麻省理工学院的研究人员推出了用于植物中实时铁监测的纳米传感器

麻省理工学院，剑桥，马萨诸塞州

DiSTAP 研究人员开发了用于植物中快速铁检测和监测的传感器，从而实现精准农业和可持续作物管理。 （图片：SMART DiSTAP 提供）

新加坡麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 的颠覆性和可持续农业精准技术 (DiSTAP) 跨学科研究小组的研究人员与淡马锡生命科学实验室 (TLL) 和麻省理工学院合作，开发了一种突破性的近红外 (NIR) 荧光纳米传感器，能够同时检测和区分活植物中的铁形态 - Fe(II) 和 Fe(III)。

铁对于植物健康至关重要，支持光合作用、呼吸和酶功能。它主要以两种形式存在：Fe(II)，很容易被植物吸收和利用；Fe(III)，必须首先转化为Fe(II)，植物才能有效利用它。传统方法仅测量总铁，忽略了这些形式之间的区别——这是植物营养的关键因素。区分 Fe(II) 和 Fe(III) 可以深入了解铁的吸收效率，帮助诊断缺陷或毒性，并实现农业中的精确施肥策略，减少浪费和环境影响，同时提高作物生产力。

SMART 研究人员开发的首款纳米传感器能够实时、无损地监测铁的吸收、运输及其不同形式之间的变化，从而提供对铁动力学的精确和详细的观察。其高空间分辨率可以精确定位植物组织或亚细胞区室中的铁，从而能够测量植物内铁水平的微小变化，这些变化可以告知植物如何应对压力和利用养分。

传统的检测方法要么是破坏性的，要么仅限于单一形式的铁。这项新技术可以诊断缺陷并优化施肥策略。通过识别铁摄入量不足或过量，可以进行调整以增强植物健康、减少浪费并支持更可持续的农业。虽然纳米传感器在菠菜和白菜上进行了测试，但它与物种无关，因此可以在不进行基因改造的情况下应用于多种植物物种。这种能力增强了我们对各种生态环境中铁动态的理解，为植物健康和营养管理提供了全面的见解。因此，它成为植物基础研究和农业应用的宝贵工具，支持精准养分管理、减少肥料浪费和改善作物健康。

“铁对于植物生长和发育至关重要，但监测植物中铁的含量一直是一个挑战。这种突破性传感器是同类中第一个能够通过实时高分辨率成像检测活体植物中 Fe(II) 和 Fe(III) 的传感器。通过这项技术，我们可以确保植物获得适量的铁，从而改善作物健康和农业可持续性，”DiSTAP 研究科学家、该论文的共同主要作者 Duc Thinh Khong 说道。

TLL 研究科学家、该论文的共同主要作者 Grace Tan 表示：“该传感器能够无损地实时跟踪植物中的铁形态，为了解植物铁代谢以及不同铁变化对植物的影响开辟了新途径。这些知识将有助于指导开发定制管理方法，以提高作物产量和更具成本效益的土壤施肥策略。”

这项研究最近发表在 Nano Letters 上，题为“Nanosensor for Fe(II) and Fe(III)Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta”，建立在 SMART DiSTAP 在植物纳米仿生学方面的专业知识之上，利用了 SMART DiSTAP 和麻省理工学院的 Strano 实验室首创的电晕相分子识别 (CoPhMoRe) 平台。这种新型纳米传感器采用单壁碳纳米管 (SWNT) 包裹在带负电的荧光聚合物中，形成螺旋电晕相结构，与 Fe(II) 和 Fe(III) 发生不同的相互作用。传感器进入植物组织并与铁相互作用后，根据铁的类型发出不同的近红外荧光信号，从而能够实时跟踪铁的运动和化学变化。

CoPhMoRe 技术用于开发高选择性荧光响应，从而能够精确检测铁的氧化态。单壁碳纳米管的近红外荧光提供卓越的灵敏度、选择性和组织透明度，同时最大限度地减少干扰，使其比传统荧光传感器更有效。该功能使研究人员能够使用近红外成像实时跟踪铁的运动和化学变化。

TLL 高级首席研究员、DiSTAP 首席研究员、新加坡国立大学兼职助理教授、论文共同通讯作者 Daisuke Urano 教授表示：“该传感器为研究植物代谢、养分运输和胁迫反应提供了强大的工具。它支持优化肥料使用、降低成本和环境影响，并有助于提高作物营养、改善粮食安全和可持续农业实践。”

DiSTAP 联合首席研究员、麻省理工学院化学工程系 Carbon P. Dubbs 教授、该论文的共同通讯作者 Michael Strano 教授表示：“这套传感器使我们能够了解植物中一种重要的信号传导类型，以及植物制造叶绿素所需的关键营养物质。这种新工具不仅可以帮助农民检测营养缺乏，还可以获取植物内的某些信息。它扩展了我们了解植物对其生长环境的反应的能力。”纸。

除了农业之外，这种纳米传感器还有望用于环境监测、食品安全和健康科学，特别是在研究人类和动物的铁代谢、缺铁以及与铁相关的疾病方面。未来的研究将集中于利用这种纳米传感器来推进铁稳态、营养信号传导和氧化还原动力学方面的基础植物研究。我们还在努力将纳米传感器集成到水培和土壤农业的自动化养分管理系统中，并扩展其功能以检测其他必需的微量营养素。这些进步旨在提高农业的可持续性、精准度和效率。

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