鋅摻雜熒光硅量子點作為葉面光肥對生菜生長的影響

孫倩,崔曦鵬,葉勇,何瑜

(1.湖北大學化學化工學院, 湖北 武漢 430062; 2.湖北百杰瑞新材料股份有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引言

光是萬物之源,太陽光中促進綠色植物生長發育效果最明顯的是藍光和紅光。藍光有利于植物葉片生長,在植物的向光性中起主要作用。紅光能促進植物發芽、開花、結果,以及葉綠體的合成[1]。然而,還有一些波段的光無法被植物有效利用。如何提高植物對光能利用率的問題一直備受關注。目前有改造植物內部基因[2-3]和創造外部環境[4-6]兩方面來提高植物光能利用率的方法。相比于改造植物內部基因,創造植物外部環境進行調節的方法成本更低、更加簡便高效。因此噴施葉面光肥,將葉綠素無法吸收的紫外線、黃綠色或近紅外光轉化為葉綠素可以有效吸收的光,提高植物對光能利用效率的研究已成為相關領域熱點。

納米顆粒一般都擁有巨大的比表面積和較高的表面能,常被應用于涂料、農業、生物和醫藥[7]等領域,在土壤和肥料的應用方面也有新的突破[8]。Liscano等人報道,肥料的顆粒尺寸減小能增大比表面積和肥料的溶解速率,從而加速植物對肥料的吸收[9]。關于納米肥料對植物生長影響的研究也越來越多。葉面施用的金納米顆粒能夠通過直接滲透和氣孔口運輸而被西瓜吸收[10]。在葉面施用納米氧化鋅顆粒對花生種子萌發、生長和產量均有促進作用[11]。納米粒子具有光學性質穩定、光吸收率大、發射可調、毒性低等優點,因此許多發光納米粒子可作為葉面光肥促進植物光合作用。例如,Li等報道了具有優異水溶性、低細胞毒性和生物相容性的遠紅外碳點可作為增強光合作用的有效捕光劑[12]。Pan等將高分散二氧化鈦納米粒子作為葉面光肥與葉綠體(CLP)相互作用,增強光生電子轉移,從而增強光合作用[13]。Lei課題組首次用熒光硅量子點(SiQDs)作人工天線來增強生菜的采光能力,該量子點能顯著促進意大利生菜幼苗的生長和可溶性糖含量的提高[14-15]。目前來看,SiQDs的合成原料豐富、制備簡單、水溶性好、光譜吸收范圍寬、光學性質穩定、低毒且生物相容性好[16],因此在葉面光肥領域具有光明的應用前景。隨著全球溫室效應的加劇,紫外線輻射的強度持續增加,開發能夠吸收紫外光的SiQDs對促進植物的光合作用具有重要意義。

本研究以DAMO分子作為硅源,檸檬酸鈉作為還原劑,加入六水硝酸鋅,200 ℃下水熱合成了一種高分散性、光學性能穩定的鋅摻雜硅量子點(Si@Zn QDs),并且探討不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs作為葉面光肥對生菜生長的影響。與未摻雜鋅的硅量子點相比,Si@Zn QDs擁有更高的熒光強度和熒光量子產率,能夠提高光能利用率。硅肥有助于植物抵抗生物或非生物脅迫,如重金屬毒性、干旱、鹽濃度過高、細菌和病毒[17-18]。同時,鋅肥可以提高葉綠體中的光合色素含量和促進生長素的合成[19]。缺鋅植株會發黃矮化、葉小而變形,對農作物的產量及品質造成嚴重影響[20]。因此,施用螯合硅鋅型納米葉面光肥,既能利用其光肥功能,提高光能利用率,又兼備Si、Zn元素本身對植物生長的積極作用,對生菜的干鮮質量、光合色素含量和蛋白質含量有著更明顯的促進效果。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與試劑

N-氨乙基-γ-氨丙基二甲氧基硅烷(DAMO)、六水硝酸鋅、2,6-二氯苯酚靛酚(DCPIP)、蔗糖、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、牛血清白蛋白、考馬斯亮G-250均購于上海麥克林生化科技有限公司,氯化鉀購于汕頭市化學試劑廠有限公司,檸檬酸鈉購于天津博迪化工有限公司,無水乙醇、丙酮均購于上海國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 Si@Zn QDs的合成

