갈랑갈에서 유래한 이중 기능 형광 탄소 나노닷(C-dot)은 금속 이온 감지 센서와 땅콩 식물 성장의 영양분으로 입증되었습니다. 이 발견들은 Fe3⁺ 및 Mg2⁺ 의 선택적 센서이자 땅콩 성장을 촉진하는 영양 보충제로서의 잠재력을 강조합니다.
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갈랑갈에서 유래한 이중 기능 형광 탄소 나노닷(C-dot)은 금속 이온 감지 센서와 땅콩 식물 성장의 영양분으로 입증되었습니다. 이 발견들은 Fe3⁺ 및 Mg2⁺ 의 선택적 센서이자 땅콩 성장을 촉진하는 영양 보충제로서의 잠재력을 강조합니다.
이 연구는 갈랑갈에서 유래한 형광 탄소 나노닷(C-dot)이 금속 이온 센서이자 땅콩 성장에 영양분으로서 이중 기능을 한다는 것을 입증합니다. C-dot은 200°C에서 탄소화 방식으로 30분 간 제작되었으며 , 에탄올과 수용액에서 청색 형광을 보였습니다. 흡수, 광발광(PL), 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법, X선 회절(XRD)을 이용한 특성 분석으로 성공적인 형성이 확인되었습니다. C-dot은 275 nm(에탄올)와 270 nm(수용성)에서 흡수 피크를 보였으며, 평균 직경은 5.74 nm, 표준편차는 1.11 nm였습니다. Fe3⁺ 및 Mg2⁺ 이온과의 상호작용 시 PL 강도가 크게 소환되어, 각각 2.98 μM과 3.3 μM의 검출 한계를 가진 검출이 가능해졌습니다. C-dots 적용은 땅콩 성장을 촉진했으며, 처리되지 않은 식물에 비해 엽록소 함량과 바이오매스가 증가하는 것으로 입증되었습니다. 이 결과들은 갈랑갈 유래 C-dot이 영양 성장에 효과적인 영양원으로 기능함을 나타냅니다. 전반적으로 이 접근법은 금속 이온 감지 및 농업 응용 분야를 위한 이중기능 C-점 개발에 있어 경제적이고 친환경적인 전략을 제공합니다.
물은 대사 과정을 유지하는 데 필요한 필수 미네랄을 포함하고 있기 때문에 인간을 포함한 모든 생명체에게 필수적인 자원입니다. 철(Fe3⁺), 마그네슘(Mg2⁺), 아연(Zn2⁺), 구리(Cu2⁺), 수은(Hg2⁺) 등 금속 이온의 농도는 섭취 적합성을 보장하기 위해 신중하게 조절되어야 합니다. 최적 농도에서 벗어나는 편차는 결핍 또는 과도하게 발생하면 인간에게 다양한 질병을 유발하고 환경 오염에 기여하는 것으로 알려져 있습니다 1,2,3. 물 외에도 식물은 특히 인간과 동물 등 생명체의 주요 먹이원으로서 필수 대사 과정을 지원합니다. 중요한 농작물 중 하나는 땅콩 식물(Arachis hypogaea L.)으로, 남아메리카(브라질, 볼리비아, 파라과이, 북부 아르헨티나를 포함)가 원산지이며 현재는 인도네시아를 포함한 전 세계적으로 재배되고 있습니다. 지난 천 년 동안 단백질이 풍부한 땅콩 씨앗은 식량 생산에 필수적인 재료가 되었고, 여전히 중요한 농산물로 남아 있습니다. 그러나 장기간의 가뭄, 토지 황폐화, 해충 침해, 낙엽 반점병과 녹병 등 질병과 같은 환경적 요인과 제한된기술 도입 때문에 땅콩 생산 증대는 여전히 도전적입니다.
