ננו-נקודות פחמן פלואורסצנטיות דו-תפקודיות מגלנגל כחיישנים ליוני מתכת וכמקור תזונתי לצמיחת בוטנים

סיכום

ננו-נקודות פחמן פלואורסצנטיות דו-תפקודיות (C-dots) שמקורן בגלנגל מוצגות כחיישנים לזיהוי יוני מתכת וכמקור תזונה לצמיחת צמחי הבוטנים. ממצאים אלו מדגישים את הפוטנציאל שלהם כחיישנים סלקטיביים ל-Fe^3⁺ ו-Mg^2⁺ וכתוספי תזונה לשיפור צמיחת הבוטנים.

תקציר

מחקר זה מדגים את הדו-פונקציונליות של ננו-נקודות פחמן פלואורסצנטיות (C-dots) שמקורן בגלנגל הן כחיישנים ליוני מתכת והן כמקור תזונה לצמיחת בוטנים. נקודות ה-C יוצרו בשיטת פחמן בטמפרטורה של 200°C למשך 30 דקות והפגינו פלואורסצנציה כחולה באתנול ותמיסות מימיות. אפיון באמצעות ספיגה, פוטולומינסצנציה (PL), ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום של טרנספורם פורייה (FTIR) ודיפרקציית קרני רנטגן (XRD) אישרו היווצרות מוצלחת. נקודות ה-C הראו שיאי ספיגה ב-275 ננומטר (אתנול) ו-270 ננומטר (מימי), עם קוטר ממוצע של 5.74 ננומטר וסטיית תקן של 1.11 ננומטר. עוצמת ה-PL ירדה משמעותית באינטראקציה עם יוני Fe^3⁺ ו-Mg^2⁺ , מה שאפשר את גילויים עם מגבלות גילוי של 2.98 מיקרומולר ו-3.3 מיקרומטר, בהתאמה. השימוש ב-C-dots הגביר את צמיחת הבוטנים, כפי שניתן לראות בעלייה בתכולת הכלורופיל ובביומסה בהשוואה לצמחים שלא טופלו. תוצאות אלו מצביעות על כך ש-C-dots שמקורם בגלנגל משמש כמקור תזונה יעיל לצמיחה צמחית. בסך הכול, גישה זו מספקת אסטרטגיה כלכלית וידידותית לסביבה לפיתוח נקודות C-dot דו-תכליתיות לחיישת יוני מתכת ויישומים חקלאיים.

מבוא

מים הם משאב חיוני לכל האורגניזמים החיים, כולל בני אדם, שכן הם מכילים מינרלים חיוניים לשמירה על תהליכים מטבוליים. ריכוז יוני מתכת כגון ברזל (Fe^3⁺), מגנזיום (Mg^2⁺), אבץ (Zn^2⁺), נחושת (Cu^2⁺) וכספית (Hg^2⁺) במים חייב להיות מווסת בקפידה כדי להבטיח התאמה לצריכה. סטיות מהריכוזים האופטימליים, בין אם חסרות או מופרזות, ידועות כגורמות למחלות שונות בבני אדם ותורמות לזיהום סביבתי ^1,2,3. בנוסף למים, צמחים משמשים כמקור מזון עיקרי ליצורים חיים, במיוחד לבני אדם ובעלי חיים, ותומכים בתהליכים מטבוליים חיוניים. גידול חקלאי חשוב הוא צמח הבוטנים (Arachis hypogaea L.), מין קטניות שמקורו בדרום אמריקה, כולל ברזיל, בוליביה, פרגוואי וצפון ארגנטינה, וכיום מגודל ברחבי העולם, כולל באינדונזיה. במהלך אלף השנים האחרונות, זרעי בוטנים, עשירים בחלבון, הפכו לחיוניים לייצור מזון ונשארים סחורה חקלאית קריטית. עם זאת, הגדלת ייצור הבוטנים נותרה מאתגרת בשל גורמים סביבתיים כמו בצורת ממושכת, הידרדרות קרקעות, התפשטות מזיקים ומחלות, כולל כתמי עלים וחלודה, וכן יישום טכנולוגי מוגבל ^4,5.

