image: Researchers from North Carolina State University have developed a patch that plants can wear to monitor continuously for plant diseases or other stresses, such as crop damage or extreme heat. view more
Credit: Qingshan Wei, NC State University
北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种植物可以“佩戴”的贴片，以持续监测植物病害或其他压力，例如作物损坏或极端高温。“我们开发了一种植物可穿戴传感器，通过测量植物释放的挥发性有机化合物 (VOC)，以无创方式监测植物压力和疾病。” 该论文的共同通讯作者魏青山说。魏青山是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系助理教授。
目前典型的测试植物压力或疾病的方法是采集植物组织样本并在实验室进行分析。然而，这些常规分子检测方法只能进行单次定点检测，而且种植者需要等待一定时间才能得到测试结果。另一方面，植物在不同情况下会释放不同组合的 VOC。通过监测与特定疾病或植物压力相关的 VOC，传感器可以实时提醒用户注意特定问题。
“我们的技术可以持续监测植物排放的 VOC ，而不会对植物造成伤害，”魏青山说，“我们的初代检测系统存储了这些监控数据，但未来的版本将以无线方式进行实时数据传输。我们开发的产品能使种植者更快速的发现某个种植区域的问题，因为他们无需等待从实验室获得测试结果。”
这个矩形的植物贴片长 约30 毫米，由石墨烯传感器和柔性银纳米线电极组成。传感器使用了多种化学配体进行改性，可对特定的VOC产生响应，使系统能够测量植物叶子排放的气体中的不同种类的 VOC。研究人员在番茄植株上测试了该系统的原型。该测试包含了对两种类型的压力的监测：对植物的物理损坏和由致病疫霉感染，后者是导致番茄晚疫病的病原体。该系统可在 1-3 小时内检测到与物理损坏相关的 VOC 变化，具体取决于物理损坏地点与植物贴片的位置的相对距离。检测致病疫霉菌需要更长的时间。在研究人员使用致病疫霉菌感染番茄植株 大约3-4 天后，该传感系统检测到了 逐渐增加的VOC 排放量。
“虽然这并不比晚疫病的外观症状出现快很多，”魏青山说， “然而，有了该监控系统意味着种植者不必依赖于检测微小的外观症状。持续监测将使种植者能够尽快识别植物病害，帮助他们控制疾病的传播。”
“我们的原型系统已经可以实现高精度检测 13 种不同的植物 VOC。该系统还允许用户开发定制传感器阵列，专注于种植者最关心的压力和疾病，”该论文的共同通讯作者朱勇说。朱勇是北卡罗来纳州机械和航空航天工程系Andrew A. Adams杰出教授。
“同样需要注意的是，制备植物贴片所使用的材料的成本相当低，”朱勇说， “如果扩大制造规模，我们认为这项技术将是经济的。我们正在努力为工业化生产中存在的问题开发实用的解决方案，我们知道成本是一个重要的考虑因素。”
研究人员目前正在努力开发下一代贴片，该贴片可以监测温度、湿度和其他环境变量以及 VOC。虽然初代原型系统由电池供电并在现场存储数据，但研究人员计划未来的版本将由太阳能供电并实现无线数据传输。
论文“通过可穿戴传感器对植物挥发物的化学电阻分析实时监测植物压力”发表在《物质》杂志上。该论文的共同第一作者是曾任北卡罗来纳州立大学博士后、现为深圳大学助理教授的李正和北卡罗来纳州立大学的博士研究生刘禹萱。该论文由北卡罗来纳州植物病理学专业William Neal Reynolds 杰出教授Jean Ristaino，北卡罗来纳州的博士研究生Oindrila Hossain、Rajesh Paul 和 Shuang Wu， 前北卡罗来纳州立大学博士后，现任石溪大学助理教授的姚姗姗合著。
摘要：植物病原体感染等植物压力的测定目前依赖于耗时且复杂的分析技术。我们报告了一种可附着在叶子植物上的化学电阻传感器阵列，用于实时识别挥发性有机化合物 (VOC) 。该阵列允许对植物病害（例如由致病疫霉引起的晚疫病）进行早期的无创诊断。不易察觉的传感器贴片在可拉伸基底上集成了一系列基于石墨烯的传感材料和柔性银纳米线电极，可以最大限度地减少应变干扰。传感器贴片被安装在活番茄植物上，以快速响应（<20 秒）在低 ppm 浓度下分析关键植物挥发物。多通道传感器阵列可以实现以 >97% 的准确度准确检测和分类 13 种植物挥发物。可穿戴传感器贴片可最早在接种后 4 天诊断番茄晚疫病，在 1 小时内检测到非生物压力（如机械损伤）。
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