물 내 금속 이온 농도 모니터링과 땅콩 식물 성장 증진이라는 이중 과제를 해결하기 위해 탄소 나노닷(C-dot)은 유망한 해결책입니다. 이 물질들은 금속 이온의 미량 농도를 감지하는 센서 역할을 하거나 식물 성장을 촉진하는 제제로 기능할 수 있습니다. 형광 C-dot은 탄소 기반 나노재료의 한 종류로, 바이오이미징6,감지 2,7, 약물 전달8, 식물 성장을 위한 영양소 9,10에 널리 적용되었습니다. 높은 광안정성, 강한 형광, 우수한 생체 적합성, 나노스케일 크기, 광표백 저항성, 낮은 독성 등 물리화학적 특성 덕분에 생물학적 응용 분야에 매우 적합합니다11,12. 또한 C-dot은 높은 수용성, 생분해성, 풍부한 전구체 가용성, 낮은생산 비용을 보여 감지 및 농업 분야에서의 적용성을 더욱 높입니다.
유기물과 관련 폐기물에서 유래한 C-dot의 사용은 금속 이온 감지 센서 및 농업 생산량 증대를 위한 영양소로서도 광범위하게 연구되어 왔습니다. 이러한 관심이 높아지는 이유는 높은 광안정성, 강한 형광, 우수한 생체 적합성, 나노 크기, 광표백 저항성, 낮은 독성 등 우수한 물리화학적 특성 덕분이며, 이들이 다양한 생물학적 응용에 매우 적합하다는 점을 종합해11,12. 또한 C-dot은 높은 수용성, 우수한 생분해성, 풍부한 전구체 가용성, 낮은 생산 비용을 가지고 있습니다 9,11. 낮은 독성, 생체 적합성, 강한 PL, 높은 광안정성의 시너지 조합은 C-dot을 세포 다색 영상11의 우수한 형광 프로브이자 식물 성장을 촉진하는 영양소 공급원으로서 매우 유망하게 만듭니다.
유기물과 폐기물에서 유래한 C-dot을 금속 이온 감지 센서와 농업 생산성 향상을 위한 영양분으로서 활용하는 연구가 많았습니다. p-페닐렌디아민에서 수열법으로 제조한 C-dot가 Fe3⁺ 검출에 성공적으로 적용되었으며, 검출 한계(LOD)는 0.85 μM13이었습니다. 마찬가지로, 아미도 블랙 10B로 제작한 C-점이 호수 내 Fe3⁺ 이온을 검출하는 데 사용되어 1.84 μM14의 LOD를 달성했다. 드래곤프루트 껍질에서 추출한 C-dot도 3.2 μM7의 LOD로 Zn2⁺ 검출에 보고되었습니다. 농업 분야에서는 포도당과 요소에서 합성된 C-dot이 쌀 수확량을 14.8% 증가시켰습니다. 용과 껍질에서 추출한 C-dot을 이용한 Ipomoea aquatica의 성장 촉진과 C-dots를 이용한 수경재배 로메인 상추의 성장 개선도 보고되었습니다. 이전 연구에서는 마이크로파 방법을 이용해 갈랑갈에서 C-점을 제작했으며, 처리 시간에 따른 광학 특성을 조사했습니다16; 그러나 센서 및 영양원으로서의 활용은 탐구되지 않았습니다.
이 연구에서는 C-점이 갈랑갈(Alpinia officinarum)에서 탄화법 7,12를 사용해 제작되었습니다. 준비된 C-점의 광학적 및 물리화학적 특성, 특히 광안정성과 제타 전위가 분석되었으며, 금속 이온 감지 센서 및 땅콩 식물의 영양 성장 평가를 위한 영양원으로서의 응용도 함께 분석되었습니다. 갈랑갈은 아시아, 특히 인도네시아와 태국에서 널리 재배되는 다년생 식물입니다. 이 식물은 육성, 위장용, 항경련, 항균 특성 때문에 식품과 의학에 널리 활용되고 있습니다. 식물화학적 분석 결과, 갈랑갈은 탄소, 질소, 산소가 풍부한 테르펜과 페놀 화합물을 함유하고 있어 C-dot 합성의 적합한 전구체임을 보여줍니다16,17. 따라서 갈랑갈은 풍부하고 저렴하며 재생 가능한 탄소원을 대표합니다. 본 연구의 목적은 갈랑갈 유래 C-점의 광학 및 물리화학적 특성을 분석하고, 금속 이온 감지 센서 및 땅콩 식물 성장 촉진을 위한 영양소로서의 적용 가능성을 평가하는 것입니다. 이 재료들은 이중 기능을 보이며, 이를 이중기능 형광 C-점이라고 합니다. 검증 가능한 가설은 C-dot으로 처리한 땅콩 식물이 처리되지 않은 식물보다 성장 속도가 개선된다는 것입니다.
갈랑갈을 200°C에서 30분간 탄화하면 형광 C점이 생성되어 에탄올과 수용액에 쉽게 분산되었고, 365nm 거리의 자외선 조명 하에서 청색 형광을 방출했습니다. 흡수(Abs), 광발광(PL), 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법, 투과 전자현미경(TEM), 동적 광 산란(DLS), X선 회절(XRD)을 이용한 특성 분석은 성공적인 합성과 유리한 광학 및 구조적 특성을 확인했습니다. Fe3⁺ 및 Mg2⁺ 이온의 농도가 증가함에 따라 PL 강도가 감소하여 감도와 선택성이 향상되었고, 각각 LOD 값은 2.98 μM과 3.3 μM이었다. 더불어, 갈랑갈 유래 C-dot 적용은 땅콩 식물의 영양 성장을 현저히 증진시켰으며, 이는 처리되지 않은 대조군에 비해 엽록소 함량과 바이오매스 증가로 나타났습니다.
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이 연구는 인간 참가자나 동물 대상을 포함하지 않았습니다. 모든 식물 실험은 식물 연구 및 생물안전에 관한 관련 기관 및 국가 지침에 따라 수행되었습니다. 화학물질과 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 갈랑갈에서 C-점 제작
갈랑갈에서 탄소 나노닷(C-dots)을 제작하는 과정은 소폭 수정을 거쳐 탄소화 방법 7,18을 사용했습니다. 갈랑갈 분말(20g)은 200°C에서 30분간 탄화되어 어두운 샘플을 만들었습니다. 시료를 실온으로 냉각한 후 분쇄하여 미세한 분말을 얻었습니다. 다크 갈랑갈 가루 일부(0.5g)를 5mL의 에탄올에 첨가하고, 혼합물을 1시간 초음파 검사하여 균질한 어두운 용액을 얻었습니다. 이후 에탄올 9mL를 추가하고, 혼합물을 805 × g에서 실온에서 30분간 원심분리하여 더 큰 입자를 제거했습니다. 원심분리 후, 샘플은 0.22 μm 왓만 필터를 거쳐 잔류 큰 입자를 제거하였고, 에탄올 용액에 형광성 C-점이 포함된 투명한 상원액을 얻었습니다.
수액에서 C-점을 준비하는 과정은 에탄올 용액과 동일한 절차를 따랐습니다. 그러나 수용액에서 용해된 갈랑갈 가루의 수율은 에탄올 용액에서 얻어진 수율보다 낮았습니다. 365nm UV 램프로 조명하면, 에탄올과 수용 용액 모두에서 준비된 C-점들이 청색 형광을 보였습니다. 준비된 C-점의 광학 및 물리화학적 특성, 흡수(Abs), 광발광(PL), 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법, X선 회절(XRD), 형태, 크기 분포, 제타 전위가 모두 이후 특성화되었습니다. 마지막으로, 준비된 C-dot이 금속 이온 감지 센서 및 땅콩 식물 성장 촉진을 위한 영양원으로서의 적용 가능성을 평가했습니다.
