#万物皆科技##科学家利用苍蝇作为传感器

科技 07-28 来源： MEMS拓荒者

【文章摘要】

在这项工作中，在化学战场上袭击 (CWA) 之后，作为环境化学样品收集器对苍蝇进行了调查。苍蝇在寻找水和食物来源时对环境进行采样，并且可以使用诱饵陷阱在数公里外被捕获。将三种苍蝇暴露于 CWA 模拟物，以确定这些化合物在不同环境条件下的持久性和可检测性。开发了一种液相色谱质谱 (LC-MS/MS) 用方法来检测苍蝇内脏中的毒素 CWA 模拟物和水解产物。苍蝇暴露于 CWA 模拟物甲基膦酸二甲酯和氨基磷酸二乙酯以及杀虫剂敌敌畏，然后是依赖于处理的温度和湿度条件。在暴露后 14 天的时间内每隔一段时间将苍蝇处死。用 LC-MS/MS 方法提取和分析苍蝇内脏。苍蝇内脏中 CWA 模拟物的量在暴露后随时间减少，但在暴露后减少 14 天可检测到，从而提供了较长的可检测窗口。除了对 CWA 模拟物的分析外，沙林的水解产物异丙基甲基膦酸也在暴露 14 天后的苍蝇中检测到。这项工作证明了在不冒生命危险的情况下从偏远或限制进入的地区获取有价值样本的潜力。在接触后 14 天的蝇蛆中也检测到。这项工作证明了在不冒生命危险的情况下从偏远或限制进入的地区获取有价值样本的潜力。在接触后 14 天的蝇蛆中也检测到。这项工作证明了在不冒生命危险的情况下从偏远或限制进入的地区获取有价值样本的潜力。

【背景介绍】

化学战剂 (CWA) 是剧毒化学品，以气溶胶形式分散、沉积在表面或释放到环境中。这些危险的化学物质通过失能造成伤害，通常会导致致命的影响。CWAs 有着漫长而动荡的历史，最终于 1992 年制定了《化学武器公约》。该条约禁止生产、储存或使用化学武器。尽管世界上许多国家都签署了该条约，从而同意减少其披露的化学武器库存，但人们仍然担心流氓国家和极端主义边缘团体维持或可能生产未知数量的化学武器。这对世界各国构成了巨大的风险。最近发生了几起由国家和非国家部队发动的化学武器袭击事件。从 2012 年到 2019 年，叙利亚内战期间发生了什么事情 300 多起化学武器袭击事件。2018年，神经毒剂VX被用于暗杀金正男。2019 年 11 月，在索尔兹伯里/埃姆斯伯里事件之后，诺维乔克毒剂 A-234 被添加到《化学武器公约》的受控物质清单中。这是自 1990 年代该条约达成一致以来添加的第一种化学品。

这些例子表明，化学武器的使用是一个持续存在的问题，因此开发新的、创新的样本收集和检测方法至关重要。需要由禁止化学武器组织 (OPCW) 进行调查的袭击，例如在叙利亚发生的袭击，需要多国合作和代价高昂的长期调查。到最终在合格的实验室收集和分析样品时，仍会残留痕量的完整试剂，留下水解产物。必须能够快速检测这些化学物质以确定在疑似 CWA 攻击后采取的适当行动。虽然研究表明在检测环境中的化学和生物战剂方面取得了成功，但这些样本收集方法仍然需要人类进入潜在污染区域。这一要求不仅可能使反应者暴露于毒素之中，而且还减慢了现场的整体反应。

除了用作武器外，有机磷分子对环境的污染和影响由来已久。自 1960 年代以来，这些分子已在农业中用作杀虫剂，以防止昆虫对作物造成损害。全世界使用的农药中大约有 40% 是有机磷分子。由于它们很受欢迎，已经对这些化学物质的环境影响进行了深入研究，并且这些化学物质的暴露可以通过食物通过摄入或皮肤吸收发生。除了使用杀虫剂外，旧的有机磷弹药还被丢弃在环境中，导致垃圾场的生态系统发生变化。这些改变可能导致食品受到污染，类似于农药的使用。在释放 CWA 后，通过处置或有意释放，需要防止暴露于作战人员，但也需要防止通过环境二次暴露于平民。

幸运的是，远程和被动样本收集和后续分析取得了进步。例如，无人驾驶飞行器 (UAV) 无人机技术处于不干涉样本采集的前沿。然而，这些使用复杂的仪器，这些仪器本质上是公开的和风险发现。此外，它们笨重的形状限制了在崎岖地形中的可达性，限制了它们的使用。生物物种，例如Tradescantia，蜜蜂（Apis mellifera L.），水果和蔬菜已监测农药暴露。此外，还训练并部署了蜜蜂来探测爆炸物。CWA 的理想样品采集方法是隐蔽、快速、易于使用、价格低廉且支持灵敏检测，目前尚未开发。