כדי להתמודד עם האתגרים הכפולים של ניטור ריכוזי יוני מתכת במים והגברת צמיחת צמחי הבוטנים, ננו-נקודות פחמן (C-dots) מהוות פתרון מבטיח. חומרים אלו יכולים לשמש כחיישנים לזיהוי ריכוזי זעירים של יוני מתכת וכחומרים להגברת צמיחת הצמחים. נקודות C-dot פלואורסצנטיות, סוג של ננו-חומרים מבוססי פחמן, יושמו באופן נרחב בהדמיה ביולוגית⁶, חישה ^2,7, משלוח תרופות⁸, וכמקורות תזונתיים לצמיחת צמחים ^9,10. התכונות הפיזיקוכימיות שלהן, כולל יציבות פוטו-יציבות גבוהה, פלואורסצנציה חזקה, תאימות ביולוגית מצוינת, גודל ננומטר, עמידות לפוטוליצ'ינג ורעילות נמוכה, הופכות אותן למתאימות מאוד ליישומים ביולוגיים^11,12. בנוסף, C-dots מציגים מסיסות גבוהה במים, מתכלות ביולוגית, זמינות שפע של חומרי קדם ועלות ייצור נמוכה ^9,11, מה שמחזק עוד יותר את יישומם בחישה ובחקלאות.

השימוש בנקודות C שמקורן בחומר אורגני ובפסולת הנלווית אליו נחקר לעומק כחיישנים לזיהוי יוני מתכת וכמקור תזונה להגדלת הייצור החקלאי. העניין הגובר הזה נובע בעיקר מתכונותיהם הפיזיקוכימיות המצוינות, כגון פוטויציבות גבוהה, פלואורסצנציה חזקה, תאימות ביולוגית מצוינת, גודל ננומטר, עמידות לפוטובלינציה ורעילות נמוכה, אשר יחד הופכים אותם למתאימים מאוד ליישומים ביולוגיים שונים^11,12. בנוסף, ל-C-dots יש מסיסות גבוהה במים, מתכלות ביולוגית מצוינת, זמינות שפע של חומרי קדם ועלויות ייצור נמוכות ^9,11. השילוב הסינרגטי של רעילות נמוכה, תאימות ביולוגית, PL חזק ויציבות פוטו-גבוהה הופך את C-dots למבטיח מאוד כגלאי פלואורסצנטי מצוין להדמיה רב-צבעונית^{תאית 11} וכמקור תזונה לשיפור צמיחת הצמחים, ובכך תורם לעלייה בפרודוקטיביות החקלאית.

מחקרים רבים בחנו את השימוש בנקודות C שמקורן בחומרים אורגניים ופסולת כחיישנים לזיהוי יוני מתכת וכמקורות תזונה לשיפור התפוקה החקלאית. נקודות C שהוכנו מ-p-פנילנדיאמין בשיטה הידרותרמית יושמו בהצלחה לזיהוי Fe³⁺ עם מגבלת גילוי (LOD) של 0.85 מיקרומול¹³. באופן דומה, נקודות C שיוצרו מ-amido black 10B שימשו לזיהוי יוני Fe³⁺ במי האגם, והגיעו ל-LOD של 1.84 מיקרומטר¹⁴. נקודות C שמקורן בקליפת פרי הדרקון דווחו גם הן לזיהוי אבץ²⁺ עם LOD של 3.2 מיקרומול⁷. ביישומים חקלאיים, נקודות C מסונתזות מגלוקוז ואוריאה הגדילו את תפוקת האורז ב-14.8^%9. שיפור הצמיחה של Ipomoea aquatica באמצעות נקודות C שמקורן בקליפת פרי הדרקון ושיפור בצמיחה של חסה רומיין שגודלה הידרופונית באמצעות נקודות C דווחו גם^{הם ב-10˒15}. מחקר קודם דיווח על ייצור נקודות C מגלנגל בשיטת מיקרוגל וחקר את תכונותיהן האופטיות כפונקציה של זמן עיבוד¹⁶; עם זאת, השימוש שלהם כחיישנים ומקורות תזונה לא נחקר.

