Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Исследовательская статья
Бифункциональные флуоресцентные углеродные наноточки (C-dots), полученные из галангала, демонстрируются как датчики для обнаружения ионов металла и как источник питательных веществ для роста арахиса. Эти данные подчёркивают их потенциал в качестве селективных датчиков для Fe3⁺ и Mg2⁺ , а также как питательных добавок для ускорения роста арахиса.
Это исследование демонстрирует бифункциональность флуоресцентных углеродных наноточек (C-точек), полученных из галангала как сенсоров для ионов металлов и источника питательных веществ для роста арахиса. C-точки были изготовлены методом карбонизации при 200 °C в течение 30 минут и демонстрировали синюю флуоресценцию в этаноле и водных растворах. Характеристика с использованием абсорбции, фотолюминесценции (PL), инфракрасной спектроскопии преобразования Фурье (FTIR) и рентгеновской дифракции (XRD) подтвердила успешное формирование. C-точки показали пики поглощения на 275 нм (этанол) и 270 нм (водные), средний диаметр 5,74 нм и стандартное отклонение 1,11 нм. Интенсивность PL значительно снижалась при взаимодействии с ионами Fe3⁺ и Mg2⁺ , что позволило их обнаруживать с пределами обнаружения 2,98 мкм и 3,3 мкм соответственно. Применение C-dot ускорило рост арахиса, что подтверждается увеличением содержания хлорофилла и биомассы по сравнению с необработанными растениями. Эти результаты показывают, что C-dot, полученные из галангала, служат эффективными источниками питательных веществ для вегетативного роста. В целом, этот подход обеспечивает экономичную и экологически безопасную стратегию для разработки бифункциональных C-dot для обнаружения ионов металлов и сельскохозяйственных применений.
Вода является важным ресурсом для всех живых организмов, включая человека, поскольку содержит необходимые минералы, необходимые для поддержания метаболических процессов. Концентрация ионов металлов, таких как железо (Fe3⁺), магний (Mg2⁺), цинк (Zn 2⁺), медь (Cu 2⁺) и ртуть (Hg2⁺), в воде должна тщательно регулироваться для обеспечения пригодности для потребления. Отклонения от оптимальных концентраций, будь то дефицитные или чрезмерные, известны тем, что вызывают различные заболевания у человека и способствуют загрязнению окружающей среды 1,2,3. Помимо воды, растения служат основным источником пищи для живых организмов, особенно для людей и животных, поддерживая жизненно важные метаболические процессы. Одной из важных сельскохозяйственных культур является арахис (Arachis hypogaea L) — бобовый вид, родом из Южной Америки, включая Бразилию, Боливию, Парагвай и северную Аргентину, который сейчас культивируется по всему миру, включая Индонезию. За последние тысячу лет семена арахиса, богатые белком, стали необходимыми для производства продуктов питания и остаются важным сельскохозяйственным товаром. Однако рост производства арахиса остаётся сложным из-за экологических факторов, таких как затяжная засуха, деградация земель, заражение вредителями и болезней, включая пятнистость и ржавчину листьев, а также ограниченное технологическоевнедрение 4,5.
Для решения двойных задач мониторинга концентрации ионов металлов в воде и стимулирования роста арахисовых растений — углеродные наноточки (C-dots) представляют собой перспективное решение. Эти материалы могут служить датчиками для обнаружения следовых концентраций ионов металлов и агентами для ускорения роста растений. Флуоресцентные C-dots, класс наноматериалов на основе углерода, широко применялись вбиовизуализации 6, sensing 2,7, доставкелекарств 8, а также в качестве источников питательных веществ для ростарастений 9,10. Их физико-химические свойства, включая высокую фотостабильность, сильную флуоресценцию, отличную биосовместимость, размеры наноразмера, устойчивость к фотоотбеливанию и низкую токсичность, делают их очень подходящими для биологическихприложений 11,12. Кроме того, C-dot демонстрируют высокую водорастворимость, биоразлагаемость, обильную доступность прекурсоров и низкую производственнуюстоимость 9,11, что дополнительно повышает их применимость в сенсории и сельском хозяйстве.
