Nanodots fluorescentes bifuncionais de carbono de Galangal como sensores para íons metálicos e como fonte de nutrientes para o crescimento do amendoim

Resumo

Nanodots fluorescentes bifuncionais de carbono (C-dots) derivados da galanga são demonstrados como sensores para detecção de íons metálicos e como fonte de nutrientes para o crescimento de plantas de amendoim. Esses achados destacam seu potencial como sensores seletivos para Fe^3⁺ e Mg^2⁺ e como suplementos nutricionais para estimular o crescimento do amendoim.

Resumo

Este estudo demonstra a bifuncionalidade dos nanodotos fluorescentes de carbono (C-dots) derivados da galanga tanto como sensores para íons metálicos quanto como fonte de nutrientes para o crescimento do amendoim. Os C-dots foram fabricados por meio de um método de carbonização a 200 °C por 30 minutos e apresentaram fluorescência azul em etanol e soluções aquosas. Caracterizações usando absorção, fotoluminescência (PL), espectroscopia infravermelha por transformada de Fourier (FTIR) e difração de raios X (XRD) confirmaram formação bem-sucedida. Os C-dots apresentaram picos de absorção em 275 nm (etanol) e 270 nm (aquoso), com diâmetro médio de 5,74 nm e desvio padrão de 1,11 nm. A intensidade da PL foi significativamente extinta na interação com íons Fe^3⁺ e Mg^2⁺ , permitindo sua detecção com limites de detecção de 2,98 μM e 3,3 μM, respectivamente. A aplicação de C-dots aumentou o crescimento do amendoim, evidenciado pelo aumento do teor de clorofila e biomassa em comparação com plantas não tratadas. Esses resultados indicam que os C-dots derivados da galange funcionam como fontes eficazes de nutrientes para o crescimento vegetativo. No geral, essa abordagem oferece uma estratégia econômica e ambientalmente amigável para o desenvolvimento de C-dots bifuncionais para detecção de íons metálicos e aplicações agrícolas.

Introdução

A água é um recurso essencial para todos os organismos vivos, incluindo os humanos, pois contém minerais essenciais para a manutenção dos processos metabólicos. A concentração de íons metálicos como férrico (Fe^3⁺), magnésio (Mg^2⁺), zinco (Zn^2⁺), cobre (^2⁺) e mercúrio (Hg^2⁺) na água deve ser cuidadosamente regulada para garantir a adequação ao consumo. Desvios das concentrações ótimas, sejam deficientes ou excessivos, são conhecidos por causar várias doenças em humanos e contribuir para a poluição ambiental ^1,2,3. Além da água, as plantas servem como fonte primária de alimento para organismos vivos, especialmente humanos e animais, apoiando processos metabólicos essenciais. Uma cultura agrícola importante é a planta de amendoim (Arachis hypogaea L.), uma espécie leguminosa nativa da América do Sul, incluindo Brasil, Bolívia, Paraguai e norte da Argentina, e atualmente cultivada mundialmente, inclusive na Indonésia. Nos últimos mil anos, sementes de amendoim, ricas em proteína, tornaram-se essenciais para a produção de alimentos e continuam sendo uma mercadoria agrícola crítica. No entanto, o aumento da produção de amendoim continua sendo desafiador devido a fatores ambientais como seca prolongada, degradação da terra, infestações de pragas e doenças, incluindo manchas foliares e ferrugem, além da implementação tecnológica^{limitada 4,5}.

Para enfrentar os duplos desafios de monitorar as concentrações de íons metálicos na água e melhorar o crescimento das plantas de amendoim, os nanodots de carbono (C-dots) representam uma solução promissora. Esses materiais podem funcionar como sensores para detectar concentrações traço de íons metálicos e como agentes para estimular o crescimento das plantas. C-dots fluorescentes, uma classe de nanomateriais à base de carbono, têm sido amplamente aplicados em bioimagem⁶, detectando ^2,7, entrega de medicamentos⁸ e como fontes de nutrientes para o crescimento^{de plantas 9,10}. Suas propriedades fisicoquímicas, incluindo alta fotostabilidade, forte fluorescência, excelente biocompatibilidade, tamanho em escala nanométrica, resistência ao fotobranqueamento e baixa toxicidade, os tornam altamente adequados para aplicações^{biológicas 11,12}. Além disso, os C-dots apresentam alta solubilidade em água, biodegradabilidade, abundância de precursores e baixo custo^{de produção 9,11}, aumentando ainda mais sua aplicabilidade em sensores e agricultura.

