首创的纳米传感器允许在植物中实时检测铁

研究人员开发了一种近红外（NIR）荧光纳米传感器，能够同时检测和区分活体植物中的铁形式——铁（II）和铁（III）

这篇题为“允许Planta进行时空传感的Fe（II）和Fe（III）纳米传感器”的论文发表在《纳米快报》上

此次合作包括来自新加坡-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（IRG）的研究人员，该联盟是麻省理工在新加坡的研究企业，与淡马锡生命科学实验室（TLL）和麻省理工大学（MIT）合作，

铁对植物健康至关重要，支持光合作用、呼吸和酶功能。它主要以两种形式存在：Fe（II），它很容易被植物吸收和使用，以及Fe（III），它必须首先转化为Fe（Ⅱ），植物才能有效地利用它

传统方法只测量总铁，忽略了这些形式之间的区别——这是植物营养的一个关键因素。区分Fe（II）和Fe（III）可以深入了解铁的吸收效率，有助于诊断缺陷或毒性，并在农业中实现精确的施肥策略，减少浪费和环境影响，同时提高作物生产力

SMART研究人员开发的这种首创的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（如Fe（II）和Fe（III））之间的变化，从而提供对铁动力学的精确和详细的观察

其高空间分辨率允许在植物组织或亚细胞隔室中精确定位铁，从而能够测量植物体内铁水平的微小变化——这些微小变化可以告知植物如何应对压力和使用营养

传统的检测方法具有破坏性或仅限于单一形式的铁。这项新技术能够诊断缺陷并优化施肥策略。通过确定铁摄入量不足或过量，可以做出调整，以增强植物健康，减少浪费，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各种植物物种。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，它是基础植物研究和农业应用的宝贵工具，支持精确的营养管理，减少肥料浪费，改善作物健康

DiSTAP研究科学家、该论文的共同主要作者Duc Thinh Khong博士说：“铁对植物的生长和发育至关重要，但监测其在植物中的水平一直是一个挑战。这种突破性的传感器是第一个通过实时高分辨率成像检测活植物中铁（II）和铁（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，改善作物健康和农业可持续性。”

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TLL研究科学家、该论文的共同主要作者Grace Tan博士说：“在实现对植物中铁形态的非破坏性实时跟踪方面，该传感器为理解植物铁代谢和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量身定制的管理方法的开发，以提高作物产量和更具成本效益的土壤施肥策略。”

这项研究建立在SMART DiSTAP在植物纳米仿生学方面的成熟专业知识之上，利用了SMART DiSTA和麻省理工学院Strano实验室开创的Corona Phase Molecular Recognition（CoPhMoRe）平台

这种新型纳米传感器的特点是单壁碳纳米管（SWNT）包裹在带负电荷的荧光聚合物中，形成螺旋电晕相结构，与Fe（II）和Fe（III）的相互作用不同。在引入植物组织并与铁相互作用后，传感器会根据铁的类型发出不同的近红外荧光信号，从而实时跟踪铁的运动和化学变化

CoPhMoRe技术用于开发高度选择性的荧光响应，可以精确检测铁的氧化态

单壁碳纳米管的近红外荧光提供了卓越的灵敏度、选择性和组织透明度，同时最大限度地减少了干扰，使其比传统荧光传感器更有效。这种能力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和该论文的合著者Daisuke Urano教授说：“这种传感器为研究植物代谢、营养物质运输和胁迫反应提供了一种强大的工具。它支持优化肥料使用，降低成本和环境影响，并有助于种植更有营养的作物、更好的粮食安全和可持续的农业实践。”

DiSTAP联合首席研究员、麻省理工学院Carbon p.Dubbs化学工程教授、该论文的合著者Michael Strano教授说：“这套传感器使我们能够获取植物中一种重要的信号，以及植物制造叶绿素所需的关键营养素。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。它扩展了我们理解植物对其生长环境反应的能力。”

除了农业，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、缺铁和铁相关疾病方面

未来的研究将集中在利用这种纳米传感器来推进铁稳态、营养信号和氧化还原动力学方面的基础植物研究。还正在努力将纳米传感器集成到水培和土壤农业的自动化营养管理系统中，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、精确度和效率 More information: Duc Thinh Khong et al, Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05600

Journal information: Nano Letters