Использование C-dot, полученных из органических материалов и связанных с ними отходов, было тщательно изучено как датчики для обнаружения ионов металлов и как источник питательных веществ для увеличения сельскохозяйственного производства. Этот растущий интерес в первую очередь обусловлен их отличными физико-химическими свойствами, такими как высокая фотостабильность, сильная флуоресценция, отличная биосовместимость, размеры наноразмера, устойчивость к фотоотбеливанию и низкая токсичность, что в совокупности делает их очень подходящими для различных биологическихприменений 11,12. Кроме того, C-dot обладают высокой водорастворчивостью, отличной биоразлагаемостью, обильной доступностью прекурсоров и низкими производственнымизатратами 9,11. Синергетическое сочетание низкой токсичности, биосовместимости, сильного PL и высокой фотостабильности делает C-dots очень перспективным как отличный флуоресцентный зонд для клеточной многоцветной съёмки11 и как источник питательных веществ для ускорения роста растений, тем самым способствуя увеличению сельскохозяйственной продуктивности.
Многочисленные исследования изучали использование C-точек, полученных из органических материалов и отходов, в качестве датчиков для обнаружения металлических ионов и в качестве источников питательных веществ для повышения сельскохозяйственной продуктивности. C-dots, полученные из p-фениледиамина с помощью гидротермального метода, успешно применялись для обнаружения Fe3⁺ с пределом обнаружения (LOD) 0,85 мкм13. Аналогично, для обнаружения ионов Fe3⁺ в водах озера использовались C-точки, изготовленные из амидо-чёрного 10B, что позволило получить LOD 1,84 мкм14. C-точки, полученные из кожуры драконьего плода, также были отмечены для обнаруженияZn 2⁺ с LOD 3,2мкм7. В сельскохозяйственных приложениях C-dot, синтезированные из глюкозы и мочевины, увеличили урожайность риса на 14,8%9. Также зафиксировано увеличение роста Ipomoea aquatica с помощью C-dots, полученных из кожуры драконьих плодов, и улучшенный рост гидропонно культивируемого ромэнского салата с помощьюC-dots 10˒15. В предыдущем исследовании сообщалось о изготовлении C-точек из галангала с помощью микроволнового метода и изучении их оптических свойств в зависимости от времениобработки 16; однако их применение в качестве сенсоров и источников питательных веществ не было изучено.
В этом исследовании C-dot были изготовлены из галангала (Alpinia officinarum) с использованием методакарбонизации 7,12. Были проанализированы оптические и физико-химические свойства подготовленных C-точек, включая фотостабильность и зета-потенциал, а также их применение в качестве датчиков для обнаружения металлических ионов и в качестве источников питательных веществ для оценки растительного роста арахиса. Галангал — многолетнее растение, широко культивируемое в Азии, особенно в Индонезии и Таиланде. Он известен своими применениями в пищевой промышленности и медицине благодаря своим карминаторным, желудочным, спазмолитическим и антимикробнымсвойствам 16. Фитохимический анализ показывает, что галангал содержит терпены и фенольные соединения, богатые углеродом, азотом и кислородом, что делает его подходящим предшественником для синтезаC-dot 16,17. Таким образом, галангал представляет собой обильный, недорогой и возобновляемый источник углерода. Цели данного исследования — проанализировать оптические и физико-химические свойства C-точек, полученных из галангала, а также оценить их применимость в качестве датчиков для обнаружения металлических ионов и как источников питательных веществ для ускорения роста арахиса. Эти материалы обладают двойной функциональностью, свойством, называемым бифункциональными флуоресцентными C-точками. Проверяемая гипотеза заключается в том, что арахисовые растения, обработанные C-dot, демонстрируют лучший рост по сравнению с необработанными растениями.
Карбонизация галангала при 200 °C в течение 30 минут приводила к образованию флуоресцентных C-точек, которые легко рассеивались в этаноле и водных растворах и излучали синюю флуоресценцию при ультрафиолетовом освещении на расстоянии 365 нм. Характеристика с использованием абсорбции (ABS), фотолюминесценции (PL), инфракрасной спектроскопии преобразования Фурье (FTIR), трансмиссионной электронной микроскопии (TEM), динамического рассеяния света (DLS) и рентгеновской дифракции (XRD) подтвердила успешный синтез и благоприятные оптические и структурные свойства. Интенсивность PL снижалась с увеличением концентраций ионов Fe3⁺ и Mg2⁺, что демонстрирует чувствительность и селективность, при этом значения LOD составляли 2,98 мкм и 3,3 мкм соответственно. Кроме того, применение C-dot, полученных из галангала, значительно ускорило вегетативный рост арахиса, что подтверждается увеличением содержания хлорофилла и биомассы по сравнению с необработанными контролями.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этом исследовании не участвовали люди или животные. Все эксперименты с растениями проводились в соответствии с применимыми институциональными и национальными рекомендациями по исследованиям растений и биобезопасности. Химикаты и оборудование перечислены в Таблице материалов.
