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麻省理工学院开发可检测爆炸物的纳米植物

发布时间:2018-05-16 点击量:1

通过将菠菜叶片嵌入碳纳米管,工程师们将菠菜植物转化为可探测爆炸物的传感器,并将该信息无线传输至与智能手机类似的手持设备。 / em

菠菜不再仅仅是一种超级食物:麻省理工学院的工程师通过将碳纳米管嵌入叶片,将菠菜植物转化为能够探测爆炸物的传感器,并将这些信息无线传递至类似智能手机的手持设备。

这是工程电子系统进入工厂的首次演示之一,研究人员称之为“植物纳米电子学”。

“植物纳米动力学的目标是将纳米粒子引入植物中,赋予植物非天然功能,”麻省理工学院化学工程教授Carbon P Dubbs教授和研究小组负责人Michael Strano说。

在这种情况下,这些工厂的设计目的是检测硝基芳烃化合物,这些化合物常用于地雷和其他爆炸物。当这些化学物质中的一种存在于植物自然采样的地下水中时,嵌入植物叶子中的碳纳米管发出荧光信号,可以用红外相机读取。相机可以连接到类似于智能手机的小型计算机,智能手机然后向用户发送电子邮件。

“这是我们如何克服植物/人类交流障碍的新颖示范,”Strano说道,他相信植物能源也可以用来警告污染物和环境条件,如干旱。

Strano是在10月31日出版的Nature Materials / em中描述纳米植物的论文的高级作者。该论文的主要作者是麻省理工学院研究生Min Hao Wong,他曾创建一家名为Plantea的公司,以进一步开发该技术,前麻省理工学院博士后Juan Pablo Giraldo现在是加利福尼亚大学河滨分校的助理教授。

环境监测

两年前,在植物纳米电子学的首次演示中,Strano和Giraldo使用纳米粒子来提高植物的光合作用能力,并将其转化为氧化氮(一种燃烧产生的污染物)的传感器。

Strano说,植物非常适合监测环境,因为它们已经从周围获取了大量信息。

“植物是非常好的分析化学家,”他说。 “他们在土壤中拥有广泛的根系网络,不断采样地下水,并有自我动力将水输送到树叶中。”

斯特拉诺的实验室先前开发了碳纳米管,可用作传感器来检测各种分子,包括过氧化氢,爆炸性TNT和神经毒气沙林。当靶分子与缠绕在纳米管周围的聚合物结合时,它改变了管的荧光。

在这项新研究中,研究人员将硝基芳香化合物传感器嵌入菠菜植物的叶子中。使用称为血管灌注的技术,将纳米颗粒溶液应用到叶片下侧,将传感器放置在叶片层中,称为叶肉,这是大多数光合作用发生的地方。

他们还嵌入碳纳米管发出恒定的荧光信号作为参考。这使研究人员能够比较两种荧光信号,从而更容易确定爆炸传​​感器是否检测到任何物体。如果地下水中有任何爆炸性分子,植物需要10分钟左右才能将它们吸入叶子中,并与检测器相遇。

为了读取信号,研究人员将激光照射到叶片上,促使叶片中的纳米管发出近红外荧光。这可以通过一个连接到Raspberry Pi的小型红外相机来检测,该相机与智能手机内部的计算机类似,售价35美元的信用卡大小的计算机。研究人员说,通过去除大多数拍照手机拥有的红外滤光片,智能手机也可以检测到信号。

“这种设置可以被手机和合适的相机取代,”Strano说。 “这只是红外滤光片,会阻止你使用手机。”

使用这种设置,研究人员可以从工厂大约1米处拾取信号,他们正在努力增加距离。

明尼苏达大学机械工程副教授Michael McAlpine表示,这种方法不仅可以用于工程设计,还可以用于工程设计,不仅可以用于接收无线电信号或改变颜色的许多其他种类的仿生植物。

“当你将人造材料渗透到活的有机体中时,你可以让植物做植物通常不会做的事情,”没有参与研究的McAlpine说。 “一旦你开始考虑像植物这样的生物体作为可与电子材料结合的生物材料,这一切都是可能的。”

“丰富的信息”

在2014年的植物纳米电子学研究中,Strano的实验室与一种叫做拟南芥的共同实验室植物一起工作。 / em然而,研究人员想要使用常见的菠菜植物进行最新的研究,以证明该技术的多功能性。 “你可以将这些技术应用于任何活的植物,”斯特拉诺说。

到目前为止,研究人员还设计了能够检测多巴胺的菠菜植物,这种植物可以影响植物根系生长,现在他们正在研究其他传感器,其中包括追踪化学品植物用于在自身组织内传递信息的化学品。

“植物对环境反应非常敏感,”Strano说。 “他们知道在我们做这件事之前就会有一场干旱。他们可以检测到土壤和水势属性的微小变化。如果我们利用这些化学信号传导途径,就可以获得大量信息。“

这些传感器还可以帮助植物学家更多地了解植物的内部工作,监测植物健康状况,并最大限度地提高植物合成的稀有化合物的产量,例如生产用于治疗癌症的药物的马达加斯加长春花。

“这些传感器为工厂提供实时信息。这几乎就像工厂向我们谈论他们所处的环境一样,“Wong说。 “在精准农业的情况下,拥有这些信息可以直接影响产量和利润率。”

出版物:Min Hao Wong等人,“Nitroaromatic detection and infrared communication from wild-type plants using plant nanobionics,”Nature Materials(2016)doi:10.1038 / nmat4771

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton