Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł badawczy
Bifunkcyjne fluorescencyjne nanokropki węglowe (C-dots) pochodzące z galangal są prezentowane jako czujniki do wykrywania jonów metali oraz jako źródło składników odżywczych dla wzrostu roślin arachisowych. Te odkrycia podkreślają ich potencjał jako selektywne czujniki Fe3⁺ i Mg2⁺ oraz jako suplementy odżywcze do poprawy wzrostu orzechów ziemnych.
To badanie wykazuje dwustronność fluorescencyjnych nanokropek węglowych (C-dots) pochodzących z galangal jako zarówno czujników jonów metali, jak i źródła składników odżywczych dla wzrostu orzeszków ziemnych. Nanokropki zostały wytworzone za pomocą metody karbonizacji w temperaturze 200 °C przez 30 minut i wykazywały niebieską fluorescencję w roztworach etanolu i wodnych. Charakteryzacja za pomocą absorpcji, fotoluminescencji (PL), spektroskopii Fourier transform infrared (FTIR) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) potwierdziła udane uformowanie. Nanokropki wykazywały szczyty absorpcji przy 275 nm (etanolu) i 270 nm (wodne), ze średnim średnicą 5,74 nm i odchyleniem standardowym 1,11 nm. Intensywność PL była znacząco stłumiona po interakcji z jonami Fe3⁺ i Mg2⁺, umożliwiając ich wykrycie z granicami wykrywalności 2,98 µM i 3,3 µM odpowiednio. Zastosowanie nanokropek zwiększyło wzrost orzeszków ziemnych, co potwierdzono poprzez wzrost zawartości chlorofilu i biomasy w porównaniu z roślinami nieleczonymi. Wyniki te wskazują, że nanokropki pochodzące z galangal pełnią rolę efektywnego źródła składników odżywczych dla wzrostu wegetatywnego. Ogólnie, to podejście zapewnia ekonomiczną i przyjazną dla środowiska strategię rozwoju dwustronnych nanokropek węglowych do wykrywania jonów metali i zastosowań rolniczych.
Woda jest zasobem niezbędnym dla wszystkich organizmów żywych, w tym dla ludzi, ponieważ zawiera niezbędne minerały wymagane do utrzymania procesów metabolicznych. Stężenie jonów metali takich jak żelazo (Fe3⁺), magnez (Mg2⁺), cynk (Zn2⁺), miedź (Cu2⁺) i rtęć (Hg2⁺) w wodzie musi być starannie regulowane, aby zapewnić nadające się do spożycia. Odchylenia od optymalnych stężeń, zarówno niedobór, jak i nadmiar, są znane z powodowania różnych chorób u ludzi i przyczyniania się do zanieczyszczenia środowiska1,2,3. Oprócz wody, rośliny służą jako podstawowe źródło pokarmu dla organizmów żywych, szczególnie dla ludzi i zwierząt, wspierając niezbędne procesy metaboliczne. Jedną z ważnych roślin uprawnych jest roślina orzeszków ziemnych (Arachis hypogaea L.), gatunku roślin strączkowych pochodzących z Ameryki Południowej, w tym z Brazylii, Boliwii, Paragwaju i północnej Argentyny, a obecnie uprawianych na całym świecie, w tym w Indonezji. Przez ostatnie tysiąc lat nasiona orzeszków ziemnych, bogate w białko, stały się istotne dla produkcji żywności i pozostają kluczowymi towarami rolnymi. Jednak zwiększanie produkcji orzeszków ziemnych nadal stanowi wyzwanie ze względu na czynniki środowiskowe, takie jak długotrwała susza, degradacja gruntów, zainfekowania szkodnikami i choroby, w tym plamistość liści i rdza, a także ograniczony wdrożenie technologii4,5.
