Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Onderzoeksartikel
Bifunctionele fluorescerende koolstofnanodots (C-dots) afkomstig van galangal worden gedemonstreerd als sensoren voor metaaliondetectie en als voedingsbron voor de groei van pindaplanten. Deze bevindingen benadrukken hun potentieel als selectieve sensoren voor Fe3⁺ en Mg2⁺ en als voedingssupplementen om de groei van pinda's te bevorderen.
Deze studie toont de bifunctionaliteit aan van fluorescerende koolstofnanodots (C-dots) afkomstig van galangal, zowel als sensoren voor metaalionen als voedingsbron voor de groei van pinda's. De C-dots werden vervaardigd via een carbonisatiemethode bij 200 °C gedurende 30 minuten en vertoonden blauwe fluorescentie in ethanol en waterige oplossingen. Karakterisering met absorptie, fotoluminescentie (PL), Fouriertransformatie infrarood (FTIR) spectroscopie en röntgendiffractie (XRD) bevestigde succesvolle vorming. De C-dots vertoonden absorptiepieken bij 275 nm (ethanol) en 270 nm (waterig), met een gemiddelde diameter van 5,74 nm en een standaarddeviatie van 1,11 nm. De PL-intensiteit werd significant gedoofd bij interactie met Fe3⁺ - en Mg2⁺ -ionen, waardoor hun detectie mogelijk werd met detectielimieten van respectievelijk 2,98 μM en 3,3 μM. De toepassing van C-dots verbeterde de groei van pinda's, wat blijkt uit een hoger chlorofylgehalte en biomassa vergeleken met onbehandelde planten. Deze resultaten geven aan dat door galangale afgeleide C-dots functioneren als effectieve voedingsbronnen voor vegetatieve groei. Al met al biedt deze aanpak een economische en milieuvriendelijke strategie voor het ontwikkelen van bifunctionele C-dots voor metaalionendetectie en landbouwtoepassingen.
Water is een essentiële hulpbron voor alle levende organismen, inclusief mensen, omdat het essentiële mineralen bevat die nodig zijn voor het onderhouden van metabole processen. De concentratie van metaalionen zoals ferric (Fe3⁺), magnesium (Mg2⁺), zink (Zn2⁺), koper (Cu2⁺) en kwik (Hg2⁺) in water moet zorgvuldig worden gereguleerd om de geschiktheid voor consumptie te waarborgen. Afwijkingen van optimale concentraties, of ze nu tekort of te hoog zijn, zijn bekend om het veroorzaken van verschillende ziekten bij mensen en dragen bij aan milieuvervuiling 1,2,3. Naast water dienen planten als primaire voedselbron voor levende organismen, met name mensen en dieren, en ondersteunen essentiële metabole processen. Een belangrijk landbouwgewas is de pindaplant (Arachis hypogaea L.), een peulvruchtensoort die inheems is in Zuid-Amerika, waaronder Brazilië, Bolivia, Paraguay en Noord-Argentinië, en nu wereldwijd wordt geteeld, onder andere in Indonesië. In de afgelopen duizend jaar zijn pindazaden, rijk aan eiwitten, essentieel geworden voor de voedselproductie en blijven ze een cruciale landbouwgrondstof. Het verhogen van de pindaproductie blijft echter een uitdaging vanwege omgevingsfactoren zoals langdurige droogte, landdegradatie, plageplagen en ziekten, waaronder bladvlekken en roest, evenals beperkte technologische implementatie 4,5.
Om de dubbele uitdagingen van het monitoren van metaalionenconcentraties in water en het bevorderen van de groei van pindaplanten aan te pakken, vormen koolstofnanodots (C-dots) een veelbelovende oplossing. Deze materialen kunnen functioneren als sensoren voor het detecteren van sporenconcentraties van metaalionen en als agentia om de plantengroei te bevorderen. Fluorescerende C-dots, een klasse van koolstofgebaseerde nanomaterialen, zijn veel toegepast in bioimaging6, waarbij ze 2,7 detecteren, medicijnafgifte8 en als voedingsstoffen voor plantengroei 9,10. Hun fysisch-chemische eigenschappen, waaronder hoge fotostabiliteit, sterke fluorescentie, uitstekende biocompatibiliteit, nanoschaalgrootte, weerstand tegen fotobleaching en lage toxiciteit, maken ze zeer geschikt voor biologische toepassingen11,12. Daarnaast vertonen C-dots een hoge wateroplosbaarheid, biologische afbreekbaarheid, overvloedige beschikbaarheid van voorlopers en lage productiekosten(9,11), wat hun toepasbaarheid in detsatie en landbouw verder versterkt.
