Galangal'dan elde edilen iki fonksiyonlu floresan karbon nanodotlar, metal iyonları için sensör ve yer fıstığı büyümesi için besin kaynağı olarak kullanılmıştır

Özet

Galangaldan türetilen iki fonksiyonlu floresan karbon nanodotlar (C-noktalar), metal iyonu algılama sensörü ve yer fıstığı bitkisinin büyümesi için besin kaynağı olarak gösterilmiştir. Bu bulgular, Fe^3⁺ ve Mg^2⁺ için seçici sensör olarak ve yer fıstığı büyümesini artırmak için besin takviyesi olarak potansiyellerini ortaya koymaktadır.

Özet

Bu çalışma, galangaldan türetilen floresan karbon nanodotların (C-noktalar) hem metal iyonları sensörü hem de yer fıstığı büyümesi için besin kaynağı olarak iki işlevselliğini göstermektedir. C-noktalar, 200 °C sıcaklığında 30 dakika boyunca karbonizasyon yöntemiyle üretildi ve etanol ile sulu çözeltilerde mavi floresans gösterdi. Soğurma, fotolüminesans (PL), Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak yapılan karakterizasyon başarılı oluşumu doğruladı. C-noktaları 275 nm (etanol) ve 270 nm (sulu) emilimin zirvelerini gösterdi; ortalama çapı 5,74 nm ve standart sapma 1,11 nm idi. PL yoğunluğu, Fe^3⁺ ve Mg^2⁺ iyonları ile etkileşimde önemli ölçüde azalmış, bu da tespit sınırları sırasıyla 2.98 μM ve 3.3 μM olarak tespit edilebilmiştir. C-noktalarının uygulanması, tedavi edilmemiş bitkilere kıyasla artan klorofil içeriği ve biyokütle ile yer fıstığı büyümesini artırdı. Bu sonuçlar, galangal kaynaklı C-noktaların vejetatif büyüme için etkili besin kaynakları olarak işlev gördüğünü göstermektedir. Genel olarak, bu yaklaşım metal iyon algılama ve tarımsal uygulamalar için iki fonksiyonlu C-noktalar geliştirmek için ekonomik ve çevre dostu bir strateji sunar.

Giriş

Su, metabolik süreçleri sürdürmek için gerekli mineralleri içerdiği için, insanlar da dahil olmak üzere tüm canlı organizmalar için vazgeçilmez bir kaynaktır. Sudaki demir (Fe^3⁺), magnezyum (Mg^2⁺), çinko (Zn^2⁺), bakır (Cu^2⁺) ve cıva (Hg^2⁺) gibi metal iyonların konsantrasyonu, tüketim için uygunluk sağlamak için dikkatlice düzenlenmelidir. Optimal konsantrasyonlardan sapmaların, eksik veya aşırı olsun, insanlarda çeşitli hastalıklara yol açtığı ve çevresel kirliliğe katkıda bulunduğu^{bilinmektedir 1,2,3}. Suya ek olarak, bitkiler özellikle insanlar ve hayvanlar olmak üzere canlı organizmalar için birincil besin kaynağı olarak hizmet eder ve temel metabolik süreçleri destekler. Önemli tarım ürünlerinden biri, Güney Amerika'ya özgü ve Brezilya, Bolivya, Paraguay ve kuzey Arjantin dahil olmak üzere baklagil türü olan yer fıstığı bitkisidir (Arachis hypogaea L.), günümüzde Endonezya dahil olmak üzere dünya çapında yetiştirilmektedir. Son bin yılda, protein açısından zengin yer fıstığı tohumları gıda üretimi için vazgeçilmez hale geldi ve kritik bir tarımsal ürün olmaya devam etti. Ancak, yer fıstığı üretiminin artması, uzun süren kuraklık, arazi bozulması, zararlı istilalar ve yaprak lekeleri ile pas gibi hastalıklar gibi çevresel faktörler ile sınırlı teknolojik uygulama nedeniyle hâlâ zordur ^4,5.

