植物贴片可以连续监测作物病害

研究人员开发了一种植物可以“佩戴”的贴片，用于连续监测植物病害或其他胁迫，如作物受损或酷热。

　　

“我们发明了一种可穿戴传感器，通过测量植物释放的挥发性有机化合物(VOCs)，以一种非侵入性的方式监测植物压力和疾病，”该研究论文的共同通讯作者魏青山(音)说。魏教授是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程的助理教授。

目前检测植物胁迫或疾病的方法包括采集植物组织样本并在实验室进行化验。然而，这只给了种植者一种测量方法，而且种植者从采集样本到得到测试结果之间有一个时间差。

植物在不同的环境下释放出不同的VOCs组合。通过定位与特定疾病或植物胁迫相关的VOCs，传感器可以提醒用户特定的问题。

魏说:“我们的技术持续监测工厂的VOC排放，不会对工厂造成伤害。”“我们展示的原型机存储了这些监测数据，但未来的版本将无线传输数据。我们开发的技术可以让种植者识别出田间的问题——他们不需要等待实验室的测试结果。”

矩形贴片长30毫米，由一种柔性材料组成，其中包含基于石墨烯的传感器和柔性银纳米线。传感器被涂上各种化学配体，这些配体对特定VOCs的存在做出反应，使该系统能够检测和测量植物叶子排放的气体中的VOCs。

研究人员在番茄植株上测试了该设备的原型。建立该原型是为了监测两种类型的胁迫:对植物的物理损害和P. infestans的感染，P. infestans是导致番茄晚疫病的病原体。该系统在1到3小时内检测到与物理损伤相关的VOC变化，具体时间取决于损伤距离贴片部位的距离。

检测疟原虫的存在需要更长的时间。直到研究人员接种番茄植株后的三到四天，这项技术才捕捉到VOC排放量的变化。

“这并不比晚疫病视觉症状的出现快得多，”魏说。“然而，这一监测系统意味着种植者不必依靠微小的视觉症状来检测。持续监测将使种植者能够尽快识别植物疾病，帮助他们限制疾病的传播。”

“我们的原型已经可以高精度地检测13种不同的植物VOCs，允许用户开发定制的传感器阵列，专注于种植者认为最相关的压力和疾病，”朱勇说，论文的共同通讯作者，北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程Andrew A. Adams特聘教授。

“同样重要的是，材料的成本相当低，”朱说。“如果生产规模扩大，我们认为这种技术将是负担得起的。我们正试图为现实世界的问题开发一个实用的解决方案，我们知道成本是一个重要的考虑因素。”

研究人员目前正致力于开发下一代补丁，可以监测温度、湿度和其他环境变量以及VOCs。虽然原型机是由电池供电并在现场存储数据，研究人员计划未来的版本是由太阳能供电并能够无线传输数据。

Journal Reference:

1. Zheng Li, Yuxuan Liu, Oindrila Hossain, Rajesh Paul, Shanshan Yao, Shuang Wu, Jean B. Ristaino, Yong Zhu, Qingshan Wei. Real-time monitoring of plant stresses via chemiresistive profiling of leaf volatiles by a wearable sensor. Matter, 2021; 4 (7): 2553 DOI: 10.1016/j.matt.2021.06.009