Aby sprostać podwójnemu wyzwaniu monitorowania stężeń jonów metali w wodzie i poprawy wzrostu roślin orzeszków ziemnych, nanokropki węglowe (C-dots) stanowią obiecujące rozwiązanie. Materiały te mogą działać jako czujniki wykrywające śladowe stężenia jonów metali i jako środki poprawiające wzrost roślin. Fluorescencyjne C-dots, klasa nanomateriałów na bazie węgla, zostały szeroko zastosowane w bioobrazowaniu6, wykrywaniu2,7, dostarczaniu leków8 oraz jako źródło składników odżywczych dla wzrostu roślin9,10. Ich właściwości fizykochemiczne, w tym wysoka fotostabilność, silna fluorescencja, doskonała biokompatybilność, wielkość nanoskalowa, odporność na fotobielenie i niska toksyczność, sprawiają, że są bardzo przydatne w zastosowaniach biologicznych11,12. Ponadto C-dots wykazują wysoką rozpuszczalność w wodzie, biodegradowalność, obfitość dostępnych prekursorów i niski koszt produkcji9,11, co jeszcze bardziej zwiększa ich przydatność w wykrywaniu i rolnictwie.
Zastosowanie nanokropek węglowych pochodzących z materiałów organicznych i związanych z nimi odpadów zostało szeroko zbadane jako czujniki do wykrywania jonów metali i jako źródło składników odżywczych w celu zwiększenia produkcji rolnej. Rosnące zainteresowanie jest głównie związane z ich doskonałymi właściwościami fizykochemicznymi, takimi jak wysoka fotostabilność, silna fluorescencja, doskonała biokompatybilność, wielkość nanoskalowa, odporność na fotobielenie i niska toksyczność, które razem sprawiają, że są bardzo przydatne w różnych zastosowaniach biologicznych11,12. Dodatkowo, C-dots mają wysoką rozpuszczalność w wodzie, doskonałą biodegradowalność, obfitość dostępnych prekursorów i niski koszt produkcji9,11. Synergiczna kombinacja niskiej toksyczności, biokompatybilności, silnej PL i wysokiej fotostabilności sprawia, że C-dots są bardzo obiecujące jako doskonały fluorescencyjny probnik do wielokolorowego obrazu komórkowego11 i jako źródło składników odżywczych do poprawy wzrostu roślin, przyczyniając się tym samym do wzrostu produktywności rolnictwa.
Liczne badania eksplorowały zastosowanie nanokropek węglowych pochodzących z materiałów organicznych i odpadów jako czujników do wykrywania jonów metali i jako składników odżywczych do poprawy produktywności rolnictwa. C-dots przygotowane z p-fenylenodianiliny metodą hydrotermalną zostały z powodzeniem zastosowane do wykrywania Fe3⁺ z granicą wykrywalności (LOD) wynoszącą 0,85 µM13. Podobnie, C-dots wytworzone z amido black 10B zostały użyte do wykrywania jonów Fe3⁺ w wodzie jeziornej, osiągając LOD 1,84 µM14. C-dots pochodzące z skorupki owoców smuczyńca zostały również zgłoszone do wykrywania Zn2⁺ z LOD wynoszącą 3,2 µM7. W zastosowaniach rolniczych, C-dots syntetyzowane z glukozy i moczniku zwiększyły p
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
To badanie nie obejmowało uczestników ludzkich ani zwierząt laboratoryjnych. Wszystkie eksperymenty roślinne przeprowadzono zgodnie z obowiązującymi wytycznymi instytucjonalnymi i krajowymi dotyczącymi badań nad roślinami i bezpieczeństwa biologicznego. Substancje chemiczne i sprzęt są wymienione w Tabeli materiałów.
1. Wytwarzanie C-kropek z galangal
Wytwarzanie nanokropek węglowych (C-kropek) z galangal przeprowadzono metodą karbonizacji7,18 z niewielkimi modyfikacjami. Proszek galangal (20 g) został skarbowany w 200 °C przez 30 min, aby uzyskać ciemny próbek. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej próbka została zmiażdżona, aby uzyskać drobny proszek. Porcję ciemnego proszku galangal (0,5 g) dodano do 5 ml etanolu, a mieszaninę sonikowano przez 1 h, aby uzyskać jednorodny ciemny roztwór. Następnie dodano 9 ml etanolu, a mieszaninę wirowano w wirówce przy 805 × g przez 30 min w temperaturze pokojowej, aby usunąć większe cząstki. Po wirowaniu próbka została przefiltrowana przez filtr Whatman o przepływie 0,22 µm, aby usunąć pozostałe duże cząstki, co dało przezroczysty nadstan zawierający fluorescencyjne C-kropki w roztworze etanolu.
