MIT研发新型碳纳米传感器 可监测植物健康状况
- 2020/4/17 8:34:44 17764
- 来源：传感器专家网
【仪表网 仪表研发】4月16日消息，据外媒报道，麻省理工学院(MIT)的工程师们已经开发出一种方法，可以使用碳纳米管制成的传感器紧密跟踪植物如何应对诸如伤害、感染和光害等压力。这些传感器可以嵌入植物的叶子中，并在其中报告过氧化氢信号波。
麻省理工学院的化学工程师设计了一种传感器，该传感器可以嵌入植物的叶子中并测量过氧化氢的水平，表明已经发生了破坏。信号可以发送到附近的智能手机。图片：Felice Frankel)
植物利用过氧化氢在其叶片内部进行通讯，发出求救信号，刺激叶细胞产生化合物，从而帮助其修复损害或抵御诸如昆虫的食肉动物，新的传感器可以使用这些过氧化氢信号来区分不同类型的压力以及不同种类的植物。
麻省理工学院碳P.杜布斯化学工程教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说：“植物具有非常复杂的内部沟通形式，我们现在可以观察到这种沟通形式。这意味着我们可以实时看到活体植物的反应，传达其所承受的特定压力类型。”
这种传感器可用于研究植物如何应对不同类型的胁迫，从而有可能帮助农业科学家制定提高作物产量的新策略。研究人员在菠菜、草莓植物和芝麻菜等八种不同的植物物种中证明了他们的方法，他们相信这种方法可以在更多的植物中起作用。
嵌入式传感器可跟踪植物健康状况
在过去的几年里，斯特拉诺的实验室一直在探索“纳米仿生植物”的工程潜力——这种植物含有纳米材料，可以赋予植物新的功能，例如发光或检测缺水。在这项新研究中，他着手采用可以报告植物健康状况的传感器。
斯特拉诺实验室之前已经开发了碳纳米管传感器，可以检测包括过氧化氢在内的各种分子，大约三年前，斯特拉诺开始尝试将这些传感器整合到植物叶片中。通常在植物分子研究中使用的拟南芥研究表明，植物可能使用过氧化氢作为信号分子，但其确切作用尚不清楚。
斯特拉诺使用一种称为脂质交换包膜穿透(LEEP)的方法将传感器整合到植物叶片中，几年前开发的LEEP允许设计可穿透植物细胞膜的纳米颗粒，当斯特拉诺致力于嵌入碳纳米管传感器时，他偶然发现了一个现状。
他说：“我正在训练自己以熟悉该技术，在训练过程中，我不小心在植物上造成了伤口，然后，我看到了这种过氧化氢信号的演变。”
他看到叶子受伤后，过氧化氢从伤口处释放出来，并产生了一条沿叶子扩散的波，类似于神经元在我们的大脑中传递电脉冲的方式。当植物细胞释放过氧化氢时，它会触发相邻细胞内的钙释放，从而刺激这些细胞释放更多的过氧化氢。
斯特拉诺说：“就像多米诺骨牌不断下降一样，它形成的波传播比单独的过氧化氢泡芙传播得多，波本身由接收和传播它的细胞提供动力。”
大量的过氧化氢刺激植物细胞产生称为次生代谢产物的分子，例如类黄酮或类胡萝卜素，可帮助它们修复损害。一些植物还产生其他次生代谢产物，可以分泌这些代谢产物以抵御捕食者，这些代谢产物通常是我们在食用植物中所需要的食物风味的来源，并且它们仅在胁迫下产生。
新的传感技术可快速跟踪八种植物的波形并发出警报
新的传感技术的关键优势在于它可以用于许多不同的植物物种。传统上，植物生物学家在某些适合遗传操作的植物中进行了许多分子生物学研究，包括拟南芥和烟草植物，但是，新的MIT方法可适用于任何工厂。
斯特拉诺说：“在这项研究中，我们能够快速比较八种植物，而旧工具无法做到这一点。”
研究人员测试了草莓植物、菠菜、芝麻菜、生菜、豆瓣菜和浆草，发现不同的物种似乎产生不同的波形-通过绘制随时间变化的过氧化氢浓度而产生的独特形状。他们假设每种植物的反应都与其抵抗损害的能力有关，每个物种对不同类型的压力(包括机械伤害、感染以及热或光损伤)的反应也不同。
斯特拉诺说：“该波形为每个物种保存了大量信息，更令人兴奋的是，给定植物的胁迫类型已编码在该波形中，可以查看工厂在几乎任何新环境中所经历的实时响应。”
该传感器产生的近红外荧光可以用连接到Raspberry Pi的小型红外相机成像，Raspberry Pi是一台信用卡大小的计算机，售价35美元，类似于智能手机内部的计算机。
斯特拉诺说：“非常便宜的仪器可以用来捕获信号，这项技术的应用包括筛选不同种类的植物以抵抗机械损伤、光、热和其他形式的胁迫，它也可以用来研究不同物种对病原体的反应，例如引起柑橘变绿的细菌和引起咖啡锈的真菌。我感兴趣的事情之一就是了解为什么某些类型的植物对这些病原体表现出一定的免疫力，而另一些则无法免疫。我们的传感器使我们能够截获该应力信号，并准确了解工厂上游和下游发生的条件和机制，从而避免产生阴影。”
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