במחקר זה, נקודות C-dot יוצרו מגלנגל (Alpinia officinarum) באמצעות שיטת פחמן ^7,12. נותחו התכונות האופטיות והפיזיקוכימיות של נקודות ה-C המוכנות, כולל יציבות האור ופוטנציאל הזטה, יחד עם יישומן כחיישנים לזיהוי יוני מתכת וכמקורות תזונה להערכת צמיחה צמחית בצמחי בוטנים. גלנגל הוא צמח רב-שנתי המגודל באופן נרחב באסיה, במיוחד באינדונזיה ובתאילנד. הוא ידוע ביישומיו במזון וברפואה בזכות תכונותיו הקרמינטיביות, הקיביתיות, האנטי-ספאזמיות והאנטי-מיקרוביאליות¹⁶. ניתוח פיטוכימי מצביע על כך שגלנגל מכיל טרפנים ותרכובות פנוליות עשירות בפחמן, חנקן וחמצן, מה שהופך אותו לקדם מתאים לסינתזת C-dot^16,17. לכן, גלנגל מייצג מקור פחמן שופע, זול ומתחדש. מטרות המחקר הן לנתח את התכונות האופטיות והפיזיקוכימיות של נקודות C שמקורן בגלנגל ולהעריך את יישומן כחיישנים לזיהוי יוני מתכת וכמקורות תזונה לשיפור צמיחת צמחי הבוטנים. חומרים אלו מציגים פונקציונליות כפולה, תכונה המכונה נקודות פלואורסצנטיות דו-פונקציונליות. ההשערה הניתנת לבדיקה היא שצמחי בוטנים שטופלו ב-C-dots מציגים צמיחה טובה יותר בהשוואה לצמחים שלא טופלו.

פחמון של גלאנגל בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות יצר נקודות C-dot פלואורסצנטיות שהתפזרו בקלות באתנול ותמיסות מימיות, ופלטו פלואורסצנציה כחולה תחת תאורת UV ב-365 ננומטר. אפיון באמצעות ספיגה (Abs), פוטולומינסצנציה (PL), ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום בטרנספורמציה פורייה (FTIR), מיקרוסקופיית אלקטרונים מעבירה (TEM), פיזור אור דינמי (DLS) ודיפרקציית רנטגן (XRD) אישרו סינתזה מוצלחת ותכונות אופטיות ומבניות מועדפות. עוצמת ה-PL ירדה עם עלייה בריכוזים של יוני Fe³⁺ ו-Mg²⁺, מה שמראה רגישות וסלקטיביות, עם ערכי LOD של 2.98 מיקרומולר ו-3.3 מיקרומול, בהתאמה. יתרה מזאת, יישום נקודות C-dot שמקורן בגלנגל שיפר משמעותית את הצמיחה הצמחית של צמחי הבוטנים, כפי שמעיד עלייה בתכולת הכלורופיל ובביומסה בהשוואה לבקרות שלא טופלו.

פרוטוקול

מחקר זה לא כלל משתתפים אנושיים או נבדקים של בעלי חיים. כל הניסויים בצמחים בוצעו בהתאם להנחיות מוסדיות ולאומיות רלוונטיות למחקר צמחים ולבטיחות ביולוגית. הכימיקלים והציוד מופיעים בטבלת החומרים.

1. ייצור נקודות C מגלנגל

ייצור ננו-נקודות פחמן (C-dots) מהגלנגל בוצע בשיטת פחמן ^7,18 עם שינויים קלים. אבקת גלנגל (20 גרם) פוחמה בטמפרטורה של 200°C למשך 30 דקות ליצירת דגימה כהה. לאחר הקירור לטמפרטורת החדר, הדגימה נמחצה לקבלת אבקה דקה. חלק מאבקת הגלנגל הכהה (0.5 גרם) נוסף ל-5 מ"ל אתנול, והתערובת עברה סוניקה במשך שעה אחת לקבלת תמיסה כהה הומוגנית. לאחר מכן נוספו 9 מ"ל אתנול, והתערובת צנטריפוגה ב-805 × גרם למשך 30 דקות בטמפרטורת החדר להסרת חלקיקים גדולים יותר. לאחר הצנטריפוגה, הדגימה עברה סינון דרך מסנן Whatman של 0.22 מיקרון להסרת חלקיקים גדולים שנותרו, מה שיצר סופרנטנט שקוף המכיל נקודות C-dot פלואורסצנטיות בתמיסת אתנול.

