été fabriqués à partir de galange (Alpinia officinarum) en utilisant une méthodede carbonisation 7,12. Les propriétés optiques et physicochimiques des points C préparés, y compris la photostabilité et le potentiel zêta, ont été analysées, ainsi que leurs applications comme capteurs pour la détection des ions métalliques et comme sources nutritives pour évaluer la croissance végétative chez les arachides. Le galangal est une plante vivace largement cultivée en Asie, en particulier en Indonésie et en Thaïlande. Elle est connue pour ses applications dans l’alimentation et la médecine en raison de ses propriétés carminatives, estomaciques, antispasmodiques etantimicrobiennes 16. L’analyse phytochimique indique que le galangal contient des terpènes et des composés phénoliques riches en carbone, azote et oxygène, ce qui en fait un précurseur adapté à la synthèse C-dot16,17. Ainsi, le galangal représente une source de carbone abondante, peu coûteuse et renouvelable. Les objectifs de cette étude sont d’analyser les propriétés optiques et physicochimiques des points C dérivés du galange et d’évaluer leur applicabilité comme capteurs pour la détection des ions métalliques et comme sources de nutriments pour améliorer la croissance des plants d’arachides. Ces matériaux présentent une double fonctionnalité, une propriété appelée points C fluorescents bifonctionnels. L’hypothèse testable est que les plants d’arachide traités avec des C-dots présentent une croissance améliorée par rapport aux plantes non traitées.
La carbonisation du galangal à 200 °C pendant 30 minutes a produit des points C fluorescents facilement dispersés dans l’éthanol et les solutions aqueuses, et émettait une fluorescence bleue sous éclairage UV à 365 nm. La caractérisation utilisant l’absorption (Abs), la photoluminescence (PL), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la microscopie électronique en transmission (TEM), la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la diffraction des rayons X (XRD) a confirmé la réussite de la synthèse et des propriétés optiques et structurales favorables. L’intensité de la PL diminuait avec l’augmentation des concentrations d’ions Fe3⁺ et Mg2⁺, démontrant sensibilité et sélectivité, avec des valeurs de LOD de 2,98 μM et 3,3 μM, respectivement. De plus, l’application de points C dérivés du galange a considérablement favorisé la croissance végétative des plants d’arachides, comme en témoigne une teneur accrue en chlorophylle et en biomasse par rapport aux témoins non traités.
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Cette étude n’a pas impliqué de participants humains ni de sujets animaux. Toutes les expériences sur les plantes ont été réalisées conformément aux directives institutionnelles et nationales applicables pour la recherche végétale et la biosécurité. Les produits chimiques et équipements sont listés dans le tableau des matériaux.
1. Fabrication de C-dots à partir de Galangal
La fabrication des nanodots de carbone (C-dots) à partir de galangal a été réalisée selon une méthodede carbonisation 7,18 avec des modifications mineures. La poudre de galangal (20 g) a été carbonisée à 200 °C pendant 30 minutes pour produire un échantillon sombre. Après refroidissement à température ambiante, l’échantillon était écrasé pour obtenir une fine poudre. Une portion de la poudre de galange sombre (0,5 g) a été ajoutée à 5 mL d’éthanol, et le mélange a été sonifié pendant 1 h pour obtenir une solution sombre homogène. Par la suite, 9 mL d’éthanol ont été ajoutés, et le mélange a été centrifugé à 805 × g pendant 30 minutes à température ambiante pour éliminer les particules plus grosses. Après centrifugation, l’échantillon a été filtré à travers un filtre Whatman de 0,22 μm pour éliminer les grosses particules résiduelles, obtenant un surnageant clair contenant des points C fluorescents en solution d’éthanol.
La préparation des points C en solution aqueuse suivait la même procédure que pour la solution d’éthanol. Cependant, le rendement de la poudre de galange dissoute en solution aqueuse était inférieur à celui obtenu en solution d’éthanol. Sous éclairage avec une lampe UV de 365 nm, les points C tels que préparés, en éthanol et en solutions aqueuses, présentaient une fluorescence bleue. Les propriétés optiques et physicochimiques des points C préparés, incluant l’absorption (Abs), la photoluminescence (PL), la spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X (XRD), la morphologie, la distribution des tailles et le potentiel zêta, ont ensuite été caractérisées. Enfin, les C-dots préparés ont été évalués pour leur applicabilité comme capteurs pour la détection des ions métalliques et comme sources de nutriments favorisant la croissance des plants d’arachides.
2. Synthèse des points C à partir de galange avec des ions métalliques
L’interaction des points C avec les ions ferriques (Fe3⁺) a été étudiée. Plus précisément, 1 mL de dispersion C-dot dans l’éthanol a été mélangé à 3 mL d’éthanol et 0,75 mL de solution à phosphate tamponnée (PBS, 1 M, pH 7,0), suivie de l’ajout de 100 μL de solution de Fe3⁺ à différentes concentrations (0–10 μM). Les spectres de photoluminescence (PL) ont été enregistrés en utilisant une longueur d’onde d’excitation de 350 nm. Les spectres infrarouges de la transformée de Fourier (FTIR) ont également été mesurés pour évaluer les interactions potentielles entre les points C et les ions Fe3⁺ . Toutes les expériences ont été menées à température ambiante.
La même procédure expérimentale a été appliquée pour étudier les interactions entre les points C et d’autres ions métalliques, notamment le magnésium (Mg2⁺), le zinc (Zn2⁺) et le cuivre (Cu2⁺).