參考Cui等方法制備Si@Zn QDs[21]。稱取0.15 g檸檬酸鈉加入到8 mL純水中,混合攪拌的同時持續通入氮氣20 min。接著加入6 mL DAMO,繼續通入氮氣并攪拌20 min來制備前驅體溶液。然后將一定量的Zn(NO3)2·6H2O(0、0.125、0.25、0.5 mmol)加入到水溶液中并攪拌30 min。接下來,將混合物溶液加入到25 mL聚四氟乙烯襯里的高壓釜中,置于反應溫度為200 ℃的烘箱中12 h。自然冷卻至室溫后透析(截余分子量:500 Da)12 h,冷凍干燥得到目標產物SiQDs和Si@Zn QDs (0.05%、0.10%、0.20%(質量分數,下同))。

1.3 樣品表征

使用透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM;型號:JEOL-2100)及 Nano Measurer 對樣品形貌及粒徑大小進行表征。使用傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy,FT IR;型號:Perkin-Elmer,Spectrum one)和X射線電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS;型號:Thermo Scientific,VGEscalab 200)對樣品進行官能團鑒定。使用熒光光譜儀(型號: Perkin Elmer,LS55)測試樣品的激發、發射熒光光譜(photoluminescence spectroscopy,PL)。使用熒光光譜儀(型號:Edinburgh Instruments,FLS1000)表征樣品的熒光壽命及絕對量子產率。使用紫外分光光度計(型號: Perkin-Elmer,Lambda 35)測試樣品的紫外-可見吸收光譜。

1.4 希爾反應活性檢測

搗碎新鮮的生菜葉片,加入蔗糖磷酸緩沖液(包含0. 4 mol/L蔗糖、10 mmol/L氯化鉀、30 mmol/L磷酸氫二鈉和20 mmol/L磷酸二氫鉀),過濾得到葉綠體粗提液。將粗提液離心(1 000 r·min-1)3 min,接著取上層液體離心(3 000 r·min-1)3 min得底部沉淀葉綠體。將所得葉綠體再次分散在蔗糖磷酸緩沖液,得葉綠體懸浮液。取0.10 mL葉綠體懸浮液加入到4.9 mL乙醇和丙酮的混合物中測量OD650吸光值,測量用于希爾反應活性檢測的葉綠體懸浮液濃度。取2.0 mL葉綠體懸浮液(652.05 mg·L-1)與2.0 mL Si@Zn QDs分散液混合2 h。隨后加入1.0 mL 500 μmol/L的DCPIP溶液。在50 W的氙燈下照射10 min,每2 min測定OD600吸光值。

1.5 生菜應用

生菜種植:品種為“意大利耐抽苔生菜”。營養液配方購于河北乾元水培電子科技有限公司。環境溫度為25 ～ 30 ℃,光源為通用白色 LED 燈,光照10 h,黑暗14 h。光照的同時輔以波長為365 nm的紫外燈光照4 h。生菜處理:幼苗長至3葉1心時,將幼苗轉移到水培架上定植14 d。每隔2 d將Si@Zn QDs的分散液均勻地噴施于生菜葉面上,每組3個重復,14 d后采收,測定相關指標。

1.6 光合色素含量測定

光合色素含量的測定采用丙酮乙醇混合法。取生菜鮮樣葉片切碎混勻,準確稱取0.2 g于20 mL丙酮/無水乙醇(1∶1)溶液的管中浸泡,放置在室溫黑暗條件下,葉片完全變白為止,取上清液,利用分光光度計分別測定OD663、OD645和OD440吸光值。

1.7 可溶性蛋白含量測定

可溶性蛋白測量采用考馬斯亮藍G-250染色法[22]:稱取0.5 g葉片鮮樣,加5 mL去離子水,在去離子水中研磨成勻漿后采用離心機于4 000 r·min-1離心10 min。取0.1 mL上清液加入0.9 mL蒸餾水和5 mL考馬斯亮藍G-250試劑,混勻放置3 min后測定OD595吸光值。

2 結果與討論

2.1 SiQDs和Si@Zn QDs的表征

圖1 (a)Si@Zn0.10% QDs的TEM圖像(插圖為尺寸分布圖);(b)SiQDs和Si@Zn0.10% QDs的XRD圖;(c)SiQDs和Si@Zn0.10% QDs的紫外-可見吸收光譜;(d) SiQDs和Si@Zn0.10% QDs的FTIR光譜

