Cảm biến nano đầu tiên phát hiện sắt theo thời gian thực trong cây trồng

TS. Khổng Đức Thịnh và các nhà nghiên cứu tại Liên minh nghiên cứu và công nghệ Singapore-MIT (SMART) đã phát triển một cảm biến nano huỳnh quang gần hồng ngoại (NIR) có khả năng phát hiện và phân biệt đồng thời các dạng sắt Fe (II) và Fe (III) trong thực vật sống.

Các nhà nghiên cứu tại DiSTAP phát triển các cảm biến để phát hiện và theo dõi sắt nhanh chóng trong cây trồng, giúp canh tác chính xác và quản lý cây trồng bền vững. Ảnh: SMART DiSTAP

Sắt là một nguyên tố hóa học rất quan trọng đối với sức khỏe của cây trồng bởi nguyên tố này có thể hỗ trợ quá trình quang hợp, hô hấp và chức năng của enzyme. Sắt chủ yếu tồn tại ở hai dạng: Fe(II) - dễ dàng được cây hấp thụ và sử dụng, và Fe(III) - đòi hỏi phải được chuyển đổi thành Fe(II) trước khi cây có thể sử dụng hiệu quả.

Cho đến nay, các phương pháp truyền thống chỉ đo tổng lượng sắt, trong khi đó lại bỏ qua sự khác biệt giữa các dạng sắt khác nhau, dù cho đây là một yếu tố quan trọng đối với dinh dưỡng ở thực vật. Việc phân biệt được Fe(II) và Fe(III) có thể cung cấp thông tin chi tiết về hiệu quả hấp thụ sắt, giúp chẩn đoán tình trạng thiếu hụt hoặc độc tính và giúp cho các chiến lược bón phân chính xác trong nông nghiệp trở nên hiệu quả hơn, đồng thời giúp giảm thiểu chất thải cũng như tác động có hại đến môi trường, song song với việc cải thiện năng suất cây trồng.

Trước bài toán thú vị này, các nhà nghiên cứu từ nhóm nghiên cứu liên ngành Công nghệ Đột phá & Bền vững cho Nông nghiệp Chính xác (DiSTAP) thuộc Liên minh Nghiên cứu và Công nghệ Singapore-MIT (SMART) - đơn vị nghiên cứu của MIT tại Singapore, đã phối hợp với Phòng Thí nghiệm Khoa học Sự sống Temasek (TLL) và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) để cho ra đời một loại cảm biến đột phá mới.

Cảm biến nano này cho phép các nhà khoa học theo dõi quá trình hấp thụ, vận chuyển và thay đổi sắt giữa các dạng khác nhau theo thời gian thực và không phá hủy, chẳng hạn như Fe (II) và Fe (III), từ đó cung cấp các quan sát chính xác và chi tiết về động lực học của sắt. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trong bài báo “Nanosensor for Fe (II) and Fe (III) Allowing Spatiotemporal Sensing in Planta” được trên tạp chí Nano Letters.

Một trong những điểm nổi bật của cảm biến là độ phân giải không gian cao, cho phép xác định vị trí chính xác của sắt trong mô thực vật hoặc các ngăn dưới tế bào, từ đó có thể đo những thay đổi nhỏ nhất về nồng độ sắt trong thực vật - những yếu tố có thể cho biết cách thực vật xử lý căng thẳng và sử dụng chất dinh dưỡng.

Khác với các phương pháp phát hiện truyền thống có tính phá hủy hoặc chỉ giới hạn ở một dạng sắt duy nhất, công nghệ mới này cho phép chẩn đoán tình trạng thiếu hụt sắt và tối ưu hóa các chiến lược bón phân hiệu quả. Bằng cách xác định lượng sắt hấp thụ không đủ hoặc hấp thụ quá nhiều, cảm biến có thể giúp tạo ra các điều chỉnh để tăng cường sức khỏe cây trồng, giảm chất thải và hỗ trợ việc phát triển nông nghiệp bền vững hơn.