O uso de C-dots derivados de material orgânico e seus resíduos associados tem sido amplamente investigado como sensores para a detecção de íons metálicos e como fonte de nutrientes para aumentar a produção agrícola. Esse interesse crescente se deve principalmente às suas excelentes propriedades fisicoquímicas, como alta fotostabilidade, forte fluorescência, excelente biocompatibilidade, tamanho em escala nanométrica, resistência ao fotobranqueamento e baixa toxicidade, o que coletivamente os torna altamente adequados para diversas aplicações^{biológicas 11,12}. Além disso, os C-dots apresentam alta solubilidade em água, excelente biodegradabilidade, abundância de precursores e baixos custos^{de produção 9,11}. A combinação sinérgica de baixa toxicidade, biocompatibilidade, forte PL e alta fotosstabilidade torna os C-dots altamente promissores como uma excelente sonda fluorescente para imagens celulares^{multicoloridas 11} e como fonte de nutrientes para potencializar o crescimento das plantas, contribuindo assim para o aumento da produtividade agrícola.

Numerosos estudos exploraram o uso de C-dots derivados de materiais orgânicos e resíduos como sensores para detecção de íons metálicos e como fontes de nutrientes para melhorar a produtividade agrícola. C-dots preparados a partir de p-fenilendiamina usando um método hidrotermal foram aplicados com sucesso para a detecção de Fe³⁺ com limite de detecção (LOD) de 0,85 μM¹³. De forma semelhante, C-dots fabricados em preto amido 10B foram usados para detectar íons Fe³⁺ na água do lago, alcançando um LOD de 1,84 μM¹⁴. C-dots derivados da casca de fruta do dragão também foram relatados para detecção de Zn²⁺ com um LOD de 3,2^{μM 7}. Em aplicações agrícolas, C-dots sintetizados a partir de glicose e ureia aumentaram o rendimento de arroz em 14,8^%. Também foram relatados melhorias do crescimento da Ipomoea aquatica usando C-dots derivadas da casca da fruta do dragão e melhora no crescimento da alface romana cultivada hidroponicamente usando C-dots¹⁰˒¹⁵. Um estudo anterior relatou a fabricação de C-dots a partir de galanga usando um método de micro-ondas e investigou suas propriedades ópticas em função do tempo de^{processamento 16}; no entanto, sua aplicação como sensores e fontes de nutrientes não foi explorada.

Neste estudo, os C-dots foram fabricados a partir de galanga (Alpinia officinarum) usando um método^{de carbonização 7,12}. As propriedades ópticas e fisicoquímicas dos C-dots preparados, incluindo fotostabilidade e potencial zeta, foram analisadas, juntamente com suas aplicações como sensores para detecção de íons metálicos e como fontes de nutrientes para avaliação do crescimento vegetativo em plantas de amendoim. Galangal é uma planta perene amplamente cultivada na Ásia, especialmente na Indonésia e na Tailândia. É conhecido por suas aplicações em alimentos e medicina devido às suas propriedades carminativas, estomacais, antiespasmódicas e^{antimicrobianas 16}. Análises fitoquímicas indicam que a galanga contém terpenos e compostos fenólicos ricos em carbono, nitrogênio e oxigênio, tornando-a um precursor adequado para a síntese^{C-dot 16,17}. Assim, a galanga representa uma fonte de carbono abundante, barata e renovável. Os objetivos deste estudo são analisar as propriedades ópticas e fisicoquímicas dos pontos C derivados da galange e avaliar sua aplicabilidade como sensores para detecção de íons metálicos e como fontes de nutrientes para melhorar o crescimento das plantas de amendoim. Esses materiais exibem dupla funcionalidade, uma propriedade conhecida como pontos fluorescentes bifuncionais em C. A hipótese testável é que plantas de amendoim tratadas com C-dots apresentam crescimento melhor em comparação com plantas não tratadas.

A carbonização da galanga a 200 °C por 30 minutos produziu pontos fluorescentes C-dot que foram facilmente dispersos em etanol e soluções aquosas, e emitiram fluorescência azul sob iluminação UV a 365 nm. A caracterização usando absorção (Abs), fotoluminescência (PL), espectroscopia infravermelha de transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espalhamento dinâmico de luz (DLS) e difração de raios X (XRD) confirmou síntese bem-sucedida e propriedades ópticas e estruturais favoráveis. A intensidade da PL diminuiu com o aumento das concentrações de íons Fe³⁺ e Mg²⁺, demonstrando sensibilidade e seletividade, com valores de LOD de 2,98 μM e 3,3 μM, respectivamente. Além disso, a aplicação de C-dots derivados da galanga aumentou significativamente o crescimento vegetativo das plantas de amendoim, como indicado pelo aumento do teor de clorofila e biomassa em comparação com controles não tratados.