1. Изготовление C-dots из Галангала
Изготовление углеродных наноточек (C-dots) из галангала проводилось с использованием метода карбонизации 7,18 с незначительными изменениями. Порошок галангала (20 г) карбонизировали при 200 °C в течение 30 минут для получения тёмного образца. После охлаждения до комнатной температуры образец измельчали для получения мелкого порошка. Часть тёмного порошка галангала (0,5 г) была добавлена к 5 мл этанола, и смесь была соникирована в течение 1 часа для получения однородного тёмного раствора. Впоследствии добавили 9 мл этанола, и смесь центрифугировала при 805 × г в течение 30 минут при комнатной температуре для удаления крупных частиц. После центрифугирования образец фильтровали через фильтр Whatman с толщиной 0,22 мкм для удаления остаточных крупных частиц, в результате чего в этаноловом растворе получается прозрачный супернатант с флуоресцентными C-точками.
Подготовка C-dots в водном растворе проходила по той же процедуре, что и для этанола. Однако выход растворённого галангального порошка в водном растворе был ниже, чем в этаноловом растворе. При освещении с помощью УФ-лампы 365 нм, подготовленные C-точки в этаноле и водных растворах демонстрировали синюю флуоресценцию. Оптические и физико-химические свойства подготовленных C-точек, включая абсорбцию (Abs), фотолюминесценцию (PL), инфракрасную спектроскопию преобразования Фурье (FTIR), рентгеновскую дифракцию (XRD), морфологию, распределение размеров и зета-потенциал, были впоследствии охарактеризованы. Наконец, подготовленные C-dot были оценены на их применимость в качестве датчиков для обнаружения металлических ионов и как источников питательных веществ для стимулирования роста арахиса.
2. Синтез C-точек из галангала с металлическими ионами
Исследовалось взаимодействие C-точек с железными (Fe3⁺) ионами. В частности, 1 мл дисперсии C-dot в этаноле смешивался с 3 мл этанола и 0,75 мл фосфатно-буферного физиологического раствора (PBS, 1 м, pH 7,0), после чего добавляли 100 мкл раствораFe 3⁺ в различных концентрациях (0–10 мкм). Спектры фотолюминесценции (PL) были записаны с использованием длины волны возбуждения 350 нм. Для оценки потенциальных взаимодействий между C-dots и ионами Fe3⁺ также измерялись спектры инфракрасного преобразования Фурье (FTIR). Все эксперименты проводились при комнатной температуре.
Та же экспериментальная процедура применялась для изучения взаимодействий между C-точками и другими ионами металлов, включая магний (Mg 2⁺), цинк (Zn 2⁺) и медь (Cu 2⁺).
3. Использование производных C-dots для роста арахисового растения
Черная почва (4 кг) и рисовая шелуха (1 кг) смешивались и помещались в полиэтиленовые мешки. Водоудерживаемость почвенной смеси измерялась для определения объёма воды, который она может поглотить. Арахисовые семена были получены на местном рынке в Купанг, Восточный Нуса-Тенгара, Индонезия; Сорт не был указан из-за того, что поставщик не предоставил маркировку. Семена имели красновато-коричневую или светло-белую оболочку, размером 6–7 мм в длину и 4–5 мм в ширину. Прорастание оценивалось на влажной фильтрующей бумаге в чашках Петри при 25–28 °C в течение 5–7 дней, при этом прорастание определялось как появление радикула ≥2 мм, давая скорость прорастания 99%. Семена замачивались в воде на 12 часов, а затем сажали на глубину 3 см в каждый полиэтиленовый пакет. Каждый полиэтиленовый пакет получал 1200 мл воды в день. C-dot наносились еженедельно при объёмах от 1 до 10 мл в течение двух месяцев. Каждый том обработки включал две реплики. Всего использовалось 30 полиэтиленовых пакетов: 10 без C-dot (контрольные) и 20 с C-dots. Необработанные семена и семена, обработанные C-dot, выращивались в одинаковых природных условиях в теплице. Параметры окружающей среды, включая температуру (25-30°C), относительную влажность, интенсивность света и фотопериод, естественным образом контролировались на протяжении всего эксперимента для обеспечения согласованности и воспроизводимости.