הכנת נקודות C בתמיסה מימית התבצעה באותו תהליך כמו בתמיסת האתנול. עם זאת, התפוקה של אבקת הגלנגל המומסת בתמיסה מימית הייתה נמוכה יותר מזו שהתקבלה בתמיסת אתנול. תחת תאורה עם מנורת UV של 365 ננומטר, נקודות C שהוכנו הן באתנול והן בתמיסות מימיות הראו פלואורסצנציה כחולה. התכונות האופטיות והפיזיקוכימיות של נקודות ה-C שהוכנו, כולל ספיגה (Abs), פוטולומינצנציה (PL), ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום בטרנספורם פורייה (FTIR), דיפרקציית קרני רנטגן (XRD), מורפולוגיה, התפלגות גודל ופוטנציאל זטה, אופיינו לאחר מכן. לבסוף, נקודות ה-C שהוכנו הוערכו ליישום שלהן כחיישנים לזיהוי יוני מתכת וכמקורות תזונה לקידום צמיחת צמחי הבוטנים.

2. סינתזה של נקודות C מגלנגל עם יוני מתכת

נחקרה האינטראקציה בין נקודות C ליוני ברזל (Fe^3⁺). באופן ספציפי, 1 מ"ל של פיזור C-dot באתנול התערבב עם 3 מ"ל אתנול ו-0.75 מ"ל של תמיסת פוספאט (PBS, 1 M, pH 7.0), ואחר כך נוספה 100 מיקרוליטר תמיסת Fe^3⁺ בריכוזים משתנים (0–10 מיקרומון). ספקטרום פוטולומינסצנציה (PL) נרשמו באמצעות אורך גל עירור של 350 ננומטר. ספקטרום האינפרא-אדום של טרנספורם פורייה (FTIR) נמדדו גם הם להערכת אינטראקציות פוטנציאליות בין נקודות C ליוני Fe^3⁺ . כל הניסויים נערכו בטמפרטורת החדר.

אותו הליך ניסויי יושם לחקר אינטראקציות בין נקודות C ליוני מתכת אחרים, כולל מגנזיום (Mg^2⁺), אבץ (אבץ^2⁺) ונחושת (Cu^2⁺).

3. השימוש בנקודות C-dot המיוצרות לצמיחת צמח הבוטנים

אדמה שחורה (4 ק"ג) וקליפות אורז (1 ק"ג) עורבבו והונחו במיכלי פוליבאג. קיבולת האחסון של תערובת הקרקע נמדדה כדי לקבוע את נפח המים שהיא יכולה לספוג. זרעי בוטנים נרכשו בשוק מקומי בקופאנג, מזרח נוסה טנגרה, אינדונזיה; הזן לא צויין כי הספק לא סיפק סימון. לזרעים הייתה שכבת זרעים חום-אדמדם עד לבנה-שמנת, באורך 6–7 מ"מ וברוחב 4–5 מ"מ. הנביטה הוערכה על נייר סינון לח בצלחות פטרי בטמפרטורה של 25–28 מעלות צלזיוס במשך 5–7 ימים, כאשר הנביטה הוגדרה כהופעת רדיקל ≥2 מ"מ, מה שהניב קצב נביטה של 99%. הזרעים הושרתו במים במשך 12 שעות ואז נשתלו בעומק של 3 ס"מ בכל שקית פולי. כל שקית פוליפולי קיבלה 1200 מ"ל מים ביום. נקודות C-dot הוטלו מדי שבוע בנפחים שנעו בין 1 ל-10 מ"ל במשך חודשיים. כל כרך טיפול כלל שני שכפולים. בסך הכול נעשה שימוש ב-30 שקיות פוליאבר: 10 ללא נקודות C (בקרה) ו-20 עם נקודות C. זרעים לא מטופלים וזרעים שטופלו בנקודות C גודלו בתנאים סביבתיים טבעיים זהים בחממה. פרמטרים סביבתיים, כולל טמפרטורה (25-30^מעלותצלזיוס), לחות יחסית, עוצמת אור ואור, נבדקו ונשלטו באופן טבעי לאורך כל הניסוי כדי להבטיח עקביות ושחזוריות.

