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備報告植物中的砷含量，從而能夠實時監(jiān)測活植物中的砷吸收量。圖片來源：Tedrick Thomas Thomas Salim Lew博士

來自麻省理工學院在新加坡的研究企業(yè)新加坡-麻省理工研究與技術聯(lián)盟（SMART）的跨學科研究小組（IRG）的破壞性和可持續(xù)性農(nóng)業(yè)精度技術（DiSTAP）的科學家設計了一種新型的植物納米仿生光學傳感器可以實時檢測和監(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，該技術具有顯著的優(yōu)勢，并且對于環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)應用對維護食品安全都是重要的，因為砷是許多常見農(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院（MIT）的最新研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士領導，由DiSTAP的首席首席研究員Michael Strano和MIT的Carbon P. Dubbs教授共同撰寫。以及麻省理工學院的研究生Minkyung Park和崔建橋。

砷及其化合物對人類和生態(tài)系統(tǒng)構成嚴重威脅。長期暴露于人類的砷會導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（例如采礦和冶煉）導致土壤中砷含量升高，也對植物有害，抑制生長并導致大量農(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，導致糧食污染和人類消費的農(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，長期消耗砷會引起嚴重的健康問題。因此，開發(fā)準確，有效且易于部署的砷傳感器對于保護農(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)的這些新型光學納米傳感器在檢測到砷后??，其熒光強度就會發(fā)生變化。這些傳感器嵌入植物組織中，對植物無害，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)部動態(tài)。光學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)境轉化為自供電的砷檢測器，這標志著從傳統(tǒng)方法中費時和設備密集的砷采樣方法的重大升級。

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。時間，設備和人力。我們預想這項創(chuàng)新技術最終將在農(nóng)業(yè)及其他行業(yè)得到廣泛應用，我對SMART DiSTAP和淡馬錫生命科學實驗室（TLL）表示感謝，它們都有助于思想的產(chǎn)生，科學的討論。以及這項工作的研究經(jīng)費。”

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，而不會產(chǎn)生有害影響-設計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。這是第一個成功的基于活植物的砷傳感器的成功演示，代表了一項突破性的進步，可以證明在兩個農(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，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合在一起，可以通過根部有效地提取分析物并將其運輸，從而可以通過便攜式廉價電子設備（例如便攜式Raspberry Pi平臺）實時檢測活植物中的砷吸收量。配備了類似于智能手機相機的電荷耦合器件（CCD）相機。

共同作者，DiSTAP首席研究員，麻省理工學院的Michael Strano教授補充說：“這是一個令人激動的發(fā)展，因為我們首次開發(fā)了一種納米仿生傳感器，可以檢測砷（一種嚴重的環(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，因為它不僅比舊的方法更省時，而且更準確，更易于部署，也將有所幫助。 TLL等組織中的植物科學家進一步生產(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)，這項工作是為了進一步支持SMART DiSTAP在食品安全研究方面的努力，同時不斷創(chuàng)新和開發(fā)新技術以改善新加坡的食品質(zhì)量和安全。