Wetenschappers van Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), een interdisciplinaire onderzoeksgroep (IRG) bij de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT's onderzoeksbedrijf in Singapore, hebben een nieuw type plantaardige nanobionische optische sensor ontwikkeld die kan detecteren en bewaken, live, niveaus van het zeer giftige zware metaal arseen in de ondergrondse omgeving. Deze ontwikkeling biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele methoden die worden gebruikt om arseen in het milieu te meten en zal belangrijk zijn voor zowel milieumonitoring als landbouwtoepassingen om de voedselveiligheid te waarborgen, aangezien arseen een verontreiniging is in veel gangbare landbouwproducten zoals rijst, groenten, en theeblaadjes.

Deze nieuwe aanpak wordt beschreven in een paper met de titel, "Plant nanobionische sensoren voor arseendetectie, " onlangs gepubliceerd in Geavanceerde materialen . Het papier werd geleid door Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, een recent afgestudeerde student van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en co-auteur van Michael Strano, co-hoofdonderzoeker van DiSTAP en Carbon P. Dubbs Professor aan het MIT, evenals Minkyung Park en Jianqiao Cui, beide afgestudeerde studenten aan het MIT.

Arseen en zijn verbindingen vormen een ernstige bedreiging voor mensen en ecosystemen. Langdurige blootstelling aan arseen bij mensen kan een breed scala aan schadelijke gezondheidseffecten veroorzaken, waaronder hart- en vaatziekten zoals een hartaanval, suikerziekte, aangeboren afwijkingen, ernstige huidletsels, en talrijke vormen van kanker, waaronder die van de huid, blaas, en long. Verhoogde niveaus van arseen in de bodem als gevolg van antropogene activiteiten zoals mijnbouw en smelten is ook schadelijk voor planten, remming van de groei en resulterend in aanzienlijke oogstverliezen. Meer verontrustend, voedselgewassen kunnen arseen uit de bodem opnemen, leiden tot besmetting van voedsel en producten die door mensen worden geconsumeerd. Arseen in ondergrondse omgevingen kan ook het grondwater en andere ondergrondse waterbronnen verontreinigen, waarvan de consumptie op lange termijn ernstige gezondheidsproblemen kan veroorzaken. Als zodanig, nauwkeurig ontwikkelen, effectief, en eenvoudig te implementeren arseensensoren is belangrijk om zowel de landbouwindustrie als de bredere milieuveiligheid te beschermen.

Deze nieuwe optische nanosensoren ontwikkeld door SMART DiSTAP vertonen veranderingen in hun fluorescentie-intensiteit bij de detectie van arseen. Ingebed in plantenweefsels zonder nadelige effecten op de plant, deze sensoren bieden een niet-destructieve manier om de interne dynamiek van arseen te volgen dat door planten uit de bodem wordt opgenomen. Deze integratie van optische nanosensoren in levende planten maakt de omzetting van planten in zelfaangedreven arseendetectoren uit hun natuurlijke omgeving mogelijk, markeert een belangrijke upgrade van de tijd- en apparatuurintensieve arseenbemonsteringsmethoden van de huidige conventionele methoden.

Hoofdauteur Dr. Tedrick Thomas Salim Lew zei:"Onze op planten gebaseerde nanosensor valt niet alleen op omdat hij de eerste in zijn soort is, maar ook vanwege de aanzienlijke voordelen die het biedt ten opzichte van conventionele methoden voor het meten van arseenniveaus in de ondergrondse omgeving, minder tijd nodig hebben, apparatuur, en mankracht. We voorzien dat deze innovatie uiteindelijk breed zal worden toegepast in de landbouwsector en daarbuiten. Ik ben SMART DiSTAP en Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) dankbaar, die beide een belangrijke rol speelden bij het genereren van ideeën, wetenschappelijke discussie en onderzoeksfinanciering voor dit werk."

Naast het detecteren van arseen in rijst en spinazie, het team gebruikte ook een soort varen, Pteris cretica, die arseen kan hyperaccumuleren. Deze varensoort kan een hoog arseengehalte absorberen en verdragen zonder nadelige gevolgen - het ontwikkelen van een ultragevoelige, op planten gebaseerde arseendetector, in staat om zeer lage concentraties arseen te detecteren, zo laag als 0,2 delen per miljard (ppb). In tegenstelling tot, de wettelijke limiet voor arseendetectoren is 10 delen per miljard. Opmerkelijk, de nieuwe nanosensoren kunnen ook in andere plantensoorten worden geïntegreerd. Dit is de eerste succesvolle demonstratie van levende, op planten gebaseerde sensoren voor arseen en vertegenwoordigt een baanbrekende vooruitgang die zeer nuttig zou kunnen zijn in zowel landbouwonderzoek (bijv. evenals in het algemeen milieumonitoring.

Eerder, conventionele methoden voor het meten van arseenniveaus omvatten regelmatige veldbemonstering, vertering van plantaardig weefsel, extractie en analyse met behulp van massaspectrometrie. Deze methoden zijn tijdrovend, uitgebreide monsterbehandeling nodig hebben, en gaan vaak gepaard met het gebruik van omvangrijke en dure instrumenten. SMART DiSTAP's nieuwe methode om nanodeeltjessensoren te koppelen aan het natuurlijke vermogen van planten om analyten efficiënt via de wortels te extraheren en te transporteren, maakt de detectie van arseenopname in levende planten in realtime mogelijk met draagbare, goedkope elektronica, zoals een draagbaar Raspberry Pi-platform uitgerust met een CCD-camera (charge-coupled device), vergelijkbaar met een smartphonecamera.

co-auteur, DiSTAP mede-hoofdonderzoeker, en MIT-professor Michael Strano voegde toe, "Dit is een enorm opwindende ontwikkeling, als, Voor de eerste keer, we hebben een nanobionische sensor ontwikkeld die arseen kan detecteren - een ernstige milieuverontreiniging en een potentiële bedreiging voor de volksgezondheid. Met zijn talloze voordelen ten opzichte van oudere methoden van arseendetectie, deze nieuwe sensor zou een game-changer kunnen zijn, omdat het niet alleen tijdbesparend is, maar ook nauwkeuriger en gemakkelijker te implementeren dan oudere methoden. Het zal ook plantenwetenschappers in organisaties zoals TLL helpen bij het verder produceren van gewassen die de opname van giftige elementen weerstaan. Geïnspireerd door de recente inspanningen van TLL om rijstgewassen te creëren die minder arseen bevatten, dit werk is een parallelle inspanning om de inspanningen van SMART DiSTAP op het gebied van voedselzekerheidsonderzoek verder te ondersteunen, voortdurend innoveren en nieuwe technologische mogelijkheden ontwikkelen om de voedselkwaliteit en -veiligheid van Singapore te verbeteren."