Het gebruik van C-dots afkomstig van organisch materiaal en het bijbehorende afval is uitgebreid onderzocht als sensoren voor de detectie van metaalionen en als voedingsbron om de landbouwproductie te verhogen. Deze toenemende interesse is voornamelijk te danken aan hun uitstekende fysisch-chemische eigenschappen, zoals hoge fotostabiliteit, sterke fluorescentie, uitstekende biocompatibiliteit, nanoschaalgrootte, weerstand tegen fotobleaching en lage toxiciteit, wat ze samen zeer geschikt maken voor diverse biologische toepassingen11,12. Daarnaast hebben C-dots een hoge wateroplosbaarheid, uitstekende biologische afbreekbaarheid, ruime beschikbaarheid van precursors en lage productiekosten 9,11. De synergetische combinatie van lage toxiciteit, biocompatibiliteit, sterke PL en hoge fotostabiliteit maakt C-dots zeer veelbelovend als uitstekende fluorescerende sonde voor cellulaire multi-color imaging11 en als voedingsbron om de plantengroei te bevorderen, wat bijdraagt aan de verhoogde landbouwproductiviteit.
Talrijke studies hebben het gebruik onderzocht van C-dots afkomstig van organisch materiaal en afval als sensoren voor metaaliondetectie en als voedingsstoffen voor het verbeteren van de landbouwproductiviteit. C-dots die zijn gemaakt van p-fenyleendiamine met een hydrothermale methode werden met succes toegepast voor Fe3⁺-detectie met een detectielimiet (LOD) van 0,85 μM13. Evenzo werden C-dots vervaardigd uit amido black 10B gebruikt om Fe3⁺-ionen in meerwater te detecteren, wat een LOD van 1,84 μM14 bereikte. C-dots afkomstig van drakenvruchtschil zijn ook gerapporteerd voor detectie van Zn2⁺ met een LOD van 3,2 μM7. In landbouwtoepassingen verhoogden C-dots gesynthetiseerd uit glucose en ureum de rijstopbrengst met 14,8%. Groeiverbetering van Ipomoea aquatica met C-dots afkomstig van drakenvruchtschil en verbeterde groei van hydroponisch gekweekte romaine sla met C-dots is ook gerapporteerdmet 10˒15. Een eerdere studie rapporteerde de fabricage van C-dots uit galangal met behulp van een microgolfmethode en onderzocht hun optische eigenschappen als functie van verwerkingstijd16; hun toepassing als sensoren en voedingsstoffen werd echter niet onderzocht.
In deze studie werden C-dots vervaardigd uit galangal (Alpinia officinarum) met behulp van een carbonisatiemethode 7,12. De optische en fysisch-chemische eigenschappen van de voorbereide C-dots, waaronder fotostabiliteit en zetapotentiaal, werden geanalyseerd, samen met hun toepassingen als sensoren voor metaaliondetectie en als voedingsstoffen voor het evalueren van vegetatieve groei in pindaplanten. Galangal is een vaste plant die veel wordt geteeld in Azië, met name in Indonesië en Thailand. Het staat bekend om zijn toepassingen in voedsel en geneeskunde vanwege zijn carminatieve, maagachtige, krampestillende en antimicrobiële eigenschappen16. Fytochemische analyse geeft aan dat galangaal terpenen en fenolverbindingen bevat die rijk zijn aan koolstof, stikstof en zuurstof, waardoor het een geschikte voorloper is voor C-dot synthese16,17. Galangal vertegenwoordigt dus een overvloedige, goedkope en hernieuwbare koolstofbron. De doelstellingen van deze studie zijn het analyseren van de optische en fysisch-chemische eigenschappen van galangal-afgeleide C-dots en het evalueren van hun toepasbaarheid als sensoren voor metaaliondetectie en als voedingsstoffen voor het bevorderen van de groei van pindaplanten. Deze materialen vertonen dubbele functionaliteit, een eigenschap die bifunctionele fluorescerende C-dots wordt genoemd. De testbare hypothese is dat pindaplanten die met C-dots zijn behandeld, een verbeterde groei vertonen in vergelijking met onbehandelde planten.
Carbonisatie van galangal bij 200 °C gedurende 30 minuten produceerde fluorescerende C-dots die gemakkelijk werden verspreid in ethanol en waterige oplossingen, en blauwe fluorescentie uitzonden onder UV-verlichting op 365 nm. Karakterisering met absorptie (Abs), fotoluminescentie (PL), Fouriertransformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), dynamische lichtverstrooiing (DLS) en röntgendiffractie (XRD) bevestigde succesvolle synthese en gunstige optische en structurele eigenschappen. De PL-intensiteit nam af met toenemende concentraties van Fe3⁺- en Mg2⁺-ionen, wat gevoeligheid en selectiviteit aantoont, met LOD-waarden van respectievelijk 2,98 μM en 3,3 μM. Bovendien verbeterde de toepassing van uit galangal afgeleide C-dots de vegetatieve groei van pindaplanten aanzienlijk, wat blijkt uit een verhoogd chlorofylgehalte en biomassa vergeleken met onbehandelde controles.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze studie betrof geen menselijke deelnemers of dierlijke proefpersonen. Alle plantenexperimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de toepasselijke institutionele en nationale richtlijnen voor plantenonderzoek en bioveiligheid. De chemicaliën en apparatuur staan vermeld in de Materiaaltabel.