גובה הצמח נמדד מדי שבוע, בעוד שתכולת הביומסה והכלורופיל נמדדו לאחר חודשיים. הנתונים נותחו באמצעות ניתוח שונות (ANOVA) ב-p < 0.05, וההפרדה הממוצעת בוצעה באמצעות מבחן הטווח המרובה של דאנקן (DMRT) באותה רמת מובהקות.

תוצאות

הכנה ומאפיינים כלליים של נקודות C מגלנגל

איור 1 ממחיש סכימה של הכנת ננו-נקודות פחמן פלואורסצנטיות מאוד (C-dots) מגלנגל באתנול ותמיסות מימיות ויישומן כחיישנים ומקורות תזונה לצמיחת צמחי הבוטנים. נקודות ה-C הוכנו מגלנגל באמצעות שיטת פחמן. גלנגל עבר פחמומניות בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לקבלת דגימה כהה, מה שמעיד על היווצרות מקור פחמן ליצירת נקודות C

דיון

המחקר הנוכחי מדגים את ההצלחה בייצור ננו-נקודות פחמן פלואורסצנטיות (C-dots) מגלנגל באמצעות שיטת פחמניות פשוטה. נקודות ה-C שהוכנו הציגו תכונות אופטיות, מבניות וביולוגיות רצויות, שתמכו ביישום דו-תפקודי שלהן כחיישנים ליוני Fe³⁺ ו-Mg²⁺ וכמקורות תזונה לצמיחת צמחי הבוטנים. הצמיחה הצמחית המוגברת שנצפתה בצמחי בוטנים שטופלו בנקודות C תומכת בהשערה המוצעת כי נקודות C משפרות את צמיחת צמחי הבוטנים.

המורפולוגיה הכדורית והקוטר הננומטרי של נקודות ה-C המוכ...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
Aquadest	Water One	A-1708-5LT	Solvent for preparation of aqueous C-dot dispersions
Black soil and rice husk	Local product from Kupang City, East Nusa Tenggara Province, Indonesia	N/A	Planting medium for peanut cultivation
Centrifuge	LC-04S	N/A	Used to separate C-dots from carbon residues
Copper chloride dihydrate	Emsure	CAS No. 10125-13-0	Metal ion source for PL quenching experiments
Dynamic light scattering instrument	BeNano 180 Zeta Pro	N/A	Used for zeta potential measurements of C-dots
Ethanol absolute for analysis	Emsure	CAS No. 64-17-5	Solvent for C-dot dispersion and synthesis
Ferric chloride dihydrate	Emsure	CAS No. 10025-77-1	Fe3+ ion source for sensing experiments
FT/IR-4200 Fourier-transform infrared spectrophotometer	JASCO	FT/IR-4200	Used to measure FTIR spectra of C-dots
Galangal (Alpinia galanga)	Local product from East Nusa Tenggara Province, Indonesia	N/A	Carbon precursor for preparation of fluorescent C-dots
Magnesium chloride hexahydrate	Emsure	CAS No. 7791-18-6	Mg2+ ion source for sensing experiments
Phosphate-buffered saline (PBS)	Buana Laboratories	N/A	Buffer solution used to maintain pH
Polybag	Local product from Kupang City, East Nusa Tenggara Province, Indonesia	N/A	Container used for peanut cultivation
Spectrofluorometer	SHIMADZU	RF-6000	Used to measure photoluminescence spectra of C-dots
Transmission electron microscope (TEM)	JEOL	JEM-2100Plus	Used to investigate morphology and particle size of C-dots
Ultrasonic cleaner	Jewelry Cleaner	N/A	Used for homogenization and dispersion of C-dots
UV lamp (365 nm)	Sofim	N/A	Used for fluorescence visualization of C-dots
UV spectrophotometer	JASCO	UV-570	Used to measure absorption spectra of C-dots
X-ray diffractometer (XRD)	Bruker AXS	N/A	Used to measure XRD patterns of C-dots
Zinc chloride	Emsure	CAS No. 7646-85-7	Zn2+ ion source for PL quenching experiments