Высота растения измерялась еженедельно, а содержание биомассы и хлорофилла — через два месяца. Данные анализировались с использованием анализа дисперсии (ANOVA) при p < 0,05, а разделение среднего измерения проводилось с помощью теста Duncan's Multiple Range Test (DMRT) на том же уровне значимости.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Подготовка и общие характеристики C-dot из Галангала
Рисунок 1 иллюстрирует схему приготовления высокофлуоресцентных углеродных наноточек (C-dots) из галангала в этаноловых и водных растворах и их применения в качестве датчиков и источников питательных веществ для роста арахиса. C-dot были приготовлены из галангала методом карбонизации. Галангал карбонизировали при 200 °C в течение 30 минут для по...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Настоящее исследование демонстрирует успешное изготовление флуоресцентных углеродных наноточек (C-dots) из галангала с помощью простого метода карбонизации. Подготовленные C-точки проявили желательные оптические, структурные и биологические свойства, что подтверждает их бифункциональное применение в качестве датчиковионов Fe3+ и Mg 2+, а также в качестве питательных источников для роста арахиса. Улучшенный растительный рост, наблюдаемый у арахисовых растений, обрабо...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы не заявляют о конфликтах интересов.
Авторы с благодарностью выражают признательность за финансовую поддержку, оказанную Университетом Нуса Сендана, особенно кафедрой физики факультета науки и инженерии, для этого исследования в рамках гранта No 7/UN15.18.PPK/SPP/FST/IV/2024.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Aquadest | Water One | A-1708-5LT | Растворитель для приготовления водных дисперсий C-точек |
| Черная почва и рисовая лущина | Местный продукт из города Купанг, провинция Восточный Нуса-Тенгара, Индонезия | Н/Д | Посадочный субстрат для выращивания арахиса |
| Центрифуга | LC-04S | Н/Д | Используется для разделения C-точек от углеродных остатков |
| Дихлорид меди | Emsure | CAS No. 10125-13-0 | Источник металлических ионов для экспериментов по исследованию PL |
| Инструмент динамического рассеивания света | BeNano 180 Zeta Pro | Н/Д | Используется для измерения дзета-потенциала C-точек |
| Абсолютный этанол для анализа | Emsure | CAS No. 64-17-5 | Растворитель для дисперсии и синтеза C-точек |
| Дихлорид железа | Emsure | CAS No. 10025-77-1 | Источник иона Fe3+ для сенсорных экспериментов |
| Фурье-инфракрасный спектрофотометр FT/IR-4200 | JASCO | FT/IR-4200 | Используется для измерения спектров FTIR C-точек |
| Галангал (Alpinia galanga) | Местный продукт из провинции Восточный Нуса-Тенгара, Индонезия | Н/Д | Углеродный предшественник для приготовления флуоресцентных C-точек |
| Шестигидрат хлорида магния | Emsure | CAS No. 7791-18-6 | Источник иона Mg2+ для сенсорных экспериментов |
| Фосфатно-буферный раствор (PBS) | Buana Laboratories | Н/Д | Буферный раствор, используемый для поддержания pH |
| Полибэг | Местный продукт из города Купанг, провинция Восточный Нуса-Тенгара, Индонезия | Н/Д | Контейнер, используемый для выращивания арахиса |
| Спектрофлуориметр | SHIMADZU | RF-6000 | Используется для измерения спектров фотолюминесценции C-точек |
| Электронный микроскоп (TEM) | JEOL | JEM-2100Plus | Используется для исследования морфологии и размера частиц C-точек |
| Ультразвуковой очищатель | Очиститель для ювелирных изделий | Н/Д | Используется для гомогенизации и диспергирования C-точек |
| УФ-лампа (365 нм) | Sofim | Н/Д | Используется для визуализации флуоресценции C-точек |
| УФ-спектрофотометр | JASCO | UV-570 | Используется для измерения спектров поглощения C-точек |
| Рентгенодифрактометр (XRD) | Bruker AXS | Н/Д | Используется для измерения XRD-паттернов C-точек |
| Хлорид цинка | Emsure | CAS No. 7646-85-7 | Источник иона Zn2+ для экспериментов по исследованию PL |