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Articolo di ricerca
I nanodoti fluorescenti bifunzionali (C-dots) derivati dal galanga sono dimostrati come sensori per il rilevamento degli ioni metallici e come fonte di nutrienti per la crescita delle piante di arachidi. Questi risultati ne evidenziano il potenziale come sensori selettivi per Fe3⁺ e Mg2⁺ e come integratori nutrizionali per favorire la crescita delle arachidi.
Questo studio dimostra la bifunzionalità dei nanodoti fluorescenti al carbonio (C-dots) derivati dal galanga sia come sensori per gli ioni metallici sia come fonte di nutrienti per la crescita delle arachidi. I C-dot sono stati fabbricati tramite un metodo di carbonizzazione a 200 °C per 30 minuti e hanno mostrato fluorescenza blu in etanolo e soluzioni acquose. La caratterizzazione tramite assorbimento, fotoluminescenza (PL), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e diffrazione a raggi X (XRD) ha confermato il successo della formazione. I C-dot hanno mostrato picchi di assorbimento a 275 nm (etanolo) e 270 nm (acquoso), con un diametro medio di 5,74 nm e una deviazione standard di 1,11 nm. L'intensità della PL è stata significativamente spenta all'interazione con gli ioni Fe3⁺ e Mg2⁺ , permettendo la loro rilevazione con limiti di rilevamento rispettivamente di 2,98 μM e 3,3 μM. L'applicazione dei C-dots ha favorito la crescita delle arachidi, come dimostrato dall'aumento del contenuto di clorofilla e della biomassa rispetto alle piante non trattate. Questi risultati indicano che i C-dot derivati dal galanga funzionano come fonti efficaci di nutrienti per la crescita vegetativa. Nel complesso, questo approccio offre una strategia economica e rispettosa dell'ambiente per lo sviluppo di C-dot bifunzionali per il rilevamento degli ioni metallici e applicazioni agricole.
L'acqua è una risorsa essenziale per tutti gli organismi viventi, compresi gli esseri umani, poiché contiene minerali essenziali necessari per mantenere i processi metabolici. La concentrazione di ioni metallici come ferrico (Fe3⁺), magnesio (Mg2⁺), zinco (Zn2⁺), rame (Cu2⁺) e mercurio (Hg2⁺) nell'acqua deve essere regolata con attenzione per garantire l'idoneità al consumo. Le deviazioni dalle concentrazioni ottimali, siano esse carenti o eccessive, sono note per causare varie malattie nell'uomo e contribuire all'inquinamentoambientale 1,2,3. Oltre all'acqua, le piante rappresentano una fonte primaria di cibo per gli organismi viventi, in particolare per esseri umani e animali, supportando i processi metabolici essenziali. Una coltura agricola importante è la pianta di arachidi (Arachis hypogaea L.), una specie leguminosa originaria del Sud America, tra cui Brasile, Bolivia, Paraguay e nord Argentina, ora coltivata in tutto il mondo, compresa l'Indonesia. Negli ultimi mille anni, i semi di arachidi, ricchi di proteine, sono diventati essenziali per la produzione alimentare e rimangono una merce agricola fondamentale. Tuttavia, l'aumento della produzione di arachidi rimane difficile a causa di fattori ambientali come siccità prolungata, degrado del suolo, infestazioni di parassiti e malattie, tra cui macchie fogliari e ruggine, oltre a una limitata implementazionetecnologica 4,5.
Per affrontare le doppie sfide del monitoraggio delle concentrazioni di ioni metallici nell'acqua e della crescita della pianta di arachidi, i nanodoti di carbonio (C-dots) rappresentano una soluzione promettente. Questi materiali possono funzionare come sensori per rilevare concentrazioni tracce di ioni metallici e come agenti per favorire la crescita delle piante. I punti C fluorescenti, una classe di nanomateriali a base di carbonio, sono stati ampiamente applicati nella bioimaging6, rilevando 2,7, somministrando farmaci8 e come fonti di nutrienti per la crescita delle piante 9,10. Le loro proprietà fisicochimiche, tra cui alta fotostabilità, forte fluorescenza, eccellente biocompatibilità, dimensioni su scala nanometrica, resistenza allo sbiancamento fotosbiancante e bassa tossicità, li rendono altamente adatti per applicazionibiologiche 11,12. Inoltre, i C-dot mostrano un'elevata solubilità in acqua, biodegradabilità, abbondante disponibilità di precursori e basso costodi produzione 9,11, migliorando ulteriormente la loro applicabilità nel rilevamento e nell'agricoltura.