Przygotowanie C-kropek w roztworze wodnym przeprowadzono według tej samej procedury, co w przypadku roztworu etanolu. Jednak wydajność rozpuszczonego proszku galangal w roztworze wodnym była niższa niż uzyskano w roztworze etanolu. Pod oświetleniem lampą UV 365 nm, przygotowane C-kropki zarówno w etanolu, jak i w roztworach wodnych wykazywały niebieską fluorescencje. Optyczne i fizykochemiczne właściwości przygotowanych C-kropek, w tym absorpcja (Abs), fotoluminescencja (PL), spektroskopia Fourier transform infrared (FTIR), dyfrakcja promieni X (XRD), morfologię, rozkład wielkości i potencjał zeta, zostały następnie scharakteryzowane. Wreszcie, przygotowane C-kropki zostały oceniane pod kątem ich przydatności jako czujniki do wykrywania jonów metali i jako źródła składników odżywczych do promowania wzrostu roślin orzeszków ziemnych.
2. Synteza C-kropek z galangal z jonami metali
Zbadano interakcję C-kropek z jonami żelaza (Fe3⁺). Konkretnie, 1 ml dyspersji C-kropek w etanolu mieszano z 3 ml etanolu i 0,75 ml buforowanego fosforanowego roztworu soli (PBS, 1 M, pH 7,0), a następnie dodawano 100 µL roztworu Fe3⁺ w różnych stężeniach (0–10 µM). Spektra fotoluminescencji (PL) rejestrowano przy długości fali wzbudzającej 350 nm. Zmierano również spektra Fourier transform infrared (FTIR), aby ocenić potencjalne interakcje między C-kropkami a jonami Fe3⁺. Wszystkie eksperymenty przeprowadzono w temperaturze pokojowej.
Tę samą procedurę eksperymentalną zastosowano do zbadania interakcji między C-kropkami a innymi jonami metali, w tym magnezem (Mg2⁺), cynkiem (Zn2⁺) i miedzią (Cu2⁺).
3. Zastosowanie przygotowanych C-kropek do wzrostu orzeszków ziemnych
Czarna gleba (4 kg) i łuski ryżowe (1 kg) zostały wymieszane i umieszczone w plastikowych torebkach. Miarka pojemności wodnej mieszanki gleby została zmierena, aby określić objętość wody, którą mogłaby wchłonąć. Nasiona orzeszków ziemnych zostały uzyskane z lokalnego targu w Kupang, Wschodnia Nusa Tenggara, Indonezja; odmiana nie została określona, ponieważ dostawca nie dostarczył etykiety. Nasiona miały czerwono-brązową do kremowej powłokę nasienną, o długości 6–7 mm i szerokości 4–5 mm. Kiełkowanie oceniono na wilgotnym papierze filtrowym w naczyniach Petriego w temperaturze 25–28 °C przez 5–7 dni, przy czym kiełkowanie definiowano jako wyjście korzeni pierwotnych ≥2 mm, co dało wskaźnik kiełkowania na poziomie 99%. Nasiona zanurzono w wodzie przez 12 h, a następnie posadzono na głębokości 3 cm w każdej torebce. Każda torebka otrzymywała 1200 ml wody codziennie. C-kropki były stosowane co tydzień w objętościach od 1 do 10 ml przez dwa miesiące. Każda objętość traktowania obejmowała dwie repliki. Łącznie zastosowano 30 torebek: 10 bez C-kropek (kontrolka) i 20 z C-kropkami. Nieleczone nasiona i nasiona traktowane C-kropkami uprawiano w identycznych naturalnych warunkach środowiskowych w szklarni. Parametry środowiskowe, w tym temperatura (25-30oC), wilgotność względna, natężenie światła i fotoperiod, były monitorowane i kontrolowane naturalnie przez cały eksperyment, aby zapewnić spójność i powtarzalność.
