MIT Kembangkan Nanobionic Tanaman yang Bisa Mendeteksi Bahan Peledak

Dengan menyematkan daun bayam dengan nanotube karbon, insinyur berubah tanaman bayam ke dalam sensor yang dapat mendeteksi bahan peledak dan nirkabel menyampaikan informasi bahwa untuk perangkat genggam yang mirip dengan smartphone.

Bayam tidak lagi hanya makanan super: Dengan menyematkan daun dengan nanotube karbon, MIT insinyur telah mengubah tanaman bayam ke dalam sensor yang dapat mendeteksi bahan peledak dan nirkabel menyampaikan informasi bahwa untuk perangkat genggam yang mirip dengan smartphone.

Ini adalah salah satu demonstrasi pertama dari sistem elektronik engineering ke tanaman, pendekatan yang para peneliti menyebutnya "nanobionics tanaman."

"Tujuan dari nanobionics tanaman adalah untuk memperkenalkan nanopartikel ke dalam pabrik untuk memberikan fungsi non-pribumi," kata Michael Strano, Carbon P. Dubbs Profesor Teknik Kimia di MIT dan pemimpin tim peneliti.

Dalam hal ini, tanaman dirancang untuk mendeteksi senyawa kimia yang dikenal sebagai nitroaromatics, yang sering digunakan dalam ranjau darat dan bahan peledak lainnya. Ketika salah satu dari bahan kimia ini hadir dalam tanah sampel secara alami oleh tanaman, nanotube karbon tertanam di pabrik daun memancarkan sinyal fluorescent yang dapat dibaca dengan kamera inframerah. Kamera dapat dilampirkan ke komputer kecil mirip dengan smartphone, yang kemudian mengirimkan email ke pengguna.

"Ini adalah demonstrasi baru tentang bagaimana kita telah mengatasi pabrik / penghalang komunikasi manusia," kata Strano, yang percaya pembangkit listrik juga bisa dimanfaatkan untuk memperingatkan polutan dan kondisi lingkungan seperti kekeringan.

Strano adalah penulis senior dari kertas menggambarkan tanaman nanobionic di 31 Oktober isu Bahan Alam. penulis utama kertas adalah Min Hao Wong, seorang mahasiswa pascasarjana MIT yang telah memulai sebuah perusahaan bernama Plantea untuk lebih mengembangkan teknologi ini, dan Juan Pablo Giraldo, mantan Postdoc MIT yang kini asisten profesor di University of California di Riverside.

pemantauan lingkungan

Dua tahun lalu, dalam demonstrasi pertama nanobionics tanaman, Strano dan Giraldo digunakan nanopartikel untuk meningkatkan kemampuan fotosintesis tanaman dan untuk mengubahnya menjadi sensor untuk oksida nitrat, polutan yang dihasilkan oleh pembakaran.

Tanaman yang cocok untuk memantau lingkungan karena mereka sudah mengambil banyak informasi dari lingkungan mereka, Strano kata.

"Tanaman yang ahli kimia analitis yang sangat baik," katanya. "Mereka memiliki jaringan akar yang luas di tanah, terus sampel air tanah, dan memiliki cara untuk kekuatan diri pengangkutan air sampai ke daun."

lab Strano sebelumnya telah mengembangkan nanotube karbon yang dapat digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi berbagai molekul, termasuk hidrogen peroksida, TNT peledak, dan sarin gas saraf. Ketika molekul target mengikat polimer melilit nanotube, itu mengubah fluoresensi tabung ini.

Dalam studi baru, para peneliti tertanam sensor untuk senyawa nitroaromatic ke dalam daun tanaman bayam. Menggunakan teknik yang disebut infus pembuluh darah, yang melibatkan menerapkan solusi nanopartikel ke bawah daun, mereka menempatkan sensor menjadi lapisan daun yang dikenal sebagai mesofil, yang mana sebagian besar fotosintesis berlangsung.