圖2 (a) Si@Zn0.10% QDs 的 XPS 圖;(b) ～ (f)C 1s、N 1s、 O 1s、 Si 2p和Zn 2p的分峰擬合能譜圖

接下來對Si@Zn0.10%QDs 進行光學性質表征,如圖3(a)所示,在360 nm的激發下,Si@Zn QDs的最佳發射為445 nm,屬于藍色熒光。隨著鋅摻雜量的增加,其熒光強度增強。圖3(b)是Si@Zn0.10%QDs的激發和發射光譜,在445 nm的最佳發射下,出現242 nm和360 nm兩個激發峰,和它的紫外-可見吸收光譜相對應。隨著激發波長的改變,Si@Zn QDs的激發峰位置保持不變,說明Si@Zn QDs沒有激發依賴效應。同時,本研究制備的Si@Zn0.10%QDs絕對量子產率為69.04%,相較于SiQDs絕對量子產率57.46%,具有更高的發光效率,為提高光能利用率提供了條件。

圖3 (a)SiQDs、Si@Zn 0.05% QDs、 Si@Zn 0.10% QDs、Si@Zn 0.20% QDs在360 nm激發下的熒光發射光譜;(b)Si@Zn0.10%QDs的激發和發射光譜;圖b的插圖:左側和右側分別為在日光和紫外光(365 nm)照射下拍攝的 Si@Zn0.10% QDs溶液照片

2.2 Si@Zn QDs對CLP的影響

圖4(a)是CLP的激發和發射光譜,最佳激發波長和發射波長分別為430 nm和680 nm。通過CLP的紫外-可見吸收光譜可知,葉綠體進行光合作用的有效吸收范圍主要在400～700 nm。我們發現Si@Zn QDs所發的藍光正好處于生菜葉綠體光合作用的有效吸收范圍內(圖4(b)),說明Si@Zn QDs能將植物不可吸收的紫外光轉化為藍光,從而被葉綠體有效地直接利用。如圖4(c)所示,隨著逐滴加入CLP到Si@Zn QDs溶液中,在360 nm的激發下,445 nm的熒光峰逐漸猝滅。根據Si@Zn QDs的發射光譜與CLP的紫外吸收光譜顯著重疊(圖4(b)),推測其猝滅機理可能是內濾效應或能量共振轉移。為了驗證可能的機理,測定加入CLP前后Si@Zn QDs的熒光壽命。如圖4(d)所示,加入CLP前后Si@Zn QDs熒光壽命分別為10.44 ns和10.35 ns,沒有明顯變化,證實Si@Zn QDs與CLP之間存在內濾效應。

圖4 (a)CLP的熒光激發和發射光譜;(b)歸一化的CLP紫外-可見光吸收光譜和在360 nm激發下Si@Zn QDs的熒光光譜;(c)在360 nm的激發下,隨著CLP的逐漸滴加Si@Zn QDs的熒光光譜;(d)在450 nm發射下監測Si@Zn QDs和Si@Zn QDs/CLP的壽命衰減曲線

2.3 希爾反應活力檢測

在光照條件下,葉綠體裂解水,釋放氧氣并還原電子受體(如DCPIP、苯醌、NADP+、NAD+等)的反應稱作希爾反應[30]。通過希爾反應活性檢測,我們能比較生菜的葉綠體活性。為了驗證葉綠體是否將吸收的藍光用于光合作用,以及不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs對光合作用的影響,我們進行希爾反應活性檢測。觀察不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs對葉綠體還原DCPIP的影響規律。圖5(a)是不同鋅摻雜量量子點對葉綠體還原DCPIP的影響,我們發現摻雜鋅元素過后,被還原的DCPIP量增多,代表著光反應中電子傳遞速率加快,說明生菜的葉綠體能夠吸收Si@Zn QDs發射的藍光并用于光合作用,提高光能利用率。Si@Zn QDs的鋅摻雜量為0.10%時,對葉綠體光合作用的促進效果最明顯。圖5(b)是不同濃度Si@Zn0.10%QDs對葉綠體還原DCPIP的影響,我們發現在一定的濃度范圍內,Si@Zn0.10%QDs的濃度越大,對葉綠體光合作用的促進效果越明顯。

圖5 SiQDs和Si@Zn QDs對葉綠體還原DCPIP的影響 (ΔAbs表示DCPIP還原速率)(a)不同鋅摻雜量的Si@Zn QDs;(b)不同濃度的Si@Zn0.10% QDs