该项目提出了一个解决方案，利用苍蝇作为环境样本收集器和传感器。苍蝇通过从腐肉中采集液体不断地对环境进行采样，屎，植被和积水。此外，它们存在于除南极洲以外的每个大陆的各种气候和生态系统中。法医昆虫学家通常使用苍蝇来准确估计死后间隔的部分（即死亡后经过的时间，PMI）。除了法医昆虫学，苍蝇也是脊椎动物资源多样性的有力指标。通过分析动物 DNA 的胃内容物，苍蝇可用于连接和间接监测动物群落的变化和动物粪便的化学特征，以及通过对苍蝇头进行稳定同位素分析来确定环境中以前的胴体资源。

仅通过生活在环境中并对其进行采样，苍蝇就可以拥有大量重要的生物和化学信息。因此，苍蝇的化学分析可用于危险或偏远地区的化学取样。用Phormia regina进行的捕获和释放实验表明，可以使用诱饵陷阱从 13 到 45 公里外回收苍蝇。苍蝇具有远距离飞行的能力；P. regina被记录到距其扩散点 45 公里处。然而，当重要资源充足时，苍蝇往往会留在附近，不会远离宝贵的繁殖机会。苍蝇似乎可以更好地检测相对于其位置逆风放置的诱饵，但是当在当地环境中没有检测到风时，它们也可以定位诱饵。因此，苍蝇的收集有可能为人员提供来自目标区域的有价值的样本，而不会危及化学、生物、放射、核和爆炸物 (CRBNE) 小组、作战人员或其他响应者的生命。该项目的目标是开发分析技术以检测苍蝇肠道内容物中的毒素 CWA 模拟物和 CWA 水解产物，并通过受控喂养实验初步了解这些试剂在苍蝇中的寿命。

【文章亮点分析】

吹飞提取

实验苍蝇被冻死，消化系统的一部分用火焰消毒的镊子解剖出来。昆虫消化系统由前肠（包括作物和腺胃）、中肠和后肠组成。出于本研究的目的，前肠和中肠被解剖以进行化学分析，此后将被称为“内脏”。通过在 100 μL 甲醇中超声处理 30 分钟，然后在 200 μL 水中进行氮气蒸发和复溶，以提高分析物的保留，从而提取肠道的化合物。所有苍蝇都被单独提取并单独分析。将内标混合物加标到重构的样品中。

LC-MS/MS 分析开发和验证

在来自 Thermo Fisher Scientific（加利福尼亚州圣何塞）的 UltiMate 3000 HPLC 系统和 Q-Exactive Focus 质谱仪上进行分析开发和验证。使用 Hypersil GOLD C18（100 mm × 2.1 mm，3 μm 粒径）分析柱和 Javelin 保护柱进行分析。使用 10 μL 进样体积，在所有样品进样前后清洗自动进样器针头。柱温保持在 40 °C，自动进样器温度保持在 4 °C。流动相由 5 mM 乙酸铵 (A) 和甲醇 (B) 组成。梯度以 0.2 mL/min 的流速运行如下：0-1.5 分钟保持在 2%B，1.5-3.5 分钟从 2 到 95% B 线性斜坡，3.5-7 保持在 95%B，然后以 2% B 的 6 分钟再平衡期结束，形成 13 分钟的方法。

LC 分离后，使用 Q-Exactive Focus 质谱仪分析样品，参数如下：20 种鞘气（任意单位），320 °C 离子传输管温度，S-lens 设置为 50 V，以及 35 000解决。如前所述，MS 在 7 天内至少在正离子和负离子模式下校准一次。质谱数据是使用并行反应监测 (PRM) 和 MS/MS 碎裂获得的，在正离子 (4 kV) 和负离子模式 (3 kV)下，隔离窗口均为 ±0.5 m/z ，具体取决于分析物。包含物列表与分析物保留时间周围的窗口一起使用，以促进正确的极性。由于 PinMPA（负离子）和敌敌畏（正离子）的紧密洗脱，在 7 分钟左右使用了极性切换。分析物 MS 条件列表，包括用于定量的离子对，请参见表 1。

【总结】

研究人员用LC-MS/MS法提取和分析了这些苍蝇的蝇粪。检测发现，苍蝇肠道中CWA模拟物的数量，虽然随着暴露时间的延长而减少，但在暴露 14天后依然可检测到。说明苍蝇肠道可提供一个很长的可检测窗口。除了分析CWA模拟物外，研究人员还将苍蝇暴露于沙林毒气中。14天后研究人员对苍蝇肠道进行了检测，发现其中还有沙林的水解产物异丙基甲基膦酸。研究人员表示，这项工作展示了在不危及生命的情况下，人们可以利用苍蝇从偏远地区或进入受限区域获取有价值样本的潜力。