Giải pháp đột phá

Để cho ra đời được loại cảm biến mới, TS. Khổng Đức Thịnh và các nhà khoa học trong nhóm đã có một nền tảng nghiên cứu lâu dài với chuyên môn đã được khẳng định trong lĩnh vực công nghệ nano sinh học thực vật. Nhóm nghiên cứu cũng đã tận dụng nền tảng Nhận dạng phân tử pha Corona (CoPhMoRe) do Phòng thí nghiệm Strano tại SMART DiSTAP và MIT tiên phong phát triển trước đó.

Mô tả về thiết bị mới được phát triển, các nhà nghiên cứu cho biết, cảm biến nano của nhóm có các ống nano carbon thành đơn (SWNT) được bọc trong polyme huỳnh quang tích điện âm, tạo thành cấu trúc pha corona xoắn ốc tương tác khác nhau với Fe (II) và Fe (III). Khi đưa vào mô thực vật và tương tác với sắt, cảm biến phát ra các tín hiệu huỳnh quang NIR riêng biệt dựa trên loại sắt, cho phép theo dõi chuyển động của sắt và các thay đổi hóa học theo thời gian thực.

Phân tích thêm về cơ chế hoạt động của cảm biến, nhóm nghiên cứu cho hay, kỹ thuật CoPhMoRe đã được sử dụng để phát triển phản ứng huỳnh quang có tính chọn lọc cao, cho phép phát hiện chính xác trạng thái oxy hóa của sắt. Huỳnh quang NIR của SWNTs cung cấp độ nhạy, độ chọn lọc và độ trong suốt của mô vượt trội trong khi giảm thiểu nhiễu, giúp cho cảm biến mới hiệu quả hơn so với các cảm biến huỳnh quang thông thường. Khả năng này cũng cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi chuyển động của sắt và các thay đổi hóa học theo thời gian thực bằng cách sử dụng hình ảnh NIR.

Mặc dù nhóm nghiên cứu mới chỉ thử nghiệm cảm biến nano trên rau bina và cải thìa, song phương pháp này không phụ thuộc vào loài cây mà có thể áp dụng được trên nhiều loài thực vật khác nhau mà không cần biến đổi gene. Điểm ưu việt này có thể giúp những người làm việc trong lĩnh vực nông nghiệp hiểu rõ hơn về động lực học của sắt trong nhiều bối cảnh sinh thái khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết toàn diện về sức khỏe thực vật và quản lý chất dinh dưỡng.

Đó cũng là lý do cảm biến mới được các nhà khoa học kỳ vọng sẽ trở thành một công cụ có giá trị cho cả nghiên cứu thực vật cơ bản và ứng dụng nông nghiệp, hỗ trợ quản lý chất dinh dưỡng chính xác, giảm lãng phí phân bón và cải thiện sức khỏe cây trồng.

“Sắt rất cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng, nhưng việc theo dõi nồng độ sắt trong cây trồng vẫn là một thách thức lớn. Cảm biến đột phá này là loại cảm biến đầu tiên có thể phát hiện cả Fe (II) và Fe (III) trong thực vật sống với hình ảnh độ phân giải cao theo thời gian thực. Với công nghệ này, chúng tôi có thể đảm bảo cây trồng nhận được lượng sắt phù hợp, cải thiện sức khỏe cây trồng và tính bền vững của nông nghiệp”, TS. Khổng Đức Thịnh - đồng tác giả chính của bài báo - cho biết.

Hướng tới chiến lược bón phân chính xác

Nhóm nghiên cứu phân tích thêm, với khả năng theo dõi theo thời gian thực và không phá hủy quá trình hình thành sắt ở thực vật, cảm biến sẽ mở ra những hướng đi mới để hiểu rõ hơn về quá trình chuyển hóa sắt ở thực vật và ý nghĩa của các biến thể sắt khác nhau đối với thực vật. “Những thông tin như vậy sẽ giúp định hướng phát triển các phương pháp quản lý phù hợp hơn trong việc cải thiện năng suất cây trồng và các chiến lược bón phân cho đất hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn”.