2. 갈랑갈에서 금속 이온과 C-점의 합성
C-점과 철(Fe3⁺) 이온의 상호작용을 조사하였다. 구체적으로, 에탄올에 C-dot 분산액 1mL를 에탄올 3mL와 인산염 완충 생리식염수 0.75mL(PBS, 1 M, pH 7.0)와 혼합한 후, 다양한 농도(0–10 μM)의 Fe3⁺ 용액 100 μL를 첨가했습니다. 광발광(PL) 스펙트럼은 350 nm의 여기 파장을 사용하여 기록되었습니다. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼도 측정하여 C-점과 Fe3⁺ 이온 간의 잠재적 상호작용을 평가하였습니다. 모든 실험은 상온에서 수행되었다.
동일한 실험 절차가 C-점과 마그네슘(Mg2⁺), 아연(Zn2⁺), 구리(Cu2⁺) 등 다른 금속 이온 간의 상호작용을 조사하는 데에도 적용되었다.
3. 생산된 C-점을 땅콩 식물 성장에 활용하는 방법
검은 흙(4kg)과 쌀껍질(1kg)을 섞어 폴리백 용기에 넣었습니다. 토양 혼합물의 수분 보유 능력을 측정하여 흡수할 수 있는 물의 양을 결정했습니다. 땅콩 씨앗은 인도네시아 동누사 텡가라의 쿠팡 지역 시장에서 구입했으며; 공급업체가 라벨을 제공하지 않아 품종명이 명시되지 않았습니다. 씨앗은 길이 6–7mm, 너비 4–5mm의 적갈색에서 희백색 씨앗 코팅을 가지고 있었습니다. 발아는 페트리 접시 내 젖은 여과지에 25–28°C에서 5일간 평가되었으며, 발아는 근근 출현≥2mm)으로 정의되어 발아율은 99%였습니다. 씨앗은 물에 12시간 담갔다가 각 폴리백에 3cm 깊이에 심었습니다. 각 폴리백에는 하루에 1200mL의 물이 공급되었습니다. C-dot은 2개월 동안 1에서 10 mL 사이의 부피로 매주 적용되었습니다. 각 처리 볼륨에는 두 개의 복제본이 포함되었습니다. 총 30개의 폴리백이 사용되었는데, C-dot 없는 10개(대조군)와 C-dot이 있는 20개였습니다. 처리되지 않은 씨앗과 C-dot으로 처리한 씨앗은 온실에서 동일한 자연 환경 조건에서 재배되었습니다. 온도(25-30°C), 상대 습도, 빛 세기, 광주기 등 환경 매개변수는 실험 내내 자연스럽게 모니터링 및 조절되어 일관성과 재현성을 보장했습니다.
식물 높이는 매주 측정했으며, 바이오매스와 엽록소 함량은 2개월 후에 측정했습니다. 데이터는 분산분석(ANOVA)을 사용해 p< 0.05에서 분석되었고, 평균 분리는 동일한 유의수준에서 던컨 다중 범위 검정(DMRT)을 사용해 수행되었습니다.
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갈랑갈에서 추출한 C-점의 준비 및 일반적인 특성
그림 1은 갈랑갈에서 추출한 고형광 탄소 나노닷(C-dot)을 에탄올 및 수용액에서 제조하고 이들이 땅콩 식물 성장을 위한 센서 및 영양원으로서 어떻게 활용되는지 도식을 보여줍니다. C-점은 갈랑갈에서 탄소화 기법을 사용해 준비되었습니다. 갈랑갈은 200°C에서 30분간 탄화되어 어두운 샘플을 얻었으며, 이는 C-점 7,18,19를 생성하는 탄소원이 형성되었음을 나타냅니다. 이후 초음파 검사, 원심분리, 여과를 통해 그림 1에 나타난 대로...
