嵌入葉片中的非破壞性植物納米仿生傳感器，將植物內的砷含量報告給便攜式電子設備，從而實時監(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

來自農業(yè)精度顛覆性和可持續(xù)技術（DiSTAP）的科學家，這是麻省理工學院在新加坡的研究企業(yè)新加坡 - 麻省理工學院研究與技術聯盟（SMART）的跨學科研究小組（IRG），他們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)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)測和農業(yè)應用以保護食品安全非常重要，因為砷是許多常見農產品（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”的論文中進行了描述。該論文由麻省理工學院（MIT）近期的研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士領導，并由麻省理工學院DiSTAP和Carbon P. Dubbs教授Michael Strano以及麻省理工學院的研究生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)構成嚴重威脅。長期接觸人類砷會導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致土壤中砷含量升高，也對植物有害，壓制生長并導致大量作物損失。更令人不安的是，糧食作物可以從土壤中吸收砷，導致人類消費的食物和農產品受到污染。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致嚴重的健康問題。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)的新型光學納米傳感器在檢測到砷時表現出熒光強度的變化。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部動力學。這種在活植物中光學納米傳感器的集成使植物能夠從其自然環(huán)境中轉化為自供電的砷檢測器，這標志著對當前傳統(tǒng)方法的時間和設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品中的引人注目，而且還因為它比測量地下環(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，設備和人力。我們設想，這項創(chuàng)新將在農業(yè)及其他領域得到廣泛應用。我非常感謝SMART DiSTAP和淡馬錫生命科學實驗室（TLL），他們都在創(chuàng)意產生、科學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，而不會產生不利影響 - 設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，代表了突破性的進步，在農業(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)現場采樣，植物組織消化，提取和使用質譜分析。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輸它們的天然能力相結合的新方法允許使用便攜式廉價電子設備實時檢測活植物中的砷吸收，例如配備電荷耦合器件（CCD）相機的便攜式Raspberry Pi平臺，類似于智能手機相機。

共同作者，DiSTAP聯合研究員和麻省理工學院教授Michael Strano補充說：“這是一個非常令人興奮的發(fā)展，因為我們開發(fā)出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，因為它不僅比舊方法更省時，而且更準確，更易于部署。它還將幫助TLL等組織中的植物科學家進一步生產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)，這項工作是進一步支持SMART DiSTAP在糧食安全研究方面的努力，不斷創(chuàng)新和開發(fā)新技術能力，以提高新加坡的食品質量和安全。