研究人员开发出新型的植物纳米生物传感器来监测土壤中的砷含量

嵌入叶子中的无损植物纳米仿生传感器可向便携式电子设备报告植物中的砷含量，从而能够实时监测活植物中的砷吸收量。图片来源：Tedrick Thomas Thomas Salim Lew博士

来自麻省理工学院在新加坡的研究企业新加坡-麻省理工研究与技术联盟（SMART）的跨学科研究小组（IRG）的破坏性和可持续性农业精度技术（DiSTAP）的科学家设计了一种新型的植物纳米仿生光学传感器可以实时检测和监视地下环境中剧毒的重金属砷的含量。与砷在环境中的常规测量方法相比，该技术具有显着的优势，并且对于环境监测和农业应用对维护食品安全都是重要的，因为砷是许多常见农产品（例如大米，蔬菜和茶叶）中的污染物。

最近在Advanced Materials上发表的题为“用于砷检测的植物纳米生物传感器”的论文中描述了这种新方法。该论文由麻省理工学院（MIT）的最新研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士领导，由DiSTAP的首席首席研究员Michael Strano和MIT的Carbon P. Dubbs教授共同撰写。以及麻省理工学院的研究生Minkyung Park和崔建桥。

砷及其化合物对人类和生态系统构成严重威胁。长期暴露于人类的砷会导致多种有害的健康影响，包括心血管疾病，例如心脏病发作，糖尿病，先天缺陷，严重的皮肤损害以及许多癌症，包括皮肤，膀胱和肺部癌症。人为活动（例如采矿和冶炼）导致土壤中砷含量升高，也对植物有害，抑制生长并导致大量农作物损失。更令人不安的是，粮食作物可以吸收土壤中的砷，导致粮食污染和人类消费的农产品。地下环境中的砷也可能污染地下水和其他地下水源，长期消耗砷会引起严重的健康问题。因此，开发准确，有效且易于部署的砷传感器对于保护农业产业和更广泛的环境安全都很重要。

由SMART DiSTAP开发的这些新型光学纳米传感器在检测到砷后??，其荧光强度就会发生变化。这些传感器嵌入植物组织中，对植物无害，提供了一种非破坏性的方式来监测植物从土壤吸收的砷的内部动态。光学纳米传感器在活植物中的这种集成使植物能够从其自然环境转化为自供电的砷检测器，这标志着从传统方法中费时和设备密集的砷采样方法的重大升级。

首席作者Tedrick Thomas Salim Lew博士说：“我们的基于植物的纳米传感器不仅是同类产品中的首创，而且与地下环境中传统的砷含量测量方法相比，具有显着的优势，而该方法需要更少的成本。时间，设备和人力。我们预想这项创新技术最终将在农业及其他行业得到广泛应用，我对SMART DiSTAP和淡马锡生命科学实验室（TLL）表示感谢，它们都有助于思想的产生，科学的讨论。以及这项工作的研究经费。”

除了检测大米和菠菜中的砷外，研究小组还使用了一种蕨类植物凤尾蕨（Pteris cretica），它可以使砷超富。这种蕨类植物可以吸收和忍受高水平的砷，而不会产生有害影响-设计了一种基于植物的超灵敏砷检测器，能够检测非常低的砷浓度，低至十亿分之0.2（ppb）。相比之下，砷探测器的法规限制为十亿分之十。值得注意的是，新型纳米传感器也可以整合到其他植物物种中。这是第一个成功的基于活植物的砷传感器的成功演示，代表了一项突破性的进步，可以证明在两个农业研究中都非常有用（例如，监测食用作物吸收的砷以确保食品安全）），以及一般的环境监测。

以前，测量砷水平的常规方法包括常规田间采样，植物组织消化，质谱提取和分析。这些方法耗时，需要大量的样品处理，并且经常涉及使用笨重且昂贵的仪器。SMART DiSTAP的新颖方法将纳米传感器与植物的天然能力结合在一起，可以通过根部有效地提取分析物并将其运输，从而可以通过便携式廉价电子设备（例如便携式Raspberry Pi平台）实时检测活植物中的砷吸收量。配备了类似于智能手机相机的电荷耦合器件（CCD）相机。

共同作者，DiSTAP首席研究员，麻省理工学院的Michael Strano教授补充说：“这是一个令人激动的发展，因为我们首次开发了一种纳米仿生传感器，可以检测砷（一种严重的环境污染物和潜在的砷）。这种新型传感器具有比旧的砷检测方法无数的优势，因此它可以改变游戏规则，因为它不仅比旧的方法更省时，而且更准确，更易于部署，也将有所帮助。 TLL等组织中的植物科学家进一步生产能够抵抗有毒元素吸收的农作物，受到TLL最近致力于生产砷含量低的水稻作物的启发，这项工作是为了进一步支持SMART DiSTAP在食品安全研究方面的努力，同时不断创新和开发新技术以改善新加坡的食品质量和安全。

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