2.4 摻鋅葉面光肥對生菜的影響

2.4.1 不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs對生菜生長的作用

如圖6(a)所示,與噴灑清水的空白對照組相比,噴灑不同鋅摻雜量的Si@Zn QDs分散液(100 mg·L-1)時,生菜的干、鮮質量均有提高,說明Zn元素對生菜的生長有促進效果。其中,當鋅摻雜量為0.1%時,Si@Zn QDs對生菜干、鮮質量的提高效果最明顯,與希爾反應反應活性檢測相一致。與對照組相比,干質量和鮮質量分別增加41.64%和52.20%. 當鋅摻雜量為0.20%時,Si@Zn QDs對生菜干、鮮質量的促進效果反而減弱。這可能是生菜對鋅的吸收已滿足生菜正常生長的需要,鋅含量過高抑制植物中其他離子的含量導致促進效果減弱[31]。如圖6(b)所示,在5～100 mg·L-1的Si@Zn0.10%QDs濃度范圍內,隨著Si@Zn0.10%QDs濃度升高,生菜中干、鮮質量也隨之增加。與對照組相比,鮮質量分別增加17.27%、26.28%、40.06%和50.19%,干質量分別增加9.54%、33.12%、47.30%和57.59%。

圖6 (a)不同鋅摻雜量Si@Zn QDs (100 mg·L-1)對生菜干質量和鮮質量的影響(CK為用清水處理的對照組和(b)不同濃度Si@Zn0.10% QDs對生菜干質量和鮮質量的影響(圖內不同字母表示各處理在0.05水平的差異顯著性)

2.4.2 不同濃度Si@Zn0.10%QDs對生菜葉片光合色素的影響

為進一步確定Si@Zn QDs對生菜光合作用的影響,我們采用丙酮乙醇混合法測定不同濃度Si@Zn0.10%QDs處理后的生菜葉片中光合色素含量。葉綠素作為植物光合作用中的主要色素,在光吸收和轉化為化學能中起著核心作用。如圖7所示,在0～100 mg·L-1的范圍內,光合色素含量隨著Si@Zn0.10%QDs濃度的升高而增大。相比于空白對照組,100 mg·L-1的Si@Zn0.10%QDs處理后的生菜葉片中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量分別提高了60.56%、56.37%、61.20%和49.75%。由此可見,生菜幼苗能夠吸收來自Si@Zn QDs的轉換光,使葉綠素含量增加,促進光合作用以及生菜幼苗的生長。

2.4.3 不同濃度Si@Zn0.10%QDs對生菜蛋白質含量的影響

此外,我們還采用考馬斯亮藍G-250染色法測定不同濃度Si@Zn0.10%QDs處理的生菜中可溶性蛋白含量。如圖8所示,在0～100 mg·L-1的Si@Zn0.10%QDs濃度范圍內,隨著濃度升高,生菜中可溶性蛋白含量增大,與對照組相比分別增加5.44%、12.99%、22.10%和29.90%。這說明Si@Zn0.10%QDs作為葉面光肥能夠提高生菜中蛋白含量。通過以上實驗,我們可知摻鋅葉面光肥對生菜的干鮮質量、光合色素含量以及蛋白質含量的提高均有促進作用。

圖8 Si@Zn0.10% QDs的濃度對生菜蛋白質含量的影響CK為用清水處理的對照組,不同字母表示各處理在0.05水平的差異顯著性

3 結論

采用水熱法成功制備了小尺寸、水溶性好、性能優異的Si@Zn QDs。Si@Zn QDs在360 nm的紫外光激發下產生能與葉綠體的吸收相匹配的藍色發射,Si@Zn QDs與葉綠體混合時,熒光峰被猝滅,其原理是內濾效應。通過希爾反應活性檢測表明,Si@Zn QDs與葉綠體共存時,能夠提高葉綠體的電子傳遞速率。通過生菜種植實驗,證實適宜鋅摻雜量的 Si@Zn QDs作為葉面光肥能夠將太陽能的紫外光轉化為植物可吸收的藍光,促進生菜的光合過程,提高能量的利用和轉換效率,也減弱了紫外線對植物的毒性。同時,Si@Zn QDs能夠顯著提高生菜的干鮮質量、光合色素含量和蛋白質含量。因此,本研究表明,Si@Zn QDs利用熒光硅量子點的轉光功能及鋅元素的營養作用,作為葉面光肥應用于生菜種植具有一定的可行性和有效性。