嵌入葉子中的無損植物納米仿生傳感器可向便攜式電子設(shè)備報(bào)告植物中的砷含量，從而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測活植物中的砷吸收量。圖片來源：Tedrick Thomas Thomas Salim Lew博士

來自麻省理工學(xué)院在新加坡的研究企業(yè)新加坡-麻省理工研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）的跨學(xué)科研究小組（IRG）的破壞性和可持續(xù)性農(nóng)業(yè)精度技術(shù)（DiSTAP）的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種新型的植物納米仿生光學(xué)傳感器可以實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)視地下環(huán)境中劇毒的重金屬砷的含量。與砷在環(huán)境中的常規(guī)測量方法相比，該技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，并且對(duì)于環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)應(yīng)用對(duì)維護(hù)食品安全都是重要的，因?yàn)樯槭窃S多常見農(nóng)產(chǎn)品（例如大米，蔬菜和茶葉）中的污染物。

最近在Advanced Materials上發(fā)表的題為“用于砷檢測的植物納米生物傳感器”的論文中描述了這種新方法。該論文由麻省理工學(xué)院（MIT）的最新研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士領(lǐng)導(dǎo)，由DiSTAP的首席首席研究員Michael Strano和MIT的Carbon P. Dubbs教授共同撰寫。以及麻省理工學(xué)院的研究生Minkyung Park和崔建橋。

砷及其化合物對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。長期暴露于人類的砷會(huì)導(dǎo)致多種有害的健康影響，包括心血管疾病，例如心臟病發(fā)作，糖尿病，先天缺陷，嚴(yán)重的皮膚損害以及許多癌癥，包括皮膚，膀胱和肺部癌癥。人為活動(dòng)（例如采礦和冶煉）導(dǎo)致土壤中砷含量升高，也對(duì)植物有害，抑制生長并導(dǎo)致大量農(nóng)作物損失。更令人不安的是，糧食作物可以吸收土壤中的砷，導(dǎo)致糧食污染和人類消費(fèi)的農(nóng)產(chǎn)品。地下環(huán)境中的砷也可能污染地下水和其他地下水源，長期消耗砷會(huì)引起嚴(yán)重的健康問題。因此，開發(fā)準(zhǔn)確，有效且易于部署的砷傳感器對(duì)于保護(hù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和更廣泛的環(huán)境安全都很重要。

由SMART DiSTAP開發(fā)的這些新型光學(xué)納米傳感器在檢測到砷后??，其熒光強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。這些傳感器嵌入植物組織中，對(duì)植物無害，提供了一種非破壞性的方式來監(jiān)測植物從土壤吸收的砷的內(nèi)部動(dòng)態(tài)。光學(xué)納米傳感器在活植物中的這種集成使植物能夠從其自然環(huán)境轉(zhuǎn)化為自供電的砷檢測器，這標(biāo)志著從傳統(tǒng)方法中費(fèi)時(shí)和設(shè)備密集的砷采樣方法的重大升級(jí)。

首席作者Tedrick Thomas Salim Lew博士說：“我們的基于植物的納米傳感器不僅是同類產(chǎn)品中的首創(chuàng)，而且與地下環(huán)境中傳統(tǒng)的砷含量測量方法相比，具有顯著的優(yōu)勢，而該方法需要更少的成本。時(shí)間，設(shè)備和人力。我們預(yù)想這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)最終將在農(nóng)業(yè)及其他行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，我對(duì)SMART DiSTAP和淡馬錫生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（TLL）表示感謝，它們都有助于思想的產(chǎn)生，科學(xué)的討論。以及這項(xiàng)工作的研究經(jīng)費(fèi)。”

除了檢測大米和菠菜中的砷外，研究小組還使用了一種蕨類植物鳳尾蕨（Pteris cretica），它可以使砷超富。這種蕨類植物可以吸收和忍受高水平的砷，而不會(huì)產(chǎn)生有害影響-設(shè)計(jì)了一種基于植物的超靈敏砷檢測器，能夠檢測非常低的砷濃度，低至十億分之0.2（ppb）。相比之下，砷探測器的法規(guī)限制為十億分之十。值得注意的是，新型納米傳感器也可以整合到其他植物物種中。這是第一個(gè)成功的基于活植物的砷傳感器的成功演示，代表了一項(xiàng)突破性的進(jìn)步，可以證明在兩個(gè)農(nóng)業(yè)研究中都非常有用（例如，監(jiān)測食用作物吸收的砷以確保食品安全）），以及一般的環(huán)境監(jiān)測。

以前，測量砷水平的常規(guī)方法包括常規(guī)田間采樣，植物組織消化，質(zhì)譜提取和分析。這些方法耗時(shí)，需要大量的樣品處理，并且經(jīng)常涉及使用笨重且昂貴的儀器。SMART DiSTAP的新穎方法將納米傳感器與植物的天然能力結(jié)合在一起，可以通過根部有效地提取分析物并將其運(yùn)輸，從而可以通過便攜式廉價(jià)電子設(shè)備（例如便攜式Raspberry Pi平臺(tái)）實(shí)時(shí)檢測活植物中的砷吸收量。配備了類似于智能手機(jī)相機(jī)的電荷耦合器件（CCD）相機(jī)。

共同作者，DiSTAP首席研究員，麻省理工學(xué)院的Michael Strano教授補(bǔ)充說：“這是一個(gè)令人激動(dòng)的發(fā)展，因?yàn)槲覀兪状伍_發(fā)了一種納米仿生傳感器，可以檢測砷（一種嚴(yán)重的環(huán)境污染物和潛在的砷）。這種新型傳感器具有比舊的砷檢測方法無數(shù)的優(yōu)勢，因此它可以改變游戲規(guī)則，因?yàn)樗�不僅比舊的方法更省時(shí)，而且更準(zhǔn)確，更易于部署，也將有所幫助。 TLL等組織中的植物科學(xué)家進(jìn)一步生產(chǎn)能夠抵抗有毒元素吸收的農(nóng)作物，受到TLL最近致力于生產(chǎn)砷含量低的水稻作物的啟發(fā)，這項(xiàng)工作是為了進(jìn)一步支持SMART DiSTAP在食品安全研究方面的努力，同時(shí)不斷創(chuàng)新和開發(fā)新技術(shù)以改善新加坡的食品質(zhì)量和安全。