新加坡研究人员开发用于监测土壤砷含量的植物仿生传感器

来自新加坡的科学家们设计了一种新型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含量。与用于测量环境中砷含量的传统方法相比，这一发展具有显著的优势，对于环境监测和农业应用保障食品安全都具有重要意义，因为砷是许多常见农产品(如大米、蔬菜和茶叶)中的污染物。

砷及其化合物是对人类和生态系统的严重威胁。人类长期接触砷会对健康造成广泛的不利影响，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，以及包括皮肤、膀胱和肺部在内的多种癌症。采矿和冶炼等人为活动导致土壤中砷含量升高，也会对植物造成危害，抑制植物生长，导致作物大量损失。更令人不安的是，粮食作物会从土壤中吸收砷，导致人类食用的食品和农产品受到污染。地下环境中的砷还会污染地下水和其他地下水源，长期饮用会造成严重的健康问题。因此，开发准确、有效、易部署的砷传感器对保护农业产业和更大范围的环境安全都很重要。

新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)开发的这些新型光学纳米传感器在检测砷时，其荧光强度会发生变化。这些传感器嵌入植物组织中，对植物没有任何有害影响，提供了一种非破坏性的方法来监测植物从土壤中吸收砷的内部动态。这种将光学纳米传感器集成在活体植物内部的方法，可以将植物转化为自然环境中砷的自供电探测器，这标志着与目前传统方法中耗费时间和设备的砷取样方法相比，有了很大的提升。

除了检测大米和菠菜中的砷，该团队还使用了一种蕨类植物Pteris cretica，它可以超量积累砷。值得注意的是，这种新型纳米传感器还可以集成到其他种类的植物中。这是首次成功地展示了基于活体植物的砷传感器，代表了一个突破性的进步，在农业研究(例如监测可食用作物吸收的砷，以保证食品安全)以及一般的环境监测中都非常有用。

以前，测量砷含量的常规方法包括定期实地取样、植物组织消化、提取和使用质谱法分析。这些方法耗费时间，需要大量的样品处理，而且往往需要使用笨重和昂贵的仪器。SMART将纳米颗粒传感器与植物通过根部高效提取分析物并进行运输的天然能力相耦合的新方法，可以利用便携式、廉价的电子设备(如配备了类似智能手机摄像头的电荷耦合器件(CCD)摄像头的便携式Raspberry Pi平台)实时检测活体植物对砷的吸收。