光学纳米传感器检测和监测植物砷含量

一种新型植物纳米仿生光传感器，能够检测和实时监测地下环境中的砷含量，这个传感器通过显示荧光强度的变化来表示金属元素是否存在和以及其含量。来自Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision（DiSTAP）的科学家介绍了这项技术。他们是Singapore-MIT Alliance for Research and Technology（SMART）的一个跨学科研究小组，这是麻省理工学院在新加坡的一个研究企业。

工作人员在应用中把传感器嵌入到活的植物组织中，它可检测砷含量低至每十亿分之0.2（ppb）。纳米传感器数据可由便携型装置读出（通常是价格低廉的电子产品）获得。整个系统将非转基因植物转移到功能齐全的环境传感器中。这一进展在环境监测和农业领域有很大的应用，砷是水稻和茶叶等作物中常见的污染物。长期接触其金属化合物可导致心血管疾病和癌症，包括对皮肤、膀胱和肺的伤害。土壤中砷含量升高可能是采矿和冶炼造成的，它会损害植物的生命并抑制其生长。

嵌入到叶子里面的纳米生物传感器不会无损植物，可向便携型电子设备传输植物内的砷含量信息，从而实时监测活的植物中的砷含量。Tedrick Thomas Salim Lew 供图。

SMART DiSTAP 光学纳米传感器不会伤害其嵌入的植物。科学家们报告说，这个整合改进了目前正在使用的时间和设备密集型的采样方法，即使用基于质谱的方法。例如，必须首先进行常规的现场采样、植物组织的吸收和提取。新展示的技术受益于植物可以从根部提取分析物并将分析物在整个植物体移动的自然能力。科学家们说，这也是第一个成功演示的用于检测砷的植物传感器器件。

设备中使用的电荷耦合相机的性能与智能手机相似，可以与便携式树莓派（Raspberry Pi）平台配对，从而实现实时成像和分析。研究人员在菠菜和大米以及一种能累积砷的铁杉上进行了测试。由于铁杉物种可以吸收（和容忍）高浓度的砷，而不会表现出有害影响，研究人员能够优化这个传感器器件，以检测极低的浓度。研究人员说现有砷探测器的监测限制为10ppb。

麻省理工学院的Michael Strano说，随着传感器的发展，科学家将能进一步开发和生产对有毒元素更有抵抗的作物。他说目前Temasek Life Science Laboratory正在开展这一领域的工作，我们研究机构的科学家为这项工作做出了贡献。新加坡国家研究基金会（National Research Foundation）属于Campus for Research Excellence And Technological Enterprise（CREATE）的项目，基金会资助了这项研究发表在《Advanced Materials》上（www.doi.org/10.1002/adma.202005683）。