Near-Infrared Nano-Photofertilizer with Red Emission and Micronutrient Release Co-Enhanced Crop Growth

Resumo

Fertilizantes convencionais frequentemente exibem baixa eficiência no uso de nutrientes e causam problemas ambientais significativos devido à lixiviação e volatilização. Para enfrentar esses desafios, foi desenvolvido um fertilizante nanofotônico multifuncional (L@MgMn) que integra conversão de luz, entrega de nutrientes e monitoramento de plantas. O sistema é baseado em nanopartículas dopadas com lantanídeos e sensibilizadas com enxofre (NaGdF₄:Yb, Er, S@NaGdF₄:Yb) que emitem luz de conversão ascendente (upconversion, UC) vermelho ultra brilhante do íon Er³⁺ sob excitação com laser no infravermelho próximo (NIR, 980 nm), enquanto suprime a emissão verde que não é eficientemente absorvido pelas plantas. Adicionalmente, a fluorescência secundária no infravermelho próximo-II (NIR-II) das nanopartículas possibilita rastrear seu movimento dentro dos tecidos vegetais. A casca de sílica co-dopada com Mg²⁺/Mn²⁺ não apenas reduz o intervalo de banda (bandgap), melhorando assim a geração de pares elétron-lacuna fotoinduzidos, mas também facilita a liberação dos íons metálicos pH-responsivos nas células vegetais. A aplicação de L@MgMn a 100 µg mL⁻¹ melhorou significativamente o desempenho fotossintético em Nicotiana benthamiana (tabaco selvagem), aumentando os níveis de clorofila a e b em 24,4% e 31,7%, e aumentando a biomassa em até 79,6%. O material também demonstrou boa atividade antioxidante e aderência às folhas, melhorando assim a eficiência de absorção de nutrientes. Este estudo introduz uma nanoplataforma que simultaneamente aumenta a utilização da luz, a disponibilidade de nutrientes e a tolerância das plantas ao estresse, oferecendo assim uma nova estratégia para a agricultura precisa e  sustentável.

Abstract

Conventional fertilizers often exhibit low nutrient-use efficiency and cause significant environmental issues owing to leaching and volatilization. To address these challenges, a multifunctional nanophotonic fertilizer (L@MgMn) is developed that integrates light conversion, nutrient delivery, and plant monitoring. The system is based on sulfur-sensitized, lanthanide-doped nanoparticles (NaGdF4:Yb, Er, S@NaGdF4:Yb) that emit ultrabright Er3+ red upconversion (UC) light under near-infrared (NIR, 980 nm) laser excitation, while suppressing green emission that is not efficiently absorbed by plants. Additionally, the secondary near-infrared (NIR-II) fluorescence of the nanoparticles makes it possible to track their movement inside plant tissues. The Mg2+/Mn2+ co-doped silica shell not only narrows the bandgap, thereby improving the generation of photoinduced electron-hole pairs, but also facilitates the pH-responsive release of metal ions in plant cells. Application of L@MgMn at 100 µg mL−1 significantly improves photosynthetic performance in Nicotiana benthamiana, increasing chlorophyll a and b levels by 24.4% and 31.7%, and enhancing biomass by up to 79.6%. The material also demonstrates good antioxidant activity and leaf adherence, thereby improving nutrient uptake efficiency. This study introduces a nanoplatform that simultaneously enhances light utilization, nutrient availability, and plant stress tolerance, thereby offering a new strategy for sustainable and precise agriculture.