Sudaki metal iyon konsantrasyonlarını izleme ve yer fıstığı bitkisinin büyümesini artırma gibi çift zorlukları ele almak için, karbon nanodotları (C-noktalar) umut verici bir çözümdür. Bu malzemeler, metal iyonların iz konsantrasyonlarını tespit etmek için sensör ve bitki büyümesini artırmak için ajan olarak işlev görebilir. Floresan C-noktalar, karbon bazlı nanomalzemeler sınıfı olarak, biyogörüntüleme⁶,^{algılama 2,7}, ilaç^{dağıtımı 8} ve bitki büyümesi^{için besin kaynakları olarak yaygın olarak uygulanmıştır 9,10}. Yüksek fotostabilite, güçlü floresans, mükemmel biyouyumluluk, nano ölçekli boyut, fotoağartmaya direnç ve düşük toksisite gibi fizikokimyasal özellikleri, biyolojik uygulamalar için son derece uygun^{kılar 11,12}. Ayrıca, C-noktalar yüksek su çözünürlüğü, biyoparçalanabilirlik, bol öncül bulunabilirlik ve düşük üretim^{maliyeti 9,11} göstererek, algılama ve tarımda uygulanabilirliklerini daha da artırır.

Organik malzemeden ve bunlara bağlı atıklardan elde edilen C-noktaların kullanımı, metal iyonları tespit etmek için sensör olarak ve tarımsal üretimi artırmak için bir besin kaynağı olarak kapsamlı şekilde araştırılmıştır. Bu artan ilgi, esas olarak yüksek fotostabilite, güçlü floresans, mükemmel biyouyumluluk, nano ölçekli boyut, foto ağartmaya direnç ve düşük toksisite gibi mükemmel fizikokimyasal özelliklerinden kaynaklanmaktadır; bu özellikler onları çeşitli biyolojik uygulamalar için son derece uygun kılar^11,12. Ayrıca, C-noktalar yüksek su çözünürlüğüne, mükemmel biyolojik bozunabilirliğine, bol öncül bulunabilirliğe ve düşük üretim^{maliyetlerine sahiptir 9,11}. Düşük toksisite, biyouyumluluk, güçlü PL ve yüksek fotostabilitenin sinerjik birleşimi, C-dot'ları hücresel çok renkli görüntüleme için mükemmel bir floresan^{prob olarak ve} bitki büyümesini artırmak için bir besin kaynağı olarak son derece umut verici kılar; böylece tarımsal verimliliğin artmasına katkıda bulunur.

Organik malzemelerden ve atıklardan elde edilen C-noktaların metal iyonu tespiti için sensör olarak ve tarımsal verimliliği artırmak için besin kaynağı olarak kullanılmasını çok sayıda araştırma araştırmıştır. P-fenilenediaminden hidrotermal yöntemle hazırlanan C-noktalar, 0,85^{μM 13} tespit sınırı (LOD) ile Fe³⁺ tespit için başarıyla uygulanmıştır. Benzer şekilde, amido black 10B'den üretilen C-noktalar göl suyunda Fe³⁺ iyonları tespit etmek için kullanıldı ve 1.84^{μM 14} LOD elde edildi. Ejderha meyvesi kabuğundan türetilen C-noktalar da Zn²⁺ tespit için rapor edilmiştir ve LOD değeri 3.2^μM7 olarak belirlenmiştir. Tarımsal uygulamalarda, glikoz ve üreden sentezlenen C-noktalar, pirinç verimini %14,8 ^{artırmıştır9}. Ejderha meyvesi kabuğundan elde edilen C-noktalar kullanılarak Ipomoea aquatica'nın büyüme artışı ve C-noktalar kullanılarak hidroponik olarak yetiştirilen roma marulunun iyileştirilmiş büyümesi^{de bildirilmiştir 10˒15}. Daha önceki bir çalışma, galangaldan C-noktaların mikrodalga yöntemiyle üretildiğini rapor etmiş ve optik özelliklerini işlem süresine bağlı olarak^{incelemiştir 16}; ancak sensör ve besin kaynağı olarak uygulamaları araştırılmamıştır.