1. Fabricage van C-dots uit Galangal
De fabricage van koolstofnanodots (C-dots) uit galangal werd uitgevoerd met een carbonisatiemethode 7,18 met kleine aanpassingen. Galangalpoeder (20 g) werd 30 minuten bij 200 °C verkoold om een donker monster te produceren. Na afkoeling tot kamertemperatuur werd het monster geplet om een fijn poeder te verkrijgen. Een deel van het donkere galangale poeder (0,5 g) werd toegevoegd aan 5 mL ethanol, en het mengsel werd 1 uur soniceerd om een homogene donkere oplossing te verkrijgen. Vervolgens werd 9 mL ethanol toegevoegd en werd het mengsel 30 minuten bij kamertemperatuur gecentrifugeerd op 805 × g om grotere deeltjes te verwijderen. Na centrifugatie werd het monster gefilterd door een 0,22 μm Whatman-filter om resterende grote deeltjes te verwijderen, wat resulteerde in een heldere supernatant met fluorescerende C-dots in ethanoloplossing.
De bereiding van C-dots in waterige oplossing volgde dezelfde procedure als voor de ethanoloplossing. De opbrengst van het opgeloste galangale poeder in waterige oplossing was echter lager dan die van ethanoloplossing. Bij verlichting met een 365 nm UV-lamp vertoonden de voorbereide C-dots in zowel ethanol als waterige oplossingen blauwe fluorescentie. De optische en fysisch-chemische eigenschappen van de voorbereide C-dots, waaronder absorptie (Abs), fotoluminescentie (PL), Fouriertransformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, röntgendiffractie (XRD), morfologie, grootteverdeling en zetapotentiaal, werden vervolgens gekarakteriseerd. Ten slotte werden de voorbereide C-dots geëvalueerd op hun toepasbaarheid als sensoren voor metaaliondetectie en als voedingsbronnen voor het bevorderen van de groei van pindaplanten.
2. Synthese van C-dots uit galangale met metaalionen
De interactie van C-dots met ferric (Fe3⁺) ionen werd onderzocht. Specifiek werd 1 mL C-dot dispersie in ethanol gemengd met 3 mL ethanol en 0,75 mL fosfaatgeboterde zoutoplossing (PBS, 1 M, pH 7,0), gevolgd door de toevoeging van 100 μL Fe3⁺ -oplossing bij variërende concentraties (0–10 μM). Fotoluminescentie (PL) spectra werden geregistreerd met een excitatiegolflengte van 350 nm. Fouriertransformatie infrarood (FTIR) spectra werden ook gemeten om potentiële interacties tussen C-dots en Fe3⁺ -ionen te evalueren. Alle experimenten werden uitgevoerd op kamertemperatuur.
Dezelfde experimentele procedure werd toegepast om interacties tussen C-dots en andere metaalionen te onderzoeken, waaronder magnesium (Mg2⁺), zink (Zn2⁺) en koper (Cu2⁺).
3. Het gebruik van de geproduceerde C-dots voor de groei van de pindaplant
Zwarte aarde (4 kg) en rijstschaven (1 kg) werden gemengd en in plastic zakken geplaatst. De waterhoudende capaciteit van het bodemmengsel werd gemeten om het volume water te bepalen dat het kon absorberen. Pindazaden werden verkregen op een lokale markt in Kupang, Oost-Nusa Tenggara, Indonesië; Het cultivar werd niet gespecificeerd omdat de leverancier geen etikettering had verstrekt. De zaden hadden een roodbruine tot gebroken witte zaadlaag, 6–7 mm lang en 4–5 mm breed. De kieming werd beoordeeld op vochtig filterpapier in petrischalen bij 25–28 °C gedurende 5–7 dagen, waarbij kieming werd gedefinieerd als radikeluitkomst ≥2 mm, wat een kiemingssnelheid van 99% opleverde. De zaden werden 12 uur in water geweekt en vervolgens op een diepte van 3 cm in elke polyzak geplant. Elke polybag kreeg dagelijks 1200 ml water. C-dots werden wekelijks aangebracht bij volumes variërend van 1 tot 10 mL gedurende twee maanden. Elk behandelvolume bevatte twee replicata. In totaal werden 30 polyzakken gebruikt: 10 zonder C-dots (besturing) en 20 met C-dots. Onbehandelde zaden en zaden behandeld met C-dots werden onder identieke natuurlijke omgevingsomstandigheden in een kas gekweekt. Omgevingsparameters, waaronder temperatuur (25-30°C), relatieve luchtvochtigheid, lichtintensiteit en fotoperiode, werden gedurende het experiment op natuurlijke wijze gemonitord en gecontroleerd om consistentie en reproduceerbaarheid te waarborgen.
