用菠菜來檢測爆炸物？現在的菠菜已經長得這麼先進了嗎？

知識 05-02

去過機場的人都有過這樣的經歷，安檢人員要拿著一張小紙條在靠近你衣服的地方擦拭幾下再放行，這其實是在進行爆炸物痕量測試。在有些機場我還遇見過可愛的警犬嗅來嗅去……總之呢，這個世界，爆炸物離我們說遠也遠說近也近。反正關於人體炸彈啦公交爆炸案啦這樣的苦惱，發明炸藥的諾貝爾他老人家是不會有的。

大概是覺得紙條什麼的實在不夠酷吧，麻省理工化學工程系的一個實驗室另闢蹊徑，想到了一種神奇的植物，把它打造成了檢測爆炸物的小能手（當然應用場景會有所不同，這個檢測小能手更多出現在野外）。這種代表著正義和力量的植物，曾經在上個世紀很長一段時間裡借著熒屏風靡全球，特別是在小朋友們心中留下了不可磨滅的英雄形象，沒錯兒，我知道你已經猜到了，那就是大力水手波比最愛吃的菠菜。

很多人的英雄啟蒙作《大力水手》

這篇名為《使用納米仿生的野生型植物進行硝基芳香族化合物探測及紅外通信》的論文由Michael Strano教授領銜的團隊完成，於2016年10月發表在《自然》的子刊《自然·材料》上。王民浩博士作為第一作者參與了這項研究，他本人甚至創立了一家名為Plantea的公司，來進一步發展該技術。

植物天然具有環境監測的本領，它們的根部深深扎在了泥土中，而莖葉又曝露於空氣里，再加上蒸騰作用，將使得一些能被吸附甚至吸收的物質有機會進入其體循環，許多爆炸物都含有的主要組成部分硝基芳香族化合物也屬於植物可以吸收之列。

該研究小組使用了三周齡的野生菠菜來執行這項光榮使命，首先他們用無針管注射器把納米感測器注入菠菜的葉片，確定它們進入了薄壁組織，然後讓菠菜的根從環境中吸收模型爆炸物，接下去就可以隨時間推移來追蹤爆炸物的濃度變化了。在這個實驗中監測的爆炸物叫做苦味酸，化學名為2,4,6-三硝基苯酚（TNP），和我們最熟悉的炸藥三硝基甲苯（TNT）只存在一個基團的差別，它最初的製備可追溯到1740年代，如今也仍然被作為一種常見的模型爆炸分析物。

植物可以作為一種流體裝置和環境採樣器，從根部吸收環境內模型爆炸物。在滲透後的葉片薄壁組織中含有單壁碳納米管，當葉片置於785nm激光激發下，可以熒光觀察。圖片來源：DOI:10.1038/nmat4771

注入菠菜的感測器分為兩種：一種是和肽bombolitin II結合的單壁碳納米管，叫做B-SWCNT，一種是加上了聚乙烯醇官能團的單壁碳納米管，叫做P-SWCNT，它們都屬於近紅外熒光納米感測器，但是兩者和苦味酸之間的作用方式完全不同。如果苦味酸遇到B-SWCNT，它會與其結合併引起感測器近紅外光致發光的光譜偏移，而P-SWCNT的光譜發射則不會受苦味酸的影響，因此可作為一個穩定的參考信號。實驗觀察到，在持續的激光激發下，菠菜根部接觸到苦味酸5到15分鐘內，B-SWCNT的光致發光光譜強度與P-SWCNT相比有明顯下降。這表明，苦味酸從根部傳到了葉片並與B-SWCNT發生結合。而在另一個對照實驗中，沒有使用苦味酸，則兩種碳納米管的發射強度都沒有變化。

這個模型還有一個非常大的好處，就是用一般的智能手機就可以接收到產生變化的紅外信號。實驗人員使用一台配備有計算機控制顯示相機模塊的樹莓派電腦就完成了信號的搜集，所需像素精度只有500ppi而已，成本據說只要幾十美元——簡直是便民產品有沒有！不說了，我也要去種菠菜。

2018·菠蘿科學獎·向好奇心致敬

2018年的菠蘿科學獎·化學獎授予麻省理工學院王民浩團隊。他們奇思妙想，把菠菜打造成了檢測爆炸物的小能手。