北卡研发植物生长芯片
2023-05-25 19:27:48
来源：DeepTech深科技
(资料图)
近日，北卡罗来纳州立大学教授课题组联合该校教授课题组，研发出一种可以实时检测植物生长状况、以及是否遭受到病虫害的方法。 研究中，他们开发了一种可被植物“穿戴”的多功能传感器芯片。这款芯片只有 30 毫米长，其由传感器和柔性电极材料组成。 而传感器中又包含碳纳米管、镀金银纳米线、基于 Nafion 共聚物，柔性电极材料则基于银纳米线制备而来。 这款可穿戴芯片具有多个功能：其由 7 个小传感器组成，可以同时检测 VOC、植物叶表面温度、环境湿度、植物叶表面湿度等。其中，VOC 指的是挥发性有机化合物（volatile organic compounds）。 具体来说，这款芯片不仅可以检测植物微环境（比如温度和湿度），还可以持续监测植物排放的 VOC。 这些小分子信号不仅是植物之间“交流的语言”，也是对环境或病虫害做出的响应性信号分子。换言之，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，可以实现无创式的植物病害检测。而通过将多通道的检测数据进行整合和分析，可以达到比其他单功能传感器更准确的检测效果。 对于多维的原始数据，课题组采用了主元分析的方法，也就是把原有数据进行简化，从而找出数据中最“主要”的元素（或者最重要的一个传感器）。 “芯片的放置位置也很有讲究，我们发现放在叶子下面会获得更好的检测信号，因为叶子下面有更高密度的气孔——这些气孔是植物与环境交换气体进行‘呼吸’的重要通道。”说。 与此同时，本次研究提供了一套完整的方法，以用于检测植物病原体、以及可能影响作物生长的非生物压力。 总而言之，这是一种可以同时检测植物挥发性有机化合物（VOC）和环境条件的创新型方法，也是可穿戴传感器在植物病害早期检测领域的突破性尝试。 日前，相关论文以《用于连续植物生理学监测的近轴叶表面安装多模式可穿戴传感器》（）为题发在Science Advances 上 [1]， 李元（音，Giwon Lee） 是第一作者， 教授和 教授担任共同通讯作者。 图 | 相关论文（来源：Science Advances） 表示，疾病检测的重要性对于人体健康是显而易见的，对于植物健康和可持续农业同样重要。 就植物或农作物来说，其生长不仅会受到病虫害影响，也容易受到环境因素（比如温度、适度、土壤环境等）的干扰。 提早检测植物的异常生长趋势或内部的应激响应，能更好地了解植物的生长状态，从而采取更有针对性的防病虫害措施，以及对其生长环境做出适当调整，比如通过改变灌溉和光照周期等来消除不利环境因素。 长期以来，大部分农作物种植者都依靠经验来判断作物的生长状况以及所受的病虫害。有时，不同病虫害或环境因素，会导致作物出现非常相似的症状，这会导致误诊或误判。 分子检测技术比如核算放大扩增，则能更准确地检测不同类型的病害。但是，该类技术需要在实验室中进行操作。 同时，样品的收集和寄送将耗费大量时间，这可能会导致植物病变的确诊被延误数日甚至数周。因此，研发更快捷、更便宜的检测技术具有重大意义。 目前，在温室中的番茄植株上，该团队对这款可穿戴芯片的性能进行了测试。他们使用三种不同的病原体感染了番茄植株：包括一种番茄病毒、一种细菌感染、以及一种被称为卵菌的病原体。 结果发现，由于该芯片拥有多个传感器，这让他们在植物首次感染四天之后就能检测到病毒病原体。 相比传统依靠经验来判断病害的方法，本次方法具备显著的优势，原因在于西红柿通常不会在 10-14 天内出现任何病毒感染症状。 “我们还测试了这些植物在遭受各种非生物因数（例如水涝、干旱、光照不足和高盐浓度水）时的反响，结果发现本次芯片都能敏锐捕捉到这些环境变化。”说。 初始实验数据表明，这款可穿戴芯片主要能被用于以下两个场景：植物病虫害监测、以及非生物因数导致的植物应激响应。 另外，它也有望直接用于温室植物生长状态和微环境感知，可以根据植物的需要，自动调整光热水等生长条件。而这也将是智能温室的关键一环。 长远来看，它还能用于数字农业和精准农业，帮助种植者提高作物生长效率，以及减少病害导致的作物损失。 说：“从单个传感器材料筛选和制备、到传感器集成、再到建立一套多通道数据处理方法、以及针对温室番茄作物上进行应用测试，整个过程涉及到化学修饰、电子器件制备、作物培养和感染、以及数据分析等，跨度可谓非常之大。” 甚至，为了更方便地采集实验数据，课题组中工程学出身的学生，都学会了自己种植番茄。 继续说道：“整个团队包括不同方面的专家，比如担任论文共同通讯作者北卡机械系的老师，在柔性电子已经芯片集成上提供了极大的帮助，我们学校植物病理学系的 课题组提供了番茄和病原体模型。” 在传感器材料的选择上，他们尤其重视要避免交叉信号。比如 VOC 传感器要做到尽量不对温度和湿度做出响应。 芯片的性能测试，也被分几个不同阶段。比如，针对 VOC 传感器的检测，该团队最先采用单一纯化的 VOC 模型分子，然后才在活体植株上进行真实的 VOC 检测。 尽管如此，要想实现一个能被种植者使用的成熟型芯片产品，还需要解决几个关键问题： 首先，芯片需要“更长寿”，这就需要选取更耐用的传感器材料或更好的封装技术。 其次，贴片需要无线化，以便进行远距离无线数据传递、以及能源自主（比如太阳能驱动）。 再次，在温室之外也能工作，要想实现这一功能就得让芯片在温室外的田间进行多项测试，以确保贴片在现实条件下（比如下雨、高温等）也是稳定有效的。而针对以上问题，课题组也将继续努力解决。 参考资料：
1.Lee, G., Hossain, O., Jamalzadegan, S., Liu, Y., Wang, H., Saville, A. C., ... & Wei, Q.（2023）. Abaxial leaf surface-mounted multimodal wearable sensor for continuous plant physiology monitoring.Science Advances,9（15）, eade2232.
