Nanobioniske spinatplanter kan opdage sprængstoffer

Spinat er ikke længere bare en superfood:Ved at indlejre blade med carbon nanorør, MIT -ingeniører har transformeret spinatplanter til sensorer, der kan registrere sprængstoffer og trådløst videresende disse oplysninger til en håndholdt enhed, der ligner en smartphone.

Dette er en af ​​de første demonstrationer af konstruktion af elektroniske systemer til anlæg, en tilgang, som forskerne kalder "plante -nanobionik."

"Målet med plante-nanobionik er at introducere nanopartikler i planten for at give den ikke-native funktioner, "siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og leder af forskerteamet.

I dette tilfælde, planterne blev designet til at detektere kemiske forbindelser kendt som nitroaromatics, som ofte bruges i landminer og andre sprængstoffer. Når en af ​​disse kemikalier er til stede i grundvandet, der prøvetages naturligt af planten, kulstofnanorør indlejret i plantebladene udsender et fluorescerende signal, der kan aflæses med et infrarødt kamera. Kameraet kan tilsluttes en lille computer, der ligner en smartphone, som derefter sender en mail til brugeren.

"Dette er en ny demonstration af, hvordan vi har overvundet plante/menneskelig kommunikationsbarriere, "siger Strano, der mener, at kraftværket også kan udnyttes til at advare om forurenende stoffer og miljøforhold som tørke.

Strano er seniorforfatter til et papir, der beskriver de nanobioniske planter i 31. oktober -udgaven af Naturmaterialer . Papirets hovedforfatter er Min Hao Wong, en MIT -kandidatstuderende, der har startet et firma ved navn Plantea for at videreudvikle denne teknologi.

Miljøovervågning

To år siden, i den første demonstration af plante -nanobionik, Strano og tidligere MIT postdoc Juan Pablo Giraldo brugte nanopartikler til at forbedre planternes fotosynteseevne og gøre dem til sensorer for nitrogenoxid, et forurenende stof, der dannes ved forbrænding.

Planter er ideelle til overvågning af miljøet, fordi de allerede tager meget information fra deres omgivelser, Siger Strano.

"Planter er meget gode analytiske kemikere, "siger han." De har et omfattende rodnet i jorden, prøver konstant på grundvand, og har en måde til selv at drive transporten af ​​det vand op i bladene. "

Stranos laboratorium har tidligere udviklet carbon nanorør, der kan bruges som sensorer til at detektere en lang række molekyler, herunder hydrogenperoxid, den eksplosive TNT, og nervegassen sarin. Når målmolekylet binder til en polymer viklet rundt om nanorøret, det ændrer rørets fluorescens.

I den nye undersøgelse, forskerne indlejrede sensorer for nitroaromatiske forbindelser i bladene på spinatplanter. Ved hjælp af en teknik kaldet vaskulær infusion, hvilket indebærer påføring af en opløsning af nanopartikler på bladets underside, de placerede sensorerne i et bladlag kendt som mesofyl, det er her mest fotosyntese finder sted.

De indlejrede også carbon nanorør, der udsender et konstant fluorescerende signal, der fungerer som reference. Dette giver forskerne mulighed for at sammenligne de to fluorescerende signaler, gør det lettere at afgøre, om den eksplosive sensor har registreret noget. Hvis der er eksplosive molekyler i grundvandet, det tager cirka 10 minutter for planten at trække dem op i bladene, hvor de støder på detektoren.

For at læse signalet, forskerne skinner en laser på bladet, får nanorørene i bladet til at udsende nær-infrarødt fluorescerende lys. Dette kan detekteres med et lille infrarødt kamera tilsluttet en Raspberry Pi, en computer på $ 35 kreditkort, der ligner computeren inde i en smartphone. Signalet kunne også detekteres med en smartphone ved at fjerne det infrarøde filter, som de fleste kameratelefoner har, siger forskerne.

"Denne opsætning kan erstattes af en mobiltelefon og den rigtige slags kamera, "Siger Strano." Det er bare det infrarøde filter, der forhindrer dig i at bruge din mobiltelefon. "

Ved hjælp af denne opsætning, forskerne kan opfange et signal fra omkring 1 meter væk fra planten, og de arbejder nu på at øge denne afstand.

"Et væld af oplysninger"

I undersøgelsen af ​​nanobioniske anlæg fra 2014, Stranos laboratorium arbejdede med et fælles laboratorium, kendt som Arabidopsis thaliana. Imidlertid, forskerne ønskede at bruge almindelige spinatplanter til den seneste undersøgelse, at demonstrere alsidigheden af ​​denne teknik. "Du kan anvende disse teknikker med enhver levende plante, "Siger Strano.

Indtil nu, forskerne har også konstrueret spinatplanter, der kan påvise dopamin, som påvirker plantens rodvækst, og de arbejder nu på yderligere sensorer, herunder nogle, der sporer de kemikalier, planter bruger til at formidle information i deres eget væv.

"Planter er meget miljøvenlige, "Strano siger." De ved, at der kommer til at være en tørke længe før vi gør det. De kan registrere små ændringer i egenskaberne af jord og vandpotentiale. Hvis vi benytter os af disse kemiske signalveje, der er et væld af oplysninger at få adgang til. "

Disse sensorer kan også hjælpe botanikere med at lære mere om planternes indre funktion, overvåge plantesundhed, og maksimere udbyttet af sjældne forbindelser syntetiseret af planter såsom Madagaskar periwinkle, som producerer lægemidler, der bruges til behandling af kræft.

"Disse sensorer giver information i realtid fra anlægget. Det er næsten som at få planten til at tale med os om det miljø, de er i, "Wong siger." I tilfælde af præcisionslandbrug, at have sådanne oplysninger kan direkte påvirke udbytte og margener. "