L'uso dei C-dots derivati da materiale organico e dei relativi rifiuti è stato ampiamente studiato come sensori per la rilevazione degli ioni metallici e come fonte di nutrienti per aumentare la produzione agricola. Questo crescente interesse è dovuto principalmente alle loro eccellenti proprietà fisicochimiche, come l'elevata fotostabilità, la forte fluorescenza, l'eccellente biocompatibilità, la dimensione su scala nanometrica, la resistenza allo sbiancamento fotosbiancante e la bassa tossicità, che collettivamente le rendono altamente adatte a varie applicazionibiologiche 11,12. Inoltre, i C-dot hanno alta solubilità in acqua, eccellente biodegradabilità, abbondante disponibilità di precursori e bassi costidi produzione 9,11. La combinazione sinergica di bassa tossicità, biocompatibilità, forte PL e alta fotostabilità rende i C-dots altamente promettenti come eccellente sonda fluorescente per l'imaging cellularemulticolore 11 e come fonte di nutrienti per favorire la crescita delle piante, contribuendo così all'aumento della produttività agricola.
Numerosi studi hanno esplorato l'uso dei C-dot derivati da materiali organici e rifiuti come sensori per il rilevamento degli ioni metallici e come fonti di nutrienti per migliorare la produttività agricola. I C-dot preparati da p-fenilenamina utilizzando un metodo idrotermale sono stati applicati con successo per la rilevazione di Fe3⁺ con un limite di rilevamento (LOD) di 0,85μM 13. Analogamente, i C-dot fabbricati con amido nero 10B sono stati utilizzati per rilevare ioni Fe3⁺ nell'acqua del lago, raggiungendo un LOD di 1,84 μM14. I C-dot derivati dalla buccia del frutto del drago sono stati inoltre segnalati per la rilevazione di Zn2⁺ con un LOD di 3,2μM 7. In applicazioni agricole, i C-dot sintetizzati da glucosio e urea hanno aumentato la resa di riso del 14,8%. Sono stati inoltre segnalati incrementi della crescita di Ipomoea aquatica utilizzando C-dots derivati dalla buccia del frutto del drago e una crescita migliorata della lattuga romana coltivata idroponicamente tramiteC-dots 10˒15. Uno studio precedente ha riportato la fabbricazione di C-dot a partire da galanga utilizzando un metodo a microonde e ha indagato le loro proprietà ottiche in funzione del tempo dielaborazione 16; tuttavia, la loro applicazione come sensori e fonti di nutrienti non fu esplorata.
In questo studio, i C-dot sono stati fabbricati a partire da galanga (Alpinia officinarum) utilizzando un metododi carbonizzazione 7,12. Sono state analizzate le proprietà ottiche e fisicochimiche dei C-dot preparati, inclusi la fotostabilità e il potenziale zeta, insieme alle loro applicazioni come sensori per il rilevamento degli ioni metallici e come fonti di nutrienti per valutare la crescita vegetativa nelle arachidi. Il galangal è una pianta perenne ampiamente coltivata in Asia, in particolare in Indonesia e Thailandia. È noto per le sue applicazioni negli alimenti e nella medicina grazie alle sue proprietà carminative, gastriche, antispasmodiche eantimicrobiche 16. L'analisi fitochimica indica che il galanga contiene terpeni e composti fenolici ricchi di carbonio, azoto e ossigeno, rendendolo un precursore adatto per la sintesi C-dot16,17. Pertanto, il galanga rappresenta una fonte di carbonio abbondante, economica e rinnovabile. Gli obiettivi di questo studio sono analizzare le proprietà ottiche e fisicochimiche dei C-dot derivati dal galanga e valutarne l'applicabilità come sensori per il rilevamento degli ioni metallici e come fonti di nutrienti per migliorare la crescita delle piante di arachidi. Questi materiali mostrano una doppia funzionalità, una proprietà nota come punti C fluorescenti bifunzionali. L'ipotesi testabile è che le piante di arachidi trattate con C-dots presentino una crescita migliore rispetto alle piante non trattate.
La carbonizzazione del galanga a 200 °C per 30 minuti ha prodotto punti C fluorescenti che si sono facilmente dispersi in etanolo e soluzioni acquose, ed hanno emisso fluorescenza blu sotto illuminazione UV a 365 nm. La caratterizzazione tramite assorbimento (Abs), fotoluminescenza (PL), spettroscopia a trasformata di Fourier nell'infrarosso (FTIR), microscopia elettronica a trasmissione (TEM), scattering dinamico della luce (DLS) e diffrazione a raggi X (XRD) ha confermato una sintesi riuscita e proprietà ottiche e strutturali favorevoli. L'intensità PL è diminuita con l'aumento delle concentrazioni di ioni Fe3⁺ e Mg2⁺, dimostrando sensibilità e selettività, con valori LOD rispettivamente di 2,98 μM e 3,3 μM. Inoltre, l'applicazione di C-dots derivati dal galanga ha significativamente aumentato la crescita vegetativa delle piante di arachidi, come indicato dall'aumento del contenuto di clorofilla e della biomassa rispetto ai controlli non trattati.
