科學家將植物轉變為用於環境監測的感測器

通過在菠菜葉裡面加入碳納米管，麻省理工學院的工程師將菠菜轉化為可以檢測爆炸物的感測器，然後無線地將信息發送到類似智能手機的手持設備上。

（圖片來源於：Christine Daniloff/MIT）

引言

植物，通常會用於食品、環境保護、觀賞。然而除此之外還能有什麼用途？出乎意料的事情發生了，科學家竟然通過在植物葉子裡面嵌入碳納米管，將電子系統引入到植物中，讓它成為監測環境中化學物質的感測器。

方案簡介

菠菜已經不再只是一種超級食品：通過在其葉子裡面嵌入碳納米管，麻省理工學院的工程師將菠菜轉變為可以檢測爆炸物的感測器，並且通過無線將信息發送到類似於智能手機的手持設備上。這是科學家首次將電子系統設計到植物中，研究人員稱這個方案為「植物納米仿生學」。

這項研究的領導者、麻省理工學院化學工程系的教授 Michael Strano 如此認為：

「這種植物納米仿生學的目標就是將納米粒子引入到植物中，讓具有非原生的功能。」

在這個方案中，植物可以檢測硝基芳香化合物，這種物質經常在地雷和爆炸物中使用。植物自然吸收地下水中的這種化學物質，然後葉子里的碳納米管會發出熒光信號，紅外攝像頭可以讀取這種信號。攝像頭可以附著在類似智能手機的小型計算機上，然後發送通知郵件給用戶。

這篇論文的高級作者 Strano 在10月31日的《納米材料》雜誌上描述了這種納米仿生學植物。他相信植物同時也能夠進行環境污染和乾旱的報警，他如此評論道：

「這是一種新型的演示，我們打破了植物和人類之間的通信障礙。」

這項論文的領導作者、麻省理工大學的畢業生 Min Hao Wong 創辦了 Plantea 公司進一步開發這項技術。

環境監測

兩年之前，Strano 和前麻省理工大學博士後 Juan Pablo Giraldo 在納米仿生學的一次演示中，使用納米粒子提高植物的光合作用能力，並且將它們轉換為一氧化氮的感測器，一氧化氮是一種由於燃燒產生的污染物。

Strano 認為：

「植物是監測環境的理想選擇，因為他們已經能夠從環境中獲取很多信息。植物是很好的分析化學家。它們在土壤中具有廣泛的根網路，不斷的吸收地下水，同時能夠通過自身將水分運輸到葉子里。」

Strano的實驗室之前開發了一種碳納米管，它可以監測一些列的分子，包括過氧化氫、爆炸性物質、沙林毒氣等。當目標分子綁定到聚合物包裹的碳納米管上的時候，它會改變納米管的熒光。

在一項新的研究中，研究人員將檢測芳香硝基化合物的感測器嵌入到菠菜葉子裡面。他們使用一種稱為「脈絡注入」的技術，將納米顆粒注入到葉子的下面，然後將感測器放置到葉子的葉肉層中，大多數的光合作用就發生在那裡。

他們嵌入的碳納米管會發出一種持續的熒光信號作為參考。研究人員通過比較這兩種熒光信號，很容易地判斷出爆炸物感測器是否有檢測到任何危險物質。如果在地下水中存在任何爆炸物分子，植物差不多需要10分鐘將它們汲取到葉子中，那裡有檢測器會檢測出它們。

為了讀取這種信號，研究人員將激光發射到葉子上，讓葉子中的碳納米管激發出一種近紅外熒光。它可以被附著在樹莓派產品上的微型紅外攝像頭檢測到。樹莓派是一種價格為35美元的、信用卡大小的計算機，就像智能手機內部的電腦一樣。研究人員稱，通過去掉大多數照相手機具有的紅外線濾光器，這種信號也可以被智能手機檢測到。

Strano 說：

「手機和特定的攝像頭可以取代這種設置，其實就是紅外線濾光器，阻止了你的手機具有這種功能。」

研究人員使用這種設置，可以在差不多一米的距離內，從任何植物上採集信號。目前他們正在增加檢測距離。

「有價值的信息」

在2014年的納米仿生學研究上，Strano 的實驗室希望通過一種稱為「阿拉伯芥」的植物進行研究。然而，在最新的研究中，研究人員使用普通的菠菜葉，展示了這項技術的多功能性。Strano 說：

「你現在可以將這項技術應用到任何植物上。」

目前為止，研究人員也設計了監測多巴胺的波菜，多巴胺會影響植物根部的成長。現在，他們正在研究更多的感測器，包括可以檢測用於表達植物自身組織信息的化學物質。Strano 說：

「植物對於環境具有很好的反應性，它們比我們更快地知道哪裡將發生乾旱。它們可以檢測到土壤和水中的微小變化。如果我們不斷研究這些化學信號，我們將可以獲取更多有價值的信息。」

這些感測器也可以幫助植物學家更好地研究植物內部機制、監測植物健康、最大化某些植物合成化學成分的產量，例如長春花植物，它可以產生治療癌症的藥物。

Wong 認為：

「這些感測器可以從植物中實時獲取信息。這樣好像讓植物和它所處的環境進行交流。在精準農業的情況下，這些信息直接影響到產量和利潤。」

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2016/nanobionic-spinach-plants-detect-explosives-1031

【2】Min Hao Wong, Juan P. Giraldo, Seon-Yeong Kwak, Volodymyr B. Koman, Rosalie Sinclair, Tedrick Thomas Salim Lew, Gili Bisker, Pingwei Liu, Michael S. Strano.Nitroaromatic detection and infrared communication from wild-type plants using plant nanobionics. Nature Materials, 2016; DOI: 10.1038/nmat4771

TAG:IntelligentThings |

※智慧醫療——醫療行業環境轉變的新動力
※科學家利用小分子化合物將成人星形膠質細胞轉變為神經細胞
※科學家發現裸鼴鼠能轉變成植物不靠氧氣生存！
※機器學習演算法學會將手繪素描轉變為逼真的圖像！
※科學家研究出使甲烷轉變成甲醇的3D列印聚合物反應器
※科學家如何培育「人獸嵌合體」：身為人類的意義將轉變
※科學家把二氧化碳氣體轉變成石頭
※工業機器人：從大體量向優品質轉變
※科學家發現了把二氧化碳轉變成乙醇的方法
※最新技術可將糞便等城市垃圾轉變為生物燃料
※室內智慧盆器的出現，把栽種和照顧植物轉變成一件簡單的事情
※急性肝炎恢復期，修復肝功能、防止轉變慢性，離不開這四種食物
※活性氧：免疫細胞從遷移到攻擊的轉變「開關」
※避免乳腺囊性增生病轉變為乳腺癌
※科學家發明了把海水轉變成飲用水的石墨烯篩網！
※男女對性變態態度的轉變
※光子轉變成聲音 下一代計算機原理和上帝造物機制
※急性肝炎恢復期，修復肝功能、防止轉變慢性，離不開這四種食物！
※輪迴的因素與轉變