來自新加坡的科學(xué)家們設(shè)計了一種新型植物納米仿生光學(xué)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含量。與用于測量環(huán)境中砷含量的傳統(tǒng)方法相比，這一發(fā)展具有顯著的優(yōu)勢，對于環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)應(yīng)用保障食品安全都具有重要意義，因為砷是許多常見農(nóng)產(chǎn)品(如大米、蔬菜和茶葉)中的污染物。

砷及其化合物是對人類和生態(tài)系統(tǒng)的嚴重威脅。人類長期接觸砷會對健康造成廣泛的不利影響，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，以及包括皮膚、膀胱和肺部在內(nèi)的多種癌癥。采礦和冶煉等人為活動導(dǎo)致土壤中砷含量升高，也會對植物造成危害，抑制植物生長，導(dǎo)致作物大量損失。更令人不安的是，糧食作物會從土壤中吸收砷，導(dǎo)致人類食用的食品和農(nóng)產(chǎn)品受到污染。地下環(huán)境中的砷還會污染地下水和其他地下水源，長期飲用會造成嚴重的健康問題。因此，開發(fā)準確、有效、易部署的砷傳感器對保護農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和更大范圍的環(huán)境安全都很重要。

新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟(SMART)開發(fā)的這些新型光學(xué)納米傳感器在檢測砷時，其熒光強度會發(fā)生變化。這些傳感器嵌入植物組織中，對植物沒有任何有害影響，提供了一種非破壞性的方法來監(jiān)測植物從土壤中吸收砷的內(nèi)部動態(tài)。這種將光學(xué)納米傳感器集成在活體植物內(nèi)部的方法，可以將植物轉(zhuǎn)化為自然環(huán)境中砷的自供電探測器，這標志著與目前傳統(tǒng)方法中耗費時間和設(shè)備的砷取樣方法相比，有了很大的提升。

除了檢測大米和菠菜中的砷，該團隊還使用了一種蕨類植物Pteris cretica，它可以超量積累砷。值得注意的是，這種新型納米傳感器還可以集成到其他種類的植物中。這是首次成功地展示了基于活體植物的砷傳感器，代表了一個突破性的進步，在農(nóng)業(yè)研究(例如監(jiān)測可食用作物吸收的砷，以保證食品安全)以及一般的環(huán)境監(jiān)測中都非常有用。

以前，測量砷含量的常規(guī)方法包括定期實地取樣、植物組織消化、提取和使用質(zhì)譜法分析。這些方法耗費時間，需要大量的樣品處理，而且往往需要使用笨重和昂貴的儀器。SMART將納米顆粒傳感器與植物通過根部高效提取分析物并進行運輸?shù)奶烊荒芰ο囫詈系男路椒?，可以利用便攜式、廉價的電子設(shè)備(如配備了類似智能手機攝像頭的電荷耦合器件(CCD)攝像頭的便攜式Raspberry Pi平臺)實時檢測活體植物對砷的吸收。