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南林黃超伯/熊燃華團隊 AFM 綜述:植物信號監視器 - 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,南京林業大學黃超伯/熊燃華團隊-中比聯合先進生物醫用材料聯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)上發表題為“Botanic Signal Monitor: Advanced Wearable Sensor for Plant Health Analysis”的綜述論文。


Fig 1用于在監測植物不同信號的可穿戴傳感器


  最近,由于環境污染和生物脅迫造成的植物物種減少、作物產量下降以及中草藥藥效降低等問題引起了人們的極大關注。開發用于植物健康監測的智能設備對于早期干預、及時調整生長環境以應對環境和病蟲害脅迫,以及促進植物生長、生物多樣性、生態平衡和可持續農業至關重要。柔性可穿戴傳感器具有高形狀適應性、良好的生物相容性和高集成度等優點,已成為植物健康監測領域最有前景的途徑之一。該綜述總結了監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生各種物理信號,包括生長、機械應力或莖流產生的應變信號;微環境和植物表皮溫度變化;植物蒸騰作用產生的濕度信號以及響應環境光強度的光學信號。這些物理信號提供了有關植物生長的基本信息,反映了植物的基本生理狀態及其與環境的相互作用。


Fig 2 植物應變傳感


Fig 3 植物溫度傳感和光學傳感


Fig 4 植物濕度傳感


2.化學傳感器


  與物理信號監測相比,化學信號監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。植物化學信號包括:(1)植物釋放的揮發性有機化合物,用于早期疾病和環境脅迫檢測;(2)植物體內或表面的農藥殘留,用于評估作物安全和環境污染水平;(3)植物體內離子濃度變化,反映植物的營養狀況和環境脅迫反應。通過對這些化學信號的監測,可以更深入地了解植物的特定反應和防御機制。


Fig 5 植物氣體傳感和農藥殘留監測


Fig 6 植物離子濃度監測


3.生物傳感器


  對植物生物信號的監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測這些生物信號,可以深入了解植物生長、發育和應激反應的內在機制,從而更全面地掌握植物的生長調節機制和健康狀況。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依據。


Fig 7植物激素和代謝物監測


Fig 8植物病原體監測


4.結論與展望


  植物柔性可穿戴傳感器具有高貼合度和高生物相容性,可實現對植物的原位、動態連續檢測和早期診斷,在監測植物生長和健康方面具有廣泛的應用前景。這篇綜述全面概述了用于監測各類植物信號(包括物理、化學和生物信號)的柔性可穿戴傳感器的發展情況。借助植物傳感器技術,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之間的聯系,從而優化植物生長環境,顯著提高產量并減少資源浪費。


  南京林業大學為第一完成單位,第一作者為南京林業大學化工學院2022屆碩士研究生徐文萱,南京林業大學化工學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

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

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(責任編輯:xu)
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