Protocolo

Este estudo não envolveu participantes humanos nem animais envolvidos. Todos os experimentos com plantas foram realizados de acordo com as diretrizes institucionais e nacionais aplicáveis para pesquisa e biossegurança com plantas. Os produtos químicos e equipamentos estão listados na Tabela de Materiais.

1. Fabricação de C-dots a partir de Galangal

A fabricação de nanodots de carbono (C-dots) a partir de galanga foi realizada usando um método^{de carbonização 7,18} com pequenas modificações. O pó de galangal (20 g) foi carbonizado a 200 °C por 30 minutos para produzir uma amostra escura. Após resfriar até a temperatura ambiente, a amostra era triturada para obter um pó fino. Uma porção do pó de galanga escura (0,5 g) foi adicionada a 5 mL de etanol, e a mistura foi sonicada por 1 hora para obter uma solução escura homogênea. Posteriormente, 9 mL de etanol foram adicionados, e a mistura foi centrifugada a 805 × g por 30 minutos em temperatura ambiente para remover partículas maiores. Após a centrifugação, a amostra foi filtrada através de um filtro Whatman de 0,22 μm para remover partículas grandes residuais, resultando em um supernadante transparente contendo pontos fluorescentes C-dots em solução de etanol.

A preparação dos C-dots em solução aquosa seguiu o mesmo procedimento da solução de etanol. No entanto, o rendimento do pó de galanga dissolvido em solução aquosa foi menor do que o obtido em solução de etanol. Sob iluminação com uma lâmpada UV de 365 nm, os C-dots preparados em soluções de etanol e aquosas exibiram fluorescência azul. As propriedades ópticas e fisicoquímicas dos C-dots preparados, incluindo absorção (Abs), fotoluminescência (PL), espectroscopia infravermelha por transformada de Fourier (FTIR), difração de raios X (XRD), morfologia, distribuição de tamanho e potencial zeta, foram posteriormente caracterizadas. Por fim, os C-dots preparados foram avaliados quanto à sua aplicabilidade como sensores para detecção de íons metálicos e como fontes de nutrientes para promover o crescimento das plantas de amendoim.

2. Síntese de C-pontos de galanga com íons metálicos

A interação dos pontos C com íons férricos (Fe^3⁺) foi investigada. Especificamente, 1 mL de dispersão C-dot em etanol foi misturado com 3 mL de etanol e 0,75 mL de soro salino tamponado com fosfato (PBS, 1 M, pH 7,0), seguido pela adição de 100 μL de solução de Fe^3⁺ em concentrações variadas (0–10 μM). Espectros de fotoluminescência (PL) foram registrados usando um comprimento de onda de excitação de 350 nm. Espectros infravermelhos da transformada de Fourier (FTIR) também foram medidos para avaliar possíveis interações entre pontos C e íons Fe^3⁺ . Todos os experimentos foram realizados em temperatura ambiente.

O mesmo procedimento experimental foi aplicado para investigar interações entre C-dots e outros íons metálicos, incluindo magnésio (Mg^2⁺), zinco (Zn^2⁺) e cobre (^2⁺).

3. O uso dos C-dots produzidos como produzidos para o crescimento da planta de amendoim

Solo preto (4 kg) e cascas de arroz (1 kg) foram misturadas e colocadas em recipientes em sacos de plástico. A capacidade de retenção de água da mistura do solo foi medida para determinar o volume de água que ela poderia absorver. Sementes de amendoim foram obtidas em um mercado local em Kupang, Leste de Nusa Tenggara, Indonésia; A variedade não foi especificada porque o fornecedor não forneceu rotulagem. As sementes tinham uma camada marrom-avermelhada a esbranquiçada, medindo de 6 a 7 mm de comprimento e 4 a 5 mm de largura. A germinação foi avaliada em papel filtrante úmido em placas de Petri a 25–28 °C por 5–7 dias, com a germinação definida como emergência radicular ≥2 mm, resultando em uma taxa de germinação de 99%. As sementes foram deixadas de molho em água por 12 horas e depois plantadas a uma profundidade de 3 cm em cada saco de plástico. Cada saco de plástico recebia 1200 mL de água diariamente. C-dots foram aplicados semanalmente em volumes que variavam de 1 a 10 mL por dois meses. Cada volume de tratamento incluía duas réplicas. Um total de 30 bolsas de plástico foram usadas: 10 sem C-dots (controle) e 20 com C-dots. Sementes não tratadas e sementes tratadas com C-dots foram cultivadas sob condições ambientais naturais idênticas em uma estufa. Parâmetros ambientais, incluindo temperatura (25-30^°C), umidade relativa, intensidade da luz e fotoperíodo, foram monitorados e controlados naturalmente durante todo o experimento para garantir consistência e reprodutibilidade.

