DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34499-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559124
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: A. M. Hassan Rezk وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات النقاط الكربونية والكمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تخليق نقاط الكربون (CDs) من جل الألوة فيرا باستخدام طريقة هيدروحرارية خضراء من خطوة واحدة، مع التركيز على تحسين معلمات التخليق مثل درجة الحرارة (180-240 °م) والمدة (4-16 ساعة). من خلال التجارب المنهجية، تؤسس الدراسة علاقة بين التخليق والتركيب والخصائص، كاشفة أن الظروف المثلى (240 °م لمدة 12 ساعة) تنتج عائد كوانتي للفوتولومينسنس (PLQY) بنسبة 3.5%. تظهر نقاط الكربون الناتجة خصائص فلورية ممتازة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاستشعار.
تعمل نقاط الكربون المُصنعة كجهاز استشعار درجة حرارة في الحالة الصلبة، حيث تُظهر استجابة حرارية ملحوظة عبر نطاق من 298 إلى 393 كلفن، مع حساسية معززة في منطقتين حراريتين متميزتين. بالإضافة إلى ذلك، تعمل كأجهزة استشعار pH فعالة عبر نطاق واسع (pH 3-12) وتظهر انتقائية ملحوظة لأيونات Fe³⁺، محققة حد كشف (LOD) قدره 16.15 نانومتر، وهو الأدنى المُبلغ عنه لنقاط الكربون المُصنعة هيدروحرارياً من مواد أولية طبيعية. تبرز الدراسة التطبيق العملي لهذه النقاط في مراقبة البيئة، مُظهرة استقرارها تحت ظروف قوة أيونية عالية وقدرات الكشف الفعالة في عينات المياه الحقيقية. بشكل عام، تُعزز هذه الدراسة من إمكانيات نقاط الكربون المستمدة من الألوة فيرا كمواد فلورية متعددة الوظائف، مقدمة إطار عمل لهندسة نقاط الكربون المستمدة من الكتلة الحيوية المخصصة لتطبيقات الاستشعار المحددة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد التجريبية المستخدمة في دراستهم. تم الحصول على الألوة فيرا الطازجة من سوق محلي في الإسكندرية، مصر، بينما تم شراء مواد كيميائية متنوعة من موردين موثوقين. تم الحصول على كبريتات الكينين وهيدروكسيد الصوديوم من سيغما ألدريتش، وتم الحصول على مجموعة من الأحماض وأيونات المعادن من فيشر ساينتيفيك. تضمنت أيونات المعادن نترات الكوبالت (II) سداسية الماء \((\text{Co(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6 \text{H}_2\text{O})\)، كلوريد الكادميوم (II) ثنائي الماء \((\text{CdCl}_2 \cdot 2 \text{H}_2\text{O})\)، كبريتات المغنيسيوم (VII) \((\text{MgSO}_4 \cdot 7 \text{H}_2\text{O})\)، كلوريد الكالسيوم \((\text{CaCl}_2)\)، كلوريد الحديد (III) \((\text{FeCl}_3)\)، كلوريد الليثيوم \((\text{LiCl})\)، كلوريد الصوديوم \((\text{NaCl})\)، نترات النيكل (II) سداسية الماء \((\text{Ni(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6 \text{H}_2\text{O})\)، كلوريد الألمنيوم سداسي الماء \((\text{AlCl}_3 \cdot 6 \text{H}_2\text{O})\)، كلوريد الزنك \((\text{ZnCl}_2)\)، كلوريد النحاس (II) ثنائي الماء \((\text{CuCl}_2 \cdot 2 \text{H}_2\text{O})\)، كلوريد الزئبق (II) \((\text{HgCl}_2)\)، وكلوريد الحديد (II) رباعي الماء \((\text{FeCl}_2 \cdot 4 \text{H}_2\text{O})\). تسلط هذه القائمة الشاملة من المواد الضوء على تركيز الدراسة على التفاعلات بين الألوة فيرا ومواد كيميائية متنوعة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف نقاط الكربون (CDs) المستمدة من جل الألوة فيرا من خلال طريقة هيدروحرارية. شمل التخليق تغيير درجات الحرارة (180 °م إلى 240 °م) وأوقات التفاعل (4 إلى 16 ساعة)، مع الحفاظ على نسبة ثابتة من الماء إلى الألوة فيرا. أظهرت نقاط الكربون الناتجة خصائص بصرية مميزة، حيث تأثرت شدة الفوتولومينسنس (PL) بكل من درجة الحرارة ومدة التخليق. من الجدير بالذكر أن شدة الفوتولومينسنس بلغت ذروتها عند الظروف المثلى قبل أن تنخفض بسبب الكربنة الزائدة. كشفت أطياف الامتصاص عن تغييرات كبيرة مع درجة الحرارة، مما يشير إلى انتقال من أسطح نقاط الكربون الأكثر عيباً إلى الأسطح الأكثر تجانساً مع زيادة درجة حرارة التخليق.