Bu çalışmada, C-noktalar galangal (Alpinia officinarum) ile karbonizasyon^{yöntemi 7,12} kullanılarak üretilmiştir. Hazırlanan C-noktaların optik ve fizikokimyasal özellikleri, fotostabilite ve zeta potansiyeli dahil olmak üzere, metal iyonu tespiti için sensör olarak ve yer fıstığı bitkilerinde vejetatif büyümeyi değerlendirmek için besin kaynakları olarak uygulamaları analiz edildi. Galangal, Asya'da, özellikle Endonezya ve Tayland'da yaygın olarak yetiştirilen çok yıllık bir bitkidir. Karminatif, mide, spazmodik ve antimikrobiyal özellikleri nedeniyle gıda ve tıp alanındaki uygulamalarıyla^tanınır. Fitokimyasal analiz, galangalın terpenler ve karbon, azot ve oksijen açısından zengin fenolik bileşikler içerdiğini göstererek, C-nokta^{sentezi için uygun bir öncül olduğunu göstermektedir 16,17}. Dolayısıyla galangal, bol, uygun fiyatlı ve yenilenebilir bir karbon kaynağı temsil eder. Bu çalışmanın amaçları, galangal kaynaklı C-noktaların optik ve fizikokimyasal özelliklerini analiz etmek ve metal iyonu algılama sensörleri ve yer fıstığı bitkisinin büyümesini artırmak için besin kaynakları olarak uygulanabilirliklerini değerlendirmektir. Bu malzemeler, çift işlevsellik gösterir; bu özellik çift fonksiyonel floresan C-noktalar olarak adlandırılır. Test edilebilir hipotez, C-noktalarla işlenmiş yer fıstığı bitkilerinin işlememiş bitkilere kıyasla daha iyi büyüme gösterdiğidir.

Galangalın 200 °C'de 30 dakika boyunca karbonizasyonu, etanol ve sulu çözeltilerde kolayca dağılan floresan C-noktaları üretti ve 365 nm'de UV aydınlatması altında mavi floresans yaydı. Soğurma (Abs), fotolüminesans (PL), Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, geçirim elektron mikroskopisi (TEM), dinamik ışık saçılması (DLS) ve X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak yapılan karakterizasyon, başarılı sentezi ve olumlu optik ve yapısal özellikleri doğruladı. PL yoğunluğu, Fe³⁺ ve Mg²⁺ iyonları konsantrasyonları arttıkça azaldı; bu da hassasiyet ve seçicilik gösterdi; LOD değerleri sırasıyla 2,98 μM ve 3,3 μM oldu. Ayrıca, galangal kaynaklı C-noktaların uygulanması, tedavi edilmemiş kontrollere kıyasla artan klorofil içeriği ve biyokütle ile yer fıstığı bitkilerinin vejetatif büyümesini önemli ölçüde artırdı.

Protokol

Bu çalışma insan katılımcıları veya hayvan denekleri içermedi. Tüm bitki deneyleri, bitki araştırması ve biyogüvenlik için geçerli kurumsal ve ulusal yönergelere uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Kimyasallar ve ekipmanlar Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

1. Galangal'dan C-noktalarının Üretimi

Galangal'dan karbon nanodotların (C-noktalar) üretimi, küçük değişikliklerle^{karbonizasyon yöntemi 7,18} kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Galangal tozu (20 g) 200 °C'de 30 dakika boyunca karbonize edilerek koyu bir örnek elde edilmiştir. Oda sıcaklığına soğuduktan sonra örnek ince bir toz elde etmek üzere ezildi. Koyu galangal tozun (0,5 g) bir kısmı 5 mL etanole eklendi ve karışım 1 saat soniklenerek homojen koyu bir çözelti elde edildi. Sonrasında 9 mL etanol eklendi ve karışım 805 × g sıcaklığında oda sıcaklığında 30 dakika boyunca santrifüjlenerek daha büyük partikülleri çıkardı. Santrifüjlemeden sonra, örnek 0,22 μm Whatman filtresinden filtrelenerek kalıntı büyük parçacıklar çıkarıldı ve etanol çözeltisinde floresan C-noktaları içeren şeffaf bir süpernatant elde edildi.