A altura da planta foi medida semanalmente, enquanto o teor de biomassa e clorofila foi medido após dois meses. Os dados foram analisados usando análise de variância (ANOVA) a p < 0,05, e a separação média foi realizada usando o Teste de Múltiplas Distâncias de Duncan (DMRT) no mesmo nível de significância.

Resultados

Preparação e características gerais dos C-dots de Galangal

A Figura 1 ilustra um esquema da preparação de nanodots de carbono altamente fluorescentes (C-dots) a partir de galanga em etanol e soluções aquosas e sua aplicação como sensores e fontes de nutrientes para o crescimento das plantas de amendoim. Os C-dots foram preparados a partir de galanga usando um método de carbonização. Galangal foi c...

Discussão

O presente estudo demonstra a fabricação bem-sucedida de nanodotos fluorescentes de carbono (C-dots) a partir de galanga usando um método simples de carbonização. Os C-dots preparados apresentavam propriedades ópticas, estruturais e biológicas desejáveis, apoiando sua aplicação bifuncional como sensores para íons Fe³⁺ e Mg²⁺ e como fontes de nutrientes para o crescimento das plantas de amendoim. O crescimento vegetativo aprimorado observado em plantas de amendoim tr...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Aquadest	Water One	A-1708-5LT	Solvente para preparação de dispersões aquosas de C-dot
Black soil and rice husk	Produto local de Kupang City, Província de Nusa Tenggara Oriental, Indonésia	N/A	Meio de plantio para cultivo de amendoim
Centrifuge	LC-04S	N/A	Usado para separar C-dots de resíduos de carbono
Copper chloride dihydrate	Emsure	CAS No. 10125-13-0	Fonte de íons metálicos para experimentos de quenching PL
Dynamic light scattering instrument	BeNano 180 Zeta Pro	N/A	Usado para medições de potencial zeta de C-dots
Ethanol absolute for analysis	Emsure	CAS No. 64-17-5	Solvente para dispersão e síntese de C-dot
Ferric chloride dihydrate	Emsure	CAS No. 10025-77-1	Fonte de íons Fe3+ para experimentos de sensoriamento
FT/IR-4200 Fourier-transform infrared spectrophotometer	JASCO	FT/IR-4200	Usado para medir espectros FTIR de C-dots
Galangal (Alpinia galanga)	Produto local da Província de Nusa Tenggara Oriental, Indonésia	N/A	Precursor de carbono para preparação de C-dots fluorescentes
Magnesium chloride hexahydrate	Emsure	CAS No. 7791-18-6	Fonte de íons Mg2+ para experimentos de sensoriamento
Phosphate-buffered saline (PBS)	Buana Laboratories	N/A	Solução tampão usada para manter o pH
Polybag	Produto local de Kupang City, Província de Nusa Tenggara Oriental, Indonésia	N/A	Recipiente usado para cultivo de amendoim
Spectrofluorometer	SHIMADZU	RF-6000	Usado para medir espectros de fotoluminescência de C-dots
Transmission electron microscope (TEM)	JEOL	JEM-2100Plus	Usado para investigar a morfologia e o tamanho das partículas de C-dots
Ultrasonic cleaner	Jewelry Cleaner	N/A	Usado para homogeneização e dispersão de C-dots
UV lamp (365 nm)	Sofim	N/A	Usado para visualização de fluorescência de C-dots
UV spectrophotometer	JASCO	UV-570	Usado para medir espectros de absorção de C-dots
X-ray diffractometer (XRD)	Bruker AXS	N/A	Usado para medir padrões de XRD de C-dots
Zinc chloride	Emsure	CAS No. 7646-85-7	Fonte de íons Zn2+ para experimentos de quenching PL