أكدت تقنيات التوصيف مثل المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وطيف الأشعة السينية (XPS) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) الخصائص الهيكلية والكيميائية لنقاط الكربون. أظهرت قياسات الجهد الزتاوي أن درجات حرارة التخليق الأعلى أدت إلى نقاط كربون ذات نوى كربونية أكثر كثافة وأقل عددًا من المجموعات الوظيفية السطحية، مما يؤثر على استقرارها وخصائصها البصرية. وُجد أن عائد الفوتولومينسنس الكوانتي (PLQY) يزداد مع درجة الحرارة، حيث يصل إلى الحد الأقصى عند 240 °م بعد 12 ساعة، قبل أن ينخفض بسبب احتمال تكوين العيوب. بالإضافة إلى ذلك، عرضت نقاط الكربون سلوك فلوريسنت يعتمد على pH، حيث تزداد الشدة في ظروف قلوية خفيفة قبل أن تنخفض عند مستويات pH أعلى، مما يشير إلى أن المجموعات الوظيفية السطحية تلعب دورًا حاسمًا في تعديل الخصائص البصرية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على العلاقة المعقدة بين ظروف التخليق والخصائص البصرية والهيكلية الناتجة لنقاط الكربون، مما يمهد الطريق لتطبيقات محتملة في مجالات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34499-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559124
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): A. M. Hassan Rezk et al.
Primary Topic: Carbon and Quantum Dots Applications
Overview
This research presents the synthesis of carbon dots (CDs) from Aloe vera gel using a green, one-step hydrothermal method, emphasizing the optimization of synthesis parameters such as temperature (180-240 °C) and duration (4-16 hours). Through systematic experimentation, the study establishes a synthesis-structure-property relationship, revealing that the optimal conditions (240 °C for 12 hours) yield a photoluminescence quantum yield (PLQY) of 3.5%. The resulting CDs exhibit excellent fluorescent properties, making them suitable for various sensing applications.
The synthesized CDs function as a solid-state temperature probe, demonstrating significant thermal responsivity across a range of 298 to 393 K, with enhanced sensitivity in two distinct temperature regions. Additionally, they serve as effective pH sensors across a broad range (pH 3-12) and show remarkable selectivity for Fe³⁺ ions, achieving a limit of detection (LOD) of 16.15 nM, the lowest reported for hydrothermally synthesized CDs from natural precursors. The study highlights the practical applicability of these CDs in environmental monitoring, showcasing their stability under high ionic strength conditions and effective detection capabilities in real water samples. Overall, this work advances the potential of Aloe vera-derived CDs as multifunctional fluorescent materials, providing a framework for the engineering of biomass-derived CDs tailored for specific sensing applications.
Methods
In this section, the authors detail the experimental materials utilized in their study. Fresh Aloe Vera was sourced from a local market in Alexandria, Egypt, while various chemicals were procured from reputable suppliers. Quinine sulfate and sodium hydroxide were obtained from Sigma Aldrich, and a range of acids and metal ions were acquired from Fisher Scientific. The metal ions included cobalt(II) nitrate hexahydrate \((\text{Co(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6 \text{H}_2\text{O})\), cadmium(II) chloride dihydrate \((\text{CdCl}_2 \cdot 2 \text{H}_2\text{O})\), magnesium sulfate heptahydrate \((\text{MgSO}_4 \cdot 7 \text{H}_2\text{O})\), calcium chloride \((\text{CaCl}_2)\), iron(III) chloride \((\text{FeCl}_3)\), lithium chloride \((\text{LiCl})\), sodium chloride \((\text{NaCl})\), nickel(II) nitrate hexahydrate \((\text{Ni(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6 \text{H}_2\text{O})\), aluminum chloride hexahydrate \((\text{AlCl}_3 \cdot 6 \text{H}_2\text{O})\), zinc chloride \((\text{ZnCl}_2)\), copper(II) chloride dihydrate \((\text{CuCl}_2 \cdot 2 \text{H}_2\text{O})\), mercury(II) chloride \((\text{HgCl}_2)\), and iron(II) chloride tetrahydrate \((\text{FeCl}_2 \cdot 4 \text{H}_2\text{O})\). This comprehensive list of materials underscores the study’s focus on the interactions between Aloe Vera and various chemical agents.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of carbon dots (CDs) derived from Aloe vera gel through a hydrothermal method are discussed. The synthesis involved varying temperatures (180 °C to 240 °C) and reaction times (4 to 16 hours), maintaining a consistent water-to-aloe vera ratio. The resulting CDs exhibited distinct optical properties, with photoluminescence (PL) intensity influenced by both temperature and synthesis duration. Notably, the PL intensity peaked at optimal conditions before declining due to over-carbonization. The absorption spectra revealed significant changes with temperature, indicating a transition from more defective to more uniform CD surfaces as the synthesis temperature increased.
Characterization techniques such as transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the structural and chemical properties of the CDs. The zeta potential measurements indicated that higher synthesis temperatures resulted in CDs with denser carbon cores and fewer surface functional groups, affecting their stability and optical characteristics. The PL quantum yield (PLQY) was found to increase with temperature, reaching a maximum at 240 °C after 12 hours, before decreasing due to potential defect formation. Additionally, the CDs displayed pH-dependent fluorescence behavior, with intensity increasing in mildly alkaline conditions before declining at higher pH levels, suggesting that surface functional groups play a critical role in modulating optical properties. Overall, the findings highlight the intricate relationship between synthesis conditions and the resultant optical and structural properties of the CDs, paving the way for potential applications in various fields.