Mereka juga tertanam nanotube karbon yang memancarkan sinyal neon konstan yang berfungsi sebagai referensi. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk membandingkan dua sinyal neon, sehingga lebih mudah untuk menentukan apakah sensor peledak telah mendeteksi apa-apa. Jika ada molekul bahan peledak di dalam air tanah, dibutuhkan sekitar 10 menit untuk tanaman untuk menarik mereka ke dalam daun, di mana mereka menghadapi detektor.

Untuk membaca sinyal, para peneliti bersinar laser ke daun, mendorong nanotube dalam daun untuk memancarkan cahaya neon dekat-inframerah. Ini dapat dideteksi dengan kamera inframerah kecil yang terhubung ke Raspberry Pi, komputer $ 35 kartu kredit berukuran mirip dengan komputer di dalam sebuah smartphone. Sinyal juga dapat dideteksi dengan smartphone dengan menghapus filter inframerah yang kebanyakan ponsel kamera memiliki, kata peneliti.

"Pengaturan ini bisa digantikan oleh ponsel dan tepat kamera," kata Strano. "Ini hanya filter inframerah yang akan menghentikan Anda dari menggunakan ponsel Anda."

Menggunakan setup ini, para peneliti dapat mengambil sinyal dari sekitar 1 meter dari pabrik, dan mereka sekarang bekerja pada peningkatan jarak itu.

Michael McAlpine, seorang profesor teknik mesin di University of Minnesota, mengatakan pendekatan ini memiliki potensi besar untuk engineering tidak hanya sensor tetapi banyak jenis tanaman lainnya bionik yang dapat menerima sinyal radio atau berubah warna.

"Bila Anda memiliki bahan buatan manusia menyusup ke dalam organisme hidup, Anda dapat memiliki tanaman melakukan hal-hal yang tanaman tidak biasa lakukan," kata McAlpine, yang tidak terlibat dalam penelitian. "Begitu Anda mulai berpikir organisme seperti tanaman hidup sebagai biomaterial yang dapat dikombinasikan dengan bahan elektronik, semua ini mungkin."

"Sebuah kekayaan informasi"

Dalam studi nanobionics 2014 tanaman, lab Strano bekerja dengan pabrik laboratorium umum dikenal sebagai Arabidopsis thaliana. Namun, para peneliti ingin menggunakan tanaman bayam umum untuk studi terbaru, untuk menunjukkan fleksibilitas dari teknik ini. "Anda dapat menerapkan teknik ini dengan tanaman hidup," kata Strano.

Sejauh ini, para peneliti juga telah direkayasa tanaman bayam yang dapat mendeteksi dopamin, yang mempengaruhi pertumbuhan akar tanaman, dan mereka sekarang bekerja pada sensor tambahan, termasuk beberapa yang melacak bahan kimia tanaman digunakan untuk menyampaikan informasi dalam jaringan mereka sendiri.

"Tanaman ini sangat lingkungan responsif," kata Strano. "Mereka tahu bahwa ada akan menjadi kemarau panjang sebelum kita melakukan. Mereka dapat mendeteksi perubahan kecil pada sifat-sifat tanah dan potensial air. Jika kita memasuki jalur-jalur sinyal kimia, ada banyak informasi untuk mengakses. "

Sensor ini juga bisa membantu ahli botani belajar lebih banyak tentang cara kerja di dalam tanaman, kesehatan memantau tanaman, dan memaksimalkan hasil dari senyawa jarang disintesis oleh tanaman seperti periwinkle Madagaskar, yang memproduksi obat yang digunakan untuk mengobati kanker.

"Sensor ini memberikan informasi real-time dari pabrik. Hal ini hampir seperti memiliki pembicaraan tanaman kepada kami tentang lingkungan mereka berada, "kata Wong. "Dalam kasus pertanian presisi, memiliki informasi tersebut secara langsung dapat mempengaruhi hasil dan margin."

Publikasi:. Min Hao Wong, et al, "deteksi Nitroaromatic dan komunikasi inframerah dari tanaman-tipe liar menggunakan nanobionics tanaman," Bahan Alam (2016) doi: 10.1038 / nmat4771

Sumber: Anne Trafton, MIT Berita