C-noktalarının sulu çözelti içinde hazırlanması, etanol çözeltisiyle aynı prosedürü izlemiştir. Ancak, sulu çözeltide çözünmüş galangal tozun verimi, etanol çözeltisinden daha düşüktü. 365 nm UV lamba ile aydınlatıldığında, hem etanol hem de sulu çözeltilerdeki hazırlıklı C-noktalar mavi floresans göstermiştir. Hazırlanan C-noktaların optik ve fizikokimyasal özellikleri, absorpsiyon (Abs), fotolüminesans (PL), Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, X-ışını kırınımı (XRD), morfoloji, boyut dağılımı ve zeta potansiyeli daha sonra karakterize edildi. Son olarak, hazırlanan C-noktalar, metal iyonu algılama sensörü ve yer fıstığı bitkisinin büyümesini teşvik etmek için besin kaynakları olarak uygulanabilirlikleri açısından değerlendirildi.

2. Galangaldan metal iyonlarla C-noktalarının sentezi

C-noktaların ferrik (Fe^3⁺) iyonları ile etkileşimi araştırıldı. Özellikle, etanolde 1 mL C-nokta dispersyonu 3 mL etanol ve 0,75 mL fosfatla tamponlanmış tuzlu (PBS, 1 M, pH 7,0) ile karıştırıldı, ardından farklı konsantrasyonlarda (0–10 μM) 100 μL Fe^3⁺ çözeltisi eklendi. Fotolüminesans (PL) spektrumları 350 nm uyarılma dalga boyu kullanılarak kaydedildi. C-noktalar ile Fe^3⁺ iyonları arasındaki potansiyel etkileşimleri değerlendirmek için Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektrumları da ölçüldü. Tüm deneyler oda sıcaklığında yapıldı.

Aynı deneysel prosedür, C-noktalar ile magnezyum (Mg^2⁺), çinko (Zn^2⁺) ve bakır (Cu^2⁺) gibi diğer metal iyonları arasındaki etkileşimleri incelemek için de uygulandı.

3. Fıstık bitkisinin büyümesi için üretilen olarak C-noktalarının kullanımı

Siyah toprak (4 kg) ve pirinç kabuğu (1 kg) karıştırılıp polipoşet kaplara konuldu. Toprak karışımının su tutma kapasitesi, emebileceği su hacmini belirlemek için ölçüldü. Yer fıstığı tohumları, Endonezya'nın Doğu Nusa Tenggara bölgesindeki Kupang'daki yerel bir pazardan temin edildi; Tedarikçinin etiketleme sağlamaması nedeniyle çeşit belirtilmedi. Tohumların tohum kabuğu kırmızımsı-kahverengi ile kırmızı beyaza kadar olurdu; uzunluğu 6–7 mm, genişliği ise 4–5 mm idi. Çimlenme, nemli filtre kağıdında Petri kaplarında 25–28 °C sıcaklıkta 5–7 gün boyunca değerlendirildi; çimlenme ≥2 mm radikül çıkışı olarak tanımlandı ve %99 çimlenme oranı elde edildi. Tohumlar 12 saat suda bekletildi ve ardından her polipoşette 3 cm derinlikte ekildi. Her polipoşet günde 1200 mL su alıyordu. C-dot'lar haftalık olarak iki ay boyunca 1 ila 10 mL arasında değişen hacimlerde uygulandı. Her işlem hacmi iki replika içeriyordu. Toplamda 30 polipoşet kullanıldı: 10'u C-noktasız (kontrol) ve 20'si C-noktalı. İşlenmemiş tohumlar ve C-noktalarla işlenmiş tohumlar, aynı doğal koşullarda bir serada yetiştirilmiştir. Çevresel parametreler, sıcaklık (25-30^°C), göreli nem, ışık yoğunluğu ve fotoperiyot gibi çevresel parametreler, tutarlılık ve tekrarlanabilirlik sağlamak için deney boyunca doğal olarak izlenip kontrol edildi.