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본 연구는 간단한 탄소화 방법을 이용해 갈랑갈에서 형광 탄소 나노닷(C-dot)을 성공적으로 제조한 것을 입증합니다. 준비된 C-dot은 광학 적, 구조적, 생물학적 특성을 모두 보여, Fe3+ 및 Mg2+ 이온 센서 및 땅콩 식물 성장의 영양원으로서의 이중 기능을 지원했습니다. C-dots로 처리한 땅콩 식물에서 관찰되는 영양 성장 증가는 C-dot이 땅콩 식물 성장을 개선한다는 가설을 뒷받침합니다.
준비된 C-dot의 구형 형태와 나노 직경은 갈랑갈에서 탄소 나노닷의 성공적인 합성을 확인했습니다. 이 연구에서 관찰된 구형 형태는 이전에 보고된 드래곤프루트껍질 7,10과 파파야 잎20에서 유래한 C-점과 일치합니다. 약 21.74°에...
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저자들은 이해 상충이 없음을 선언합니다.
저자들은 이 연구를 위해 Nusa Cendana 대학교, 특히 물리학과 과학공학부가 제공한 재정 지원에 감사드립니다. 이는 2024년 보조금 번호 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024에 따른 연구입니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Aquadest | Water One | A-1708-5LT | Solvent for preparation of aqueous C-dot dispersions |
| 검은 토양 및 쌀껍질 | 인도네시아 쿠팡 시 동누사 텡가라 주 지역 제품 | N/A | 땅콩 재배를 위한 재배 매체 |
| 원심분리기 | LC-04S | N/A | 탄소 잔류 물에서 C-dot 분리에 사용 |
| 구리 염화물 이수화물 | Emsure | CAS No. 10125-13-0 | PL 소실 실험을 위한 금속 이온 공급원 |
| 동적 광 산란 기기 | BeNano 180 Zeta Pro | N/A | C-dot의 제타 전위 측정에 사용 |
| 분석용 절대 에탄올 | Emsure | CAS No. 64-17-5 | C-dot 분산 및 합성용 용매 |
| 삼염화철 이수화물 | Emsure | CAS No. 10025-77-1 | 감지 실험을 위한 Fe3+ 이온 공급원 |
| FT/IR-4200 푸리에 변환 적외선 분광기 | JASCO | FT/IR-4200 | C-dot의 FTIR 스펙트럼 측정에 사용 |
| 갈랑갈(Alpinia galanga) | 인도네시아 동누사 텡가라 주 지역 제품 | N/A | 형광 C-dot 제조를 위한 탄소 전구체 |
| 육수화 염화 마그네슘 | Emsure | CAS No. 7791-18-6 | 감지 실험을 위한 Mg2+ 이온 공급원 |
| 인산염 완충 생리식염수(PBS) | Buana Laboratories | N/A | pH 유지에 사용되는 버퍼 용액 |
| 폴리백 | 인도네시아 쿠팡 시 동누사 텡가라 주 지역 제품 | N/A | 땅콩 재배를 위한 용기 |
| 형광 분광기 | SHIMADZU | RF-6000 | C-dot의 형광 스펙트럼 측정에 사용 |
| 투과 전자 현미경(TEM) | JEOL | JEM-2100Plus | C-dot의 형태 및 입자 크기 조사에 사용 |
| 초음파 세정기 | 보석 세정기 | N/A | C-dot의 균일화 및 분산에 사용 |
| 자외선 램프(365 nm) | Sofim | N/A | C-dot의 형광 시각화에 사용 |
| 자외선 분광기 | JASCO | UV-570 | C-dot의 흡수 스펙트럼 측정에 사용 |
| 엑스레이 회절계(XRD) | Bruker AXS | N/A | C-dot의 XRD 패턴 측정에 사용 |
| 염화 아연 | Emsure | CAS No. 7646-85-7 | PL 소실 실험을 위한 Zn2+ 이온 공급원 |