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嵌入葉片中的非破壞性植物納米仿生傳感器，將植物內(nèi)的砷含量報告給便攜式電子設(shè)備，從而實(shí)時監(jiān)測活植物中砷的吸收。來源：泰德里克·托馬斯·薩利姆·盧博士

來自農(nóng)業(yè)精度顛覆性和可持續(xù)技術(shù)（DiSTAP）的科學(xué)家，這是麻省理工學(xué)院在新加坡的研究企業(yè)新加坡 - 麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）的跨學(xué)科研究小組（IRG），他們設(shè)計了一種新型的植物納米仿生光學(xué)傳感器，可以實(shí)時檢測和監(jiān)測地下環(huán)境中劇毒重金屬砷的水平。與用于測量環(huán)境中砷的傳統(tǒng)方法相比，這一發(fā)展具有顯著優(yōu)勢，并且對于環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)應(yīng)用以保護(hù)食品安全非常重要，因?yàn)樯槭窃S多常見農(nóng)產(chǎn)品（如大米，蔬菜和茶葉）中的污染物。

這種新方法在近期發(fā)表在Advanced Materials上的一篇題為“用于砷檢測的植物納米生物傳感器”的論文中進(jìn)行了描述。該論文由麻省理工學(xué)院（MIT）近期的研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士領(lǐng)導(dǎo)，并由麻省理工學(xué)院DiSTAP和Carbon P. Dubbs教授Michael Strano以及麻省理工學(xué)院的研究生Minkyung Park和Jianqiao Cui共同撰寫。

砷及其化合物對人類和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。長期接觸人類砷會導(dǎo)致廣泛的有害健康影響，包括心血管疾病，如心臟病發(fā)作、糖尿病、出生缺陷、嚴(yán)重的皮膚病變和許多癌癥，包括皮膚、膀胱和肺癌。采礦和冶煉等人為活動導(dǎo)致土壤中砷含量升高，也對植物有害，壓制生長并導(dǎo)致大量作物損失。更令人不安的是，糧食作物可以從土壤中吸收砷，導(dǎo)致人類消費(fèi)的食物和農(nóng)產(chǎn)品受到污染。地下環(huán)境中的砷也會污染地下水和其他地下水源，長期食用這些砷會導(dǎo)致嚴(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于保護(hù)農(nóng)業(yè)和更廣泛的環(huán)境安全非常重要。

這些由SMART DiSTAP開發(fā)的新型光學(xué)納米傳感器在檢測到砷時表現(xiàn)出熒光強(qiáng)度的變化。這些傳感器嵌入植物組織中，對植物沒有不利影響，提供了一種非破壞性的方式來監(jiān)測植物從土壤中吸收的砷的內(nèi)部動力學(xué)。這種在活植物中光學(xué)納米傳感器的集成使植物能夠從其自然環(huán)境中轉(zhuǎn)化為自供電的砷檢測器，這標(biāo)志著對當(dāng)前傳統(tǒng)方法的時間和設(shè)備密集型砷采樣方法的重大升級。

主要作者Tedrick Thomas Salim Lew博士說：“我們的植物基納米傳感器不僅因其同類產(chǎn)品中的引人注目，而且還因?yàn)樗�比測量地下環(huán)境中砷含量的傳統(tǒng)方法具有顯著優(yōu)勢，需要更少的時間，設(shè)備和人力。我們設(shè)想，這項(xiàng)創(chuàng)新將在農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我非常感謝SMART DiSTAP和淡馬錫生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（TLL），他們都在創(chuàng)意產(chǎn)生、科學(xué)討論和研究資金方面起到了重要作用。

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Pteris cretica，它可以過度積累砷。這種蕨類植物可以吸收和耐受高水平的砷，而不會產(chǎn)生不利影響 - 設(shè)計了一種超靈敏的植物基砷檢測器，能夠檢測非常低濃度的砷，低至十億分之0.2（ppb）。相比之下，砷探測器的監(jiān)管限值為十億分之十。值得注意的是，新型納米傳感器也可以集成到其他植物物種中。這是基于活性植物的砷傳感器的成功演示，代表了突破性的進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)研究（例如，監(jiān)測可食用作物對食品安全的砷）以及一般環(huán)境監(jiān)測中都非常有用。

以前，測量砷含量的傳統(tǒng)方法包括常規(guī)現(xiàn)場采樣，植物組織消化，提取和使用質(zhì)譜分析。這些方法非常耗時，需要大量的樣品處理，并且通常涉及使用笨重且昂貴的儀器。SMART DiSTAP將納米顆粒傳感器與植物通過根部有效提取分析物并運(yùn)輸它們的天然能力相結(jié)合的新方法允許使用便攜式廉價電子設(shè)備實(shí)時檢測活植物中的砷吸收，例如配備電荷耦合器件（CCD）相機(jī)的便攜式Raspberry Pi平臺，類似于智能手機(jī)相機(jī)。

共同作者，DiSTAP聯(lián)合研究員和麻省理工學(xué)院教授Michael Strano補(bǔ)充說：“這是一個非常令人興奮的發(fā)展，因?yàn)槲覀冮_發(fā)出一種納米仿生傳感器，可以檢測砷 - 一種嚴(yán)重的環(huán)境污染物和潛在的公共衛(wèi)生威脅。與舊的砷檢測方法相比，這種新型傳感器具有眾多優(yōu)勢，可以改變游戲規(guī)則，因?yàn)樗�不僅比舊方法更省時，而且更準(zhǔn)確，更易于部署。它還將幫助TLL等組織中的植物科學(xué)家進(jìn)一步生產(chǎn)抵抗有毒元素吸收的作物。受TLL近期努力創(chuàng)造砷含量較低的水稻作物的啟發(fā)，這項(xiàng)工作是進(jìn)一步支持SMART DiSTAP在糧食安全研究方面的努力，不斷創(chuàng)新和開發(fā)新技術(shù)能力，以提高新加坡的食品質(zhì)量和安全。