3. L’utilisation des C-dots tels que produits pour la croissance de la plante d’arachide
De la terre noire (4 kg) et des enveloppes de riz (1 kg) ont été mélangées et placées dans des contenants en poly. La capacité de rétention d’eau du mélange de sol était mesurée pour déterminer le volume d’eau qu’il pouvait absorber. Les graines de cacahuète ont été obtenues sur un marché local à Kupang, dans l’est de Nusa Tenggara, en Indonésie ; Le cultivar n’a pas été spécifié car le fournisseur n’a pas fourni d’étiquetage. Les graines avaient un enduit brun rougeâtre à blanc cassé, mesurant 6 à 7 mm de long et 4 à 5 mm de largeur. La germination a été évaluée sur du papier filtrant humide dans des boîtes de Petri à 25–28 °C pendant 5 à 7 jours, la germination étant définie comme une émergence radicale ≥2 mm, donnant un taux de germination de 99 %. Les graines ont été trempées dans l’eau pendant 12 heures puis plantées à une profondeur de 3 cm dans chaque sac poly. Chaque sac poly recevait 1200 mL d’eau par jour. Les C-dots étaient appliqués chaque semaine en volumes allant de 1 à 10 mL pendant deux mois. Chaque volume de traitement comprenait deux répliques. Un total de 30 polybags ont été utilisés : 10 sans C-dots (contrôle) et 20 avec C-dots. Les graines non traitées et les graines traitées avec des C-dots ont été cultivées dans des conditions environnementales naturelles identiques dans une serre. Les paramètres environnementaux, notamment la température (25-30°C), l’humidité relative, l’intensité lumineuse et la photopériode, ont été surveillés et contrôlés naturellement tout au long de l’expérience afin d’assurer la cohérence et la reproductibilité.
La hauteur des plantes était mesurée chaque semaine, tandis que la biomasse et la teneur en chlorophylle étaient mesurées après deux mois. Les données ont été analysées à l’aide d’une analyse de variance (ANOVA) à p < 0,05, et la séparation moyenne a été réalisée à l’aide du test de plage multiple (DMRT) de Duncan au même niveau de signification.
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Préparation et caractéristiques générales des C-dots de Galangal
La Figure 1 illustre un schéma de la préparation de nanodots au carbone hautement fluorescents (C-dots) à partir de galangal dans l’éthanol et les solutions aqueuses, ainsi que leur application comme capteurs et sources de nutriments pour la croissance des plants d’arachides. Les C-dots ont été préparés à partir de galangal selon une...
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La présente étude démontre la fabrication réussie de nanodots fluorescents au carbone (C-dots) à partir de galangal en utilisant une méthode simple de carbonisation. Les C-dots préparés présentaient des propriétés optiques, structurelles et biologiques souhaitables, soutenant leur application bifonctionnelle comme capteurs pour les ions Fe3+ et Mg2+ ainsi que comme sources de nutriments pour la croissance des plants d’arachide. La croissance végétative accrue observ...
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Les auteurs déclarent ne pas exister de conflit d’intérêts.
Les auteurs reconnaissent chaleureusement le soutien financier apporté par l’Université Nusa Kendana, en particulier le Département de Physique, Faculté des Sciences et de l’Ingénierie, pour cette recherche dans le cadre de la Subvention n° 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Aquadest | Water One | A-1708-5LT | Solvant pour la préparation de dispersions aqueuses de C-dots |
| Black soil and rice husk | Produit local de la ville de Kupang, Province de Nusa Tenggara Est, Indonésie | N/A | Médium de plantation pour la culture d'arachides |
| Centrifuge | LC-04S | N/A | Utilisé pour séparer les C-dots des résidus de carbone |
| Chlorure de cuivre dihydraté | Emsure | No CAS 10125-13-0 | Source d'ions métalliques pour les expériences d'extinction de PL |
| Instrument de diffusion dynamique de la lumière | BeNano 180 Zeta Pro | N/A | Utilisé pour les mesures de potentiel zêta des C-dots |
| Éthanol absolu pour analyse | Emsure | No CAS 64-17-5 | Solvant pour la dispersion et la synthèse des C-dots |
| Chlorure ferrique dihydraté | Emsure | No CAS 10025-77-1 | Source d'ions Fe3+ pour les expériences de détection |
| Spectrophotomètre infrarouge à transformée de Fourier FT/IR-4200 | JASCO | FT/IR-4200 | Utilisé pour mesurer les spectres FTIR des C-dots |
| Galangal (Alpinia galanga) | Produit local de la province de Nusa Tenggara Est, Indonésie | N/A | Précurseur de carbone pour la préparation de C-dots fluorescents |
| Chlorure de magnésium hexahydraté | Emsure | No CAS 7791-18-6 | Source d'ions Mg2+ pour les expériences de détection |
| Tampon phosphate (PBS) | Buana Laboratories | N/A | Solution tampon utilisée pour maintenir le pH |
| Polybag | Produit local de la ville de Kupang, Province de Nusa Tenggara Est, Indonésie | N/A | Conteneur utilisé pour la culture d'arachides |
| Spectrofluoromètre | SHIMADZU | RF-6000 | Utilisé pour mesurer les spectres de photoluminescence des C-dots |
| Microscope électronique à transmission (TEM) | JEOL | JEM-2100Plus | Utilisé pour étudier la morphologie et la taille des particules des C-dots |
| Nettoyeur à ultrasons | Nettoyant pour bijoux | N/A | Utilisé pour l'homogénéisation et la dispersion des C-dots |
| Lampe UV (365 nm) | Sofim | N/A | Utilisée pour la visualisation par fluorescence des C-dots |
| Spectrophotomètre UV | JASCO | UV-570 | Utilisé pour mesurer les spectres d'absorption des C-dots |
| Diffractomètre à rayons X (XRD) | Bruker AXS | N/A | Utilisé pour mesurer les profils XRD des C-dots |
| Chlorure de zinc | Emsure | No CAS 7646-85-7 | Source d'ions Zn2+ pour les expériences d'extinction de PL |