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南林黃超伯/熊燃華團隊 AFM 綜述:植物信號監(jiān)視器 - 用于植物健康分析的先進可穿戴傳感器
2024-10-11  來源:高分子科技

  近日,南京林業(yè)大學(xué)黃超伯/熊燃華團隊-中比聯(lián)合先進生物醫(yī)用材料聯(lián)合實驗室朱苗苗副教授及其碩士研究生徐文萱在期刊《Advanced Functional Materials》(影響因子:18.5)上發(fā)表題為“Botanic Signal Monitor: Advanced Wearable Sensor for Plant Health Analysis”的綜述論文。


Fig 1用于在監(jiān)測植物不同信號的可穿戴傳感器


  最近,由于環(huán)境污染和生物脅迫造成的植物物種減少、作物產(chǎn)量下降以及中草藥藥效降低等問題引起了人們的極大關(guān)注。開發(fā)用于植物健康監(jiān)測的智能設(shè)備對于早期干預(yù)、及時調(diào)整生長環(huán)境以應(yīng)對環(huán)境和病蟲害脅迫,以及促進植物生長、生物多樣性、生態(tài)平衡和可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要。柔性可穿戴傳感器具有高形狀適應(yīng)性、良好的生物相容性和高集成度等優(yōu)點,已成為植物健康監(jiān)測領(lǐng)域最有前景的途徑之一。該綜述總結(jié)了監(jiān)測不同類型植物信號的柔性可穿戴傳感器的最新進展。重點討論了各類可穿戴傳感器的組成材料、制造方法和傳感機制。


1.物理傳感器


  植物在生長過程中會產(chǎn)生各種物理信號,包括生長、機械應(yīng)力或莖流產(chǎn)生的應(yīng)變信號;微環(huán)境和植物表皮溫度變化;植物蒸騰作用產(chǎn)生的濕度信號以及響應(yīng)環(huán)境光強度的光學(xué)信號。這些物理信號提供了有關(guān)植物生長的基本信息,反映了植物的基本生理狀態(tài)及其與環(huán)境的相互作用。


Fig 2 植物應(yīng)變傳感


Fig 3 植物溫度傳感和光學(xué)傳感


Fig 4 植物濕度傳感


2.化學(xué)傳感器


  與物理信號監(jiān)測相比,化學(xué)信號監(jiān)測更具選擇性和針對性,可反映植物在特定脅迫條件下的生理和生化反應(yīng)。植物化學(xué)信號包括:(1)植物釋放的揮發(fā)性有機化合物,用于早期疾病和環(huán)境脅迫檢測;(2)植物體內(nèi)或表面的農(nóng)藥殘留,用于評估作物安全和環(huán)境污染水平;(3)植物體內(nèi)離子濃度變化,反映植物的營養(yǎng)狀況和環(huán)境脅迫反應(yīng)。通過對這些化學(xué)信號的監(jiān)測,可以更深入地了解植物的特定反應(yīng)和防御機制。


Fig 5 植物氣體傳感和農(nóng)藥殘留監(jiān)測


Fig 6 植物離子濃度監(jiān)測


3.生物傳感器


  對植物生物信號的監(jiān)測有助于揭示植物的生理過程,包括植物激素水平、代謝物的累積以及病原體的侵襲。通過使用不同類型的傳感器監(jiān)測這些生物信號,可以深入了解植物生長、發(fā)育和應(yīng)激反應(yīng)的內(nèi)在機制,從而更全面地掌握植物的生長調(diào)節(jié)機制和健康狀況。這不僅有助于植物疾病診斷,還為制定防治策略提供了科學(xué)依據(jù)。


Fig 7植物激素和代謝物監(jiān)測


Fig 8植物病原體監(jiān)測


4.結(jié)論與展望


  植物柔性可穿戴傳感器具有高貼合度和高生物相容性,可實現(xiàn)對植物的原位、動態(tài)連續(xù)檢測和早期診斷,在監(jiān)測植物生長和健康方面具有廣泛的應(yīng)用前景。這篇綜述全面概述了用于監(jiān)測各類植物信號(包括物理、化學(xué)和生物信號)的柔性可穿戴傳感器的發(fā)展情況。借助植物傳感器技術(shù),可以更深入地了解植物生長過程中釋放的信號與生長狀態(tài)之間的聯(lián)系,從而優(yōu)化植物生長環(huán)境,顯著提高產(chǎn)量并減少資源浪費。


  南京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位,第一作者為南京林業(yè)大學(xué)化工學(xué)院2022屆碩士研究生徐文萱,南京林業(yè)大學(xué)化工學(xué)院朱苗苗副教授為通訊作者。該該成果得到了國家自然科學(xué)基金項目資助。

 

  論文全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410544

  中比先進生物醫(yī)用材料聯(lián)合實驗室介紹:https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent

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