研究人员开发新型植物纳米仿生传感器来监测土壤中的砷含量

嵌入叶片中的非破坏性植物纳米仿生传感器，将植物内的砷含量报告给便携式电子设备，从而实时监测活植物中砷的吸收。来源：泰德里克·托马斯·萨利姆·卢博士

来自农业精度颠覆性和可持续技术（DiSTAP）的科学家，这是麻省理工学院在新加坡的研究企业新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的跨学科研究小组（IRG），他们设计了一种新型的植物纳米仿生光学传感器，可以实时检测和监测地下环境中剧毒重金属砷的水平。与用于测量环境中砷的传统方法相比，这一发展具有显着优势，并且对于环境监测和农业应用以保护食品安全非常重要，因为砷是许多常见农产品（如大米，蔬菜和茶叶）中的污染物。

这种新方法在近期发表在Advanced Materials上的一篇题为“用于砷检测的植物纳米生物传感器”的论文中进行了描述。该论文由麻省理工学院（MIT）近期的研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士领导，并由麻省理工学院DiSTAP和Carbon P. Dubbs教授Michael Strano以及麻省理工学院的研究生Minkyung Park和Jianqiao Cui共同撰写。

砷及其化合物对人类和生态系统构成严重威胁。长期接触人类砷会导致广泛的有害健康影响，包括心血管疾病，如心脏病发作、糖尿病、出生缺陷、严重的皮肤病变和许多癌症，包括皮肤、膀胱和肺癌。采矿和冶炼等人为活动导致土壤中砷含量升高，也对植物有害，压制生长并导致大量作物损失。更令人不安的是，粮食作物可以从土壤中吸收砷，导致人类消费的食物和农产品受到污染。地下环境中的砷也会污染地下水和其他地下水源，长期食用这些砷会导致严重的健康问题。因此，开发准确、有效且易于部署的砷传感器对于保护农业和更广泛的环境安全非常重要。

这些由SMART DiSTAP开发的新型光学纳米传感器在检测到砷时表现出荧光强度的变化。这些传感器嵌入植物组织中，对植物没有不利影响，提供了一种非破坏性的方式来监测植物从土壤中吸收的砷的内部动力学。这种在活植物中光学纳米传感器的集成使植物能够从其自然环境中转化为自供电的砷检测器，这标志着对当前传统方法的时间和设备密集型砷采样方法的重大升级。

主要作者Tedrick Thomas Salim Lew博士说：“我们的植物基纳米传感器不仅因其同类产品中的引人注目，而且还因为它比测量地下环境中砷含量的传统方法具有显着优势，需要更少的时间，设备和人力。我们设想，这项创新将在农业及其他领域得到广泛应用。我非常感谢SMART DiSTAP和淡马锡生命科学实验室（TLL），他们都在创意产生、科学讨论和研究资金方面起到了重要作用。

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Pteris cretica，它可以过度积累砷。这种蕨类植物可以吸收和耐受高水平的砷，而不会产生不利影响 - 设计了一种超灵敏的植物基砷检测器，能够检测非常低浓度的砷，低至十亿分之0.2（ppb）。相比之下，砷探测器的监管限值为十亿分之十。值得注意的是，新型纳米传感器也可以集成到其他植物物种中。这是基于活性植物的砷传感器的成功演示，代表了突破性的进步，在农业研究（例如，监测可食用作物对食品安全的砷）以及一般环境监测中都非常有用。

以前，测量砷含量的传统方法包括常规现场采样，植物组织消化，提取和使用质谱分析。这些方法非常耗时，需要大量的样品处理，并且通常涉及使用笨重且昂贵的仪器。SMART DiSTAP将纳米颗粒传感器与植物通过根部有效提取分析物并运输它们的天然能力相结合的新方法允许使用便携式廉价电子设备实时检测活植物中的砷吸收，例如配备电荷耦合器件（CCD）相机的便携式Raspberry Pi平台，类似于智能手机相机。

共同作者，DiSTAP联合研究员和麻省理工学院教授Michael Strano补充说：“这是一个非常令人兴奋的发展，因为我们开发出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公共卫生威胁。与旧的砷检测方法相比，这种新型传感器具有众多优势，可以改变游戏规则，因为它不仅比旧方法更省时，而且更准确，更易于部署。它还将帮助TLL等组织中的植物科学家进一步生产抵抗有毒元素吸收的作物。受TLL近期努力创造砷含量较低的水稻作物的启发，这项工作是进一步支持SMART DiSTAP在粮食安全研究方面的努力，不断创新和开发新技术能力，以提高新加坡的食品质量和安全。

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