De planthoogte werd wekelijks gemeten, terwijl het biomassa- en chlorofylgehalte na twee maanden werden gemeten. De gegevens werden geanalyseerd met behulp van variantieanalyse (ANOVA) op p < 0,05, en de gemiddelde scheiding werd uitgevoerd met behulp van Duncan's Multiple Range Test (DMRT) op hetzelfde significantieniveau.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Bereiding en algemene kenmerken van C-dots uit Galangal
Figuur 1 illustreert een schema van de bereiding van sterk fluorescerende koolstofnanodots (C-dots) uit galangal in ethanol en waterige oplossingen en hun toepassing als sensoren en voedingsbronnen voor de groei van pindaplanten. De C-dots werden uit galangaal bereid met behulp van een carbonisatiemethode. Galangal werd 30 minuten verkoold bi...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De huidige studie toont de succesvolle fabricage van fluorescerende koolstofnanodots (C-dots) uit galangaal aan met behulp van een eenvoudige carbonisatiemethode. De voorbereide C-dots vertoonden gewenste optische, structurele en biologische eigenschappen, wat hun bifunctionele toepassing ondersteunde als sensoren voor Fe3+- en Mg2+- ionen en als voedingsbronnen voor de groei van pindaplanten. De verbeterde vegetatieve groei die wordt waargenomen bij pindaplanten di...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs geven geen belangenconflicten aan.
De auteurs erkennen dankbaar de financiële steun die Nusa Cendana University heeft geboden, met name de afdeling Natuurkunde van de Faculteit Wetenschappen en Techniek, voor dit onderzoek onder Subsidie nr. 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Aquadest | Water One | A-1708-5LT | Solvent voor bereiding van waterige C-dot dispersies |
| Black soil and rice husk | Lokaal product uit Kupang City, East Nusa Tenggara Provincie, Indonesië | N/A | Plantmedium voor pindacultuur |
| Centrifuge | LC-04S | N/A | Gebaat om C-dots te scheiden van koolstofresten |
| Koperchloride dihydraat | Emsure | CAS Nr. 10125-13-0 | Metaalionbron voor PL-quenching experimenten |
| Dynamische lichtspreidingsinstrument | BeNano 180 Zeta Pro | N/A | Gebaat voor zeta potentiaalmetingen van C-dots |
| Absoluut ethanol voor analyse | Emsure | CAS Nr. 64-17-5 | Solvent voor C-dot dispersie en synthese |
| IJzerchloride dihydraat | Emsure | CAS Nr. 10025-77-1 | Fe3+ ionbron voor sensing experimenten |
| FT/IR-4200 Fourier-transform infrarood spectrofotometer | JASCO | FT/IR-4200 | Gebaat om FTIR spectra van C-dots te meten |
| Galangal (Alpinia galanga) | Lokaal product uit East Nusa Tenggara Provincie, Indonesië | N/A | Koolstofprecursor voor de bereiding van fluorescerende C-dots |
| Magnesiumchloride hexahydraat | Emsure | CAS Nr. 7791-18-6 | Mg2+ ionbron voor sensing experimenten |
| Fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS) | Buana Laboratories | N/A | Bufferoplossing gebruikt om de pH te handhaven |
| Polybag | Lokaal product uit Kupang City, East Nusa Tenggara Provincie, Indonesië | N/A | Container gebruikt voor pindacultuur |
| Spectrofluorometer | SHIMADZU | RF-6000 | Gebaat om fotoluminescentiespectra van C-dots te meten |
| Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) | JEOL | JEM-2100Plus | Gebaat om de morfologie en deeltjesgrootte van C-dots te onderzoeken |
| Ultrasoonreiniger | Juwelenreiniger | N/A | Gebaat voor homogenisatie en dispersie van C-dots |
| UV-lamp (365 nm) | Sofim | N/A | Gebaat voor fluorescentievisualisatie van C-dots |
| UV-spectrofotometer | JASCO | UV-570 | Gebaat om absorptiespectra van C-dots te meten |
| X-ray diffractometer (XRD) | Bruker AXS | N/A | Gebaat om XRD-patronen van C-dots te meten |
| Zinkchloride | Emsure | CAS Nr. 7646-85-7 | Zn2+ ionbron voor PL-quenching experimenten |