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Questo studio non ha coinvolto partecipanti umani né soggetti animali. Tutti gli esperimenti sulle piante sono stati condotti in conformità con le linee guida istituzionali e nazionali applicabili per la ricerca e la biosicurezza delle piante. Le sostanze chimiche e le attrezzature sono elencate nella Tabella dei Materiali.
1. Fabbricazione di C-dot da Galangal
La fabbricazione dei nanodoti di carbonio (C-dots) a partire da galanga è stata eseguita con un metododi carbonizzazione 7,18 con modifiche minori. La polvere di galangal (20 g) è stata carbonizzata a 200 °C per 30 minuti per produrre un campione scuro. Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, il campione veniva frantumato per ottenere una polvere fine. Una porzione della polvere di galanga scura (0,5 g) fu aggiunta a 5 mL di etanolo e la miscela fu sonicata per 1 ora per ottenere una soluzione scura omogenea. Successivamente sono stati aggiunti 9 mL di etanolo e la miscela è stata centrifugata a 805 × g per 30 minuti a temperatura ambiente per rimuovere particelle più grandi. Dopo la centrifugazione, il campione è stato filtrato attraverso un filtro Whatman da 0,22 μm per rimuovere le particelle residue di grandi dimensioni, ottenendo un sovrantantante trasparente contenente punti C fluorescenti in soluzione etanolica.
La preparazione dei C-dot in soluzione acquosa ha seguito la stessa procedura della soluzione etanolica. Tuttavia, la resa della polvere di galanga disciolta in soluzione acquosa era inferiore a quella ottenuta in soluzione etanolica. Sotto illuminazione con una lampada UV da 365 nm, i punti C preparati sia in etanolo che in soluzioni acquose mostravano fluorescenza blu. Le proprietà ottiche e fisicochimiche dei punti C preparati, inclusi assorbimento (Abs), fotoluminescenza (PL), spettroscopia a trasformata di Fourier nell'infrarosso (FTIR), diffrazione dei raggi X (XRD), morfologia, distribuzione delle dimensioni e potenziale zeta, furono successivamente caratterizzate. Infine, i C-dot preparati sono stati valutati per la loro applicabilità come sensori per il rilevamento degli ioni metallici e come fonti di nutrienti per favorire la crescita delle piante di arachidi.
2. Sintesi di punti C da galanga con ioni metallici
È stata studiata l'interazione dei C-dot con ioni ferrici (Fe3⁺). In particolare, 1 mL di dispersione C-dot nell'etanolo è stato miscelato con 3 mL di etanolo e 0,75 mL di soluzione salina tamponata con fosfato (PBS, 1 M, pH 7,0), seguiti dall'aggiunta di 100 μL di soluzione di Fe3⁺ a concentrazioni variabili (0–10 μM). Gli spettri di fotoluminescenza (PL) sono stati registrati utilizzando una lunghezza d'onda di eccitazione di 350 nm. Sono stati inoltre misurati spettri infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR) per valutare potenziali interazioni tra i C-dot e gli ioniFe 3⁺ . Tutti gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente.
La stessa procedura sperimentale è stata applicata per indagare le interazioni tra C-dot e altri ioni metallici, inclusi magnesio (Mg2⁺), zinco (Zn2⁺) e rame (Cu2⁺).
3. L'uso dei C-dot così come prodotti per la crescita della pianta di arachidi
Terra nera (4 kg) e bucce di riso (1 kg) venivano mescolate e messe in contenitori in sacchi di plastica. La capacità di trattenere l'acqua della miscela di terreno veniva misurata per determinare il volume d'acqua che poteva assorbire. I semi di arachidi sono stati ottenuti da un mercato locale a Kupang, Nusa Tenggara Est, Indonesia; La cultivar non è stata specificata perché il fornitore non ha fornito l'etichettatura. I semi avevano un rivestimento rosso-marrone a bianco sporco, misurando 6–7 mm di lunghezza e 4–5 mm di larghezza. La germinazione è stata valutata su carta filtrante umida in piastre di Petri a 25–28 °C per 5–7 giorni, con la germinazione definita come emergenza radicile ≥2 mm, ottenendo un tasso di germinazione del 99%. I semi sono stati immersi in acqua per 12 ore e poi piantati a una profondità di 3 cm in ciascuna borsa di polietilene. Ogni sacco di polietileno riceveva 1200 mL d'acqua al giorno. I C-dot venivano applicati settimanalmente in volumi che variavano da 1 a 10 mL per due mesi. Ogni volume di trattamento includeva due repliche. Furono utilizzati in totale 30 sacchetti di plastica: 10 senza C-dots (controllo) e 20 con C-dots. I semi non trattati e i semi trattati con C-dots sono stati coltivati in condizioni ambientali naturali identiche in una serra. I parametri ambientali, tra cui temperatura (25-30°C), umidità relativa, intensità luminosa e fotoperiodo, sono stati monitorati e controllati naturalmente durante l'esperimento per garantire coerenza e riproducibilità.
