Senzor za otkrivanje i praćenje željeza u biljkama

Istraživači  interdisciplinarne istraživačke skupine  Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT-ovog istraživačkog poduzeća u Singapuru, u suradnji s Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) i MIT-om, razvili su revolucionarni bliski infracrveni (NIR) fluorescentni nanosenzor za istovremeno otkrivanja i razlikovanje oblika željeza Fe(II) i Fe(III), u živim biljkama.

Željezo je ključno za zdravlje biljaka, podržava fotosintezu, disanje i funkciju enzima. Prvenstveno postoji u dva oblika: Fe(II), koji je lako dostupan biljkama za apsorpciju i upotrebu, i Fe(III), koji se prvo mora pretvoriti u Fe(II) prije nego što ga biljke mogu učinkovito iskoristiti. Tradicionalne metode mjere samo ukupno željezo, propuštajući razliku između ovih oblika, ključnog čimbenika u ishrani biljaka.

Razlikovanje između Fe(II) i Fe(III) daje uvid u učinkovitost apsorpcije željeza, pomaže u dijagnosticiranju nedostataka ili toksičnosti i omogućuje precizne strategije gnojenja u poljoprivredi, smanjujući otpad i utjecaj na okoliš uz poboljšanje produktivnosti usjeva.

Prvi nanosenzor takve vrste koji su razvili istraživači SMART-a omogućuje nedestruktivno praćenje unosa željeza, transporta i promjena između njegovih različitih oblika u stvarnom vremenu, pružajući precizna i detaljna promatranja dinamike željeza. Njegova visoka prostorna rezolucija omogućuje preciznu lokalizaciju željeza u biljnim tkivima ili podstaničnim odjeljcima, omogućujući mjerenje čak i najsitnijih promjena u razinama željeza unutar biljaka, koje mogu informirati o tome kako se biljka nosi sa stresom i koristi hranjive tvari.

Istraživanje, nedavno objavljeno u časopisuNano Letters, temelji se na utvrđenoj stručnosti SMART DiSTAP-a u biljnoj nanobionici, koristeći platformu Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe) koju je prvi uveo Strano Lab na SMART DiSTAP-u i MIT-u.

Novi nanosenzor sadrži ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT) omotane u negativno nabijeni fluorescentni polimer, tvoreći strukturu spiralne koronske faze koja različito stupa u interakciju s Fe(II) i Fe(III). Nakon unošenja u biljna tkiva i interakcije sa željezom, senzor emitira različite NIR fluorescentne signale na temelju vrste željeza, omogućujući praćenje kretanja željeza i kemijskih promjena u stvarnom vremenu.

Tehnika CoPhMoRe korištena je za razvoj visoko selektivnih fluorescentnih odgovora, što omogućuje precizno otkrivanje stanja oksidacije željeza. NIR fluorescencija SWNT-a nudi vrhunsku osjetljivost, selektivnost i transparentnost tkiva dok minimalizira interferenciju, što je čini učinkovitijom od konvencionalnih fluorescentnih senzora. Ova mogućnost omogućuje istraživačima praćenje kretanja željeza i kemijskih promjena u stvarnom vremenu pomoću NIR snimanja.

Osim u poljoprivredi, ovaj nanosenzor bi se mogao koristiti za praćenje okoliša, sigurnost hrane i zdravstvene znanosti, posebice u proučavanju metabolizma željeza, nedostatka željeza i bolesti povezanih sa željezom kod ljudi i životinja.