Wysokość roślin mierzono co tydzień, podczas gdy biomasę i zawartość chloro
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przygotowanie i ogólna charakterystyka kropek węglowych (C-dots) z galangalu
Rycina 1 przedstawia schemat przygotowania wysoko fluorescencyjnych węglowych nanokropek (C-dots) z galangalu w roztworach etanolowych i wodnych oraz ich zastosowanie jako czujników i źródeł składników odżywczych dla wzrostu rośliny arakidyzowej. C-dots przygotowano z galangalu metodą karbonizacji. Galangal poddano karbonizacji w temperaturze 200 °C przez...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejsze badanie wykazuje pomyślne wytworzenie fluorescencyjnych nanokropek węglowych (C-dots) z galangalu za pomocą prostego procesu spalania. Przygotowane C-dots wykazywały pożądane właściwości optyczne, strukturalne i biologiczne, co wspiera ich dwustronne zastosowanie jako czujników jonów Fe3+ i Mg2+ oraz jako źródło składników odżywczych dla rosnących roślin orzeszników. Zwiększony wzrost wegetatywny obserwowany u roślin orzeszników potraktowanych C-dots wspiera zaproponowaną hipotezę, że C-do...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktów interesów.
Autorzy z dużym uznaniem wyrażają wdzięczność za wsparcie finansowe udzielone przez Uniwersytet Nusa Cendana, szczególnie przez Wydział Fizyki, Wydziału Nauk Ścisłych i Inżynierii, za tę badania w ramach Grantu nr 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Aquadest | Water One | A-1708-5LT | Solvent do przygotowania wodnych dyspersji C-kropek |
| Black soil and rice husk | Lokalny produkt z miasta Kupang, Prowincja Nusa Tenggara Wschodnia, Indonezja | N/D | Środek do sadzenia upraw orzeszków ziemnych |
| Centrifuge | LC-04S | N/D | Używany do oddzielania C-kropek od resztek węgla |
| Copper chloride dihydrate | Emsure | Numer CAS 10125-13-0 | Źródło jonów metali do eksperymentów z gaszeniem PL |
| Dynamic light scattering instrument | BeNano 180 Zeta Pro | N/D | Używany do pomiarów potencjału zeta C-kropek |
| Ethanol absolute for analysis | Emsure | Numer CAS 64-17-5 | Solvent do dyspersji i syntezy C-kropek |
| Ferric chloride dihydrate | Emsure | Numer CAS 10025-77-1 | Źródło jonów Fe3+ do eksperymentów z czuwaniem |
| FT/IR-4200 Fourier-transform infrared spectrophotometer | JASCO | FT/IR-4200 | Używany do pomiaru widm FTIR C-kropek |
| Galangal (Alpinia galanga) | Lokalny produkt z Prowincji Nusa Tenggara Wschodnia, Indonezja | N/D | Prekursor węgla do przygotowania fluorescencyjnych C-kropek |
| Magnesium chloride hexahydrate | Emsure | Numer CAS 7791-18-6 | Źródło jonów Mg2+ do eksperymentów z czuwaniem |
| Phosphate-buffered saline (PBS) | Buana Laboratories | N/D | Bufor używany do utrzymania pH |
| Polybag | Lokalny produkt z miasta Kupang, Prowincja Nusa Tenggara Wschodnia, Indonezja | N/D | Pojemnik używany do uprawy orzeszków ziemnych |
| Spectrofluorometer | SHIMADZU | RF-6000 | Używany do pomiaru widm fotoluminescencji C-kropek |
| Transmission electron microscope (TEM) | JEOL | JEM-2100Plus | Używany do badania morfologii i wielkości cząstek C-kropek |
| Ultrasonic cleaner | Jewelry Cleaner | N/D | Używany do homogenizacji i dyspersji C-kropek |
| UV lamp (365 nm) | Sofim | N/D | Używany do wizualizowania fluorescencji C-kropek |
| UV spectrophotometer | JASCO | UV-570 | Używany do pomiaru widm absorpcji C-kropek |
| X-ray diffractometer (XRD) | Bruker AXS | N/D | Używany do pomiaru wzorców XRD C-kropek |
| Zinc chloride | Emsure | Numer CAS 7646-85-7 | Źródło jonów Zn2+ do eksperymentów z gaszeniem PL |