“Cảm biến mới cung cấp một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu quá trình trao đổi chất của thực vật, vận chuyển chất dinh dưỡng và phản ứng với căng thẳng. Nó cũng hỗ trợ việc sử dụng phân bón tối ưu, giảm chi phí và tác động đến môi trường, đồng thời góp phần tạo ra các loại cây trồng giàu dinh dưỡng hơn, an ninh lương thực tốt hơn và các phương pháp canh tác bền vững hơn”, GS. Daisuke Urano - chủ nhiệm đề tài - nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm khoa học sự sống Temasek, nhà nghiên cứu chính của DiSTAP, phó giáo sư thỉnh giảng của Đại học Quốc Gia Singapore và đồng tác giả liên hệ của bài báo - cho biết.

“Bộ cảm biến này cho chúng ta khả năng tiếp cận một loại tín hiệu quan trọng ở thực vật và một chất dinh dưỡng quan trọng cần thiết để thực vật tạo ra diệp lục. Công cụ mới này không chỉ giúp nông dân phát hiện tình trạng thiếu hụt chất dinh dưỡng mà còn cung cấp khả năng tiếp cận một số thông điệp nhất định trong cây. Nó cũng mở rộng khả năng hiểu được phản ứng của thực vật đối với môi trường phát triển của nó”, nhóm nghiên cứu phân tích thêm.

Ngoài nông nghiệp, cảm biến nano này còn hứa hẹn trở thành một giải pháp mới trong việc giám sát môi trường, an toàn thực phẩm và khoa học sức khỏe, đặc biệt là trong việc nghiên cứu quá trình chuyển hóa sắt, tình trạng thiếu sắt và các bệnh liên quan đến sắt ở người và động vật. Trước cảm biến phát hiện sắt, TS. Khổng Đức Thịnh và nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển thành công một cảm biến nano để phát hiện auxin - một loại hormone thiết yếu của thực vật có vai trò điều phối sự tăng trưởng và phát triển, là trọng tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học thực vật - theo thời gian thực. “Cảm biến nano này của nhóm cũng đã mang lại khả năng mới trong việc theo dõi động học của auxin trên nhiều loài thực vật theo thời gian thực, mở ra những hướng nghiên cứu mới và cho phép chúng tôi giải quyết những câu hỏi trước đây chưa thể trả lời trong ngành khoa học thực vật”, TS. Khổng Đức Thịnh cho biết.

Nhìn về tương lai, nhóm nghiên cứu cho biết họ sẽ tập trung vào việc tận dụng cảm biến nano này để thúc đẩy các nghiên cứu cơ bản về cân bằng sắt, tín hiệu dinh dưỡng và động lực oxy hóa khử. Nhóm nghiên cứu cũng đang tiến hành các nỗ lực để tích hợp cảm biến nano vào các hệ thống quản lý dinh dưỡng tự động cho canh tác thủy canh và canh tác trên đất cũng như mở rộng chức năng của cảm biến nhằm phát hiện các vi chất dinh dưỡng thiết yếu khác. “Những cải tiến này nhằm mục đích nâng cao tính bền vững, độ chính xác và hiệu quả trong nông nghiệp”, nhóm nghiên cứu chia sẻ. “Mục tiêu của chúng tôi là trao quyền cho nông dân thông qua các công cụ giúp phát hiện sớm các áp lực môi trường và bệnh trên cây trồng, từ đó cung cấp thông tin kịp thời để ngăn ngừa thiệt hại không thể khắc phục và cuối cùng là nâng cao năng suất.”

Bài đăng KH&PT số 1345 (số 21/2025)

Khoahocphattrien