Bitki yüksekliği haftalık olarak ölçülürken, biyokütle ve klorofil içeriği iki ay sonra ölçüldü. Veriler, p < 0.05'te varyans analizi (ANOVA) kullanılarak analiz edildi ve aynı anlamlılık seviyesinde Duncan'ın Çoklu Aralıklı Testi (DMRT) kullanılarak ortalama ayrım gerçekleştirildi.

Sonuçlar

Galangal'dan C-noktaların hazırlanması ve genel özellikleri

Şekil 1, etanol ve sulu çözeltilerde galangaldan yüksek floresan karbon nanodotların (C-noktalar) hazırlanmasının şemasını ve bunların yer fıstığı bitkisinin büyümesi için sensör ve besin kaynakları olarak kullanımını göstermektedir. C-noktalar, karbonizasyon yöntemiyle galangaldan hazırlanmıştır. Galangal, 200 °C'de 30 dakika boyunca ka...

Tartışma

Bu çalışma, galangaldan floresan karbon nanodotların (C-noktalar) basit bir karbonizasyon yöntemiyle başarılı bir şekilde üretildiğini göstermektedir. Hazırlanan C-noktalar, arzu edilen optik, yapısal ve biyolojik özellikler sergileyerek Fe³⁺ ve Mg²⁺ iyonları için sensör olarak ve yer fıstığı bitkisinin büyümesi için besin kaynakları olarak iki fonksiyonlu uygulamalarını destekledi. C-noktalarla işlenmiş fıstık bitkilerinde gözlemlenen gelişmiş vejetatif büyüme, C-n...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Aquadest	Water One	A-1708-5LT	Solvent for preparation of aqueous C-dot dispersions
Black soil and rice husk	Kupang City, East Nusa Tenggara Province, Indonesia'dan yerel ürün	N/A	Fıstık yetiştiriciliği için dikim ortamı
Centrifuge	LC-04S	N/A	C-dots'u karbon kalıntılarından ayırmak için kullanılır
Copper chloride dihydrate	Emsure	CAS No. 10125-13-0	PL söndürme deneyleri için metal iyon kaynağı
Dynamic light scattering instrument	BeNano 180 Zeta Pro	N/A	C-dots'un zeta potansiyeli ölçümlerinde kullanılır
Ethanol absolute for analysis	Emsure	CAS No. 64-17-5	C-dot dispersiyon ve sentezi için çözücü
Ferric chloride dihydrate	Emsure	CAS No. 10025-77-1	Algılama deneyleri için Fe3+ iyon kaynağı
FT/IR-4200 Fourier-transform infrared spectrophotometer	JASCO	FT/IR-4200	C-dots'un FTIR spektrumlarını ölçmek için kullanılır
Galangal (Alpinia galanga)	East Nusa Tenggara Province, Indonesia'dan yerel ürün	N/A	Floresan C-dots'un hazırlanması için karbon öncüsü
Magnesium chloride hexahydrate	Emsure	CAS No. 7791-18-6	Algılama deneyleri için Mg2+ iyon kaynağı
Phosphate-buffered saline (PBS)	Buana Laboratories	N/A	pH'ı korumak için kullanılan tampon çözeltisi
Polybag	Kupang City, East Nusa Tenggara Province, Indonesia'dan yerel ürün	N/A	Fıstık yetiştiriciliği için kullanılan kap
Spectrofluorometer	SHIMADZU	RF-6000	C-dots'un fotolüminesans spektrumlarını ölçmek için kullanılır
Transmission electron microscope (TEM)	JEOL	JEM-2100Plus	C-dots'un morfolojisini ve parçacık boyutunu araştırmak için kullanılır
Ultrasonic cleaner	Jewelry Cleaner	N/A	C-dots'un homojenizasyonu ve dağılımı için kullanılır
UV lamp (365 nm)	Sofim	N/A	C-dots'un floresan görselleştirmesi için kullanılır
UV spectrophotometer	JASCO	UV-570	C-dots'un absorpsiyon spektrumlarını ölçmek için kullanılır
X-ray diffractometer (XRD)	Bruker AXS	N/A	C-dots'un XRD desenlerini ölçmek için kullanılır
Zinc chloride	Emsure	CAS No. 7646-85-7	PL söndürme deneyleri için Zn2+ iyon kaynağı