L'altezza delle piante veniva misurata settimanalmente, mentre il contenuto di biomassa e clorofilla veniva misurato dopo due mesi. I dati sono stati analizzati utilizzando l'analisi della varianza (ANOVA) a p < 0,05, e la separazione media è stata eseguita utilizzando il test a raggio multiplo di Duncan (DMRT) allo stesso livello di significatività.
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Preparazione e caratteristiche generali dei C-dot da Galangal
La Figura 1 illustra uno schema della preparazione di nanodoti al carbonio altamente fluorescenti (C-dots) provenienti da galanga in etanolo e soluzioni acquose e la loro applicazione come sensori e fonti di nutrienti per la crescita delle piante di arachidi. I C-dot sono stati preparati dal galanga utilizzando un metodo di carbonizzazi...
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Il presente studio dimostra la riuscita fabbricazione di nanodoti fluorescenti al carbonio (C-dots) dal galangal utilizzando un semplice metodo di carbonizzazione. I C-dot preparati mostravano proprietà ottiche, strutturali e biologiche desiderabili, a supporto della loro applicazione bifunzionale come sensori per ioni Fe3+ e Mg2+ e come fonti di nutrienti per la crescita delle piante di arachidi. La crescita vegetativa aumentata osservata nelle piante di arachidi t...
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Gli autori dichiarano di non esserci conflitti di interesse.
Gli autori ringraziano con gratitudine il sostegno finanziario fornito dall'Università Nusa Cendana, in particolare dal Dipartimento di Fisica, Facoltà di Scienze e Ingegneria, per questa ricerca nell'ambito della Borsa di Studio n. 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Aquadest | Water One | A-1708-5LT | Solvente per preparazione di dispersioni acquose di C-dot |
| Black soil and rice husk | Prodotto locale da Kupang City, East Nusa Tenggara Province, Indonesia | N/A | Mezzo di impianto per la coltivazione di arachidi |
| Centrifuge | LC-04S | N/A | Usato per separare C-dots dai residui di carbonio |
| Copper chloride dihydrate | Emsure | CAS No. 10125-13-0 | Fonte di ioni metallici per esperimenti di quenching PL |
| Dynamic light scattering instrument | BeNano 180 Zeta Pro | N/A | Usato per misurazioni del potenziale zeta dei C-dots |
| Ethanol absolute for analysis | Emsure | CAS No. 64-17-5 | Solvente per la dispersione e la sintesi di C-dot |
| Ferric chloride dihydrate | Emsure | CAS No. 10025-77-1 | Fonte di ioni Fe3+ per esperimenti di sensing |
| FT/IR-4200 Fourier-transform infrared spectrophotometer | JASCO | FT/IR-4200 | Usato per misurare gli spettri FTIR dei C-dots |
| Galangal (Alpinia galanga) | Prodotto locale da East Nusa Tenggara Province, Indonesia | N/A | Precursore di carbonio per la preparazione di C-dots fluorescenti |
| Magnesium chloride hexahydrate | Emsure | CAS No. 7791-18-6 | Fonte di ioni Mg2+ per esperimenti di sensing |
| Phosphate-buffered saline (PBS) | Buana Laboratories | N/A | Soluzione buffer usata per mantenere il pH |
| Polybag | Prodotto locale da Kupang City, East Nusa Tenggara Province, Indonesia | N/A | Contenitore usato per la coltivazione di arachidi |
| Spectrofluorometer | SHIMADZU | RF-6000 | Usato per misurare gli spettri di fotoluminescenza dei C-dots |
| Transmission electron microscope (TEM) | JEOL | JEM-2100Plus | Usato per investigare la morfologia e la dimensione delle particelle dei C-dots |
| Ultrasonic cleaner | Jewelry Cleaner | N/A | Usato per l'omogeneizzazione e la dispersione dei C-dots |
| UV lamp (365 nm) | Sofim | N/A | Usato per la visualizzazione della fluorescenza dei C-dots |
| UV spectrophotometer | JASCO | UV-570 | Usato per misurare gli spettri di assorbimento dei C-dots |
| X-ray diffractometer (XRD) | Bruker AXS | N/A | Usato per misurare i pattern XRD dei C-dots |
| Zinc chloride | Emsure | CAS No. 7646-85-7 | Fonte di ioni Zn2+ per esperimenti di quenching PL |