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南林黄超伯/熊燃华团队 AFM 综述：植物信号监视器 - 用于植物健康分析的先进可穿戴传感器

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-10-11 12:38

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近日，南京林业大学黄超伯/熊燃华团队-中比联合先进生物医用材料联合实验室的朱苗苗副教授及其硕士研究生徐文萱在期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子：18.5）上发表题为“Botanic Signal Monitor: Advanced Wearable Sensor for Plant Health Analysis”的综述论文。

Fig 1用于在监测植物不同信号的可穿戴传感器

最近，由于环境污染和生物胁迫造成的植物物种减少、作物产量下降以及中草药药效降低等问题引起了人们的极大关注。开发用于植物健康监测的智能设备对于早期干预、及时调整生长环境以应对环境和病虫害胁迫，以及促进植物生长、生物多样性、生态平衡和可持续农业至关重要。柔性可穿戴传感器具有高形状适应性、良好的生物相容性和高集成度等优点，已成为植物健康监测领域最有前景的途径之一。该综述总结了监测不同类型植物信号的柔性可穿戴传感器的最新进展。重点讨论了各类可穿戴传感器的组成材料、制造方法和传感机制。

1.物理传感器

植物在生长过程中会产生各种物理信号，包括生长、机械应力或茎流产生的应变信号；微环境和植物表皮温度变化；植物蒸腾作用产生的湿度信号以及响应环境光强度的光学信号。这些物理信号提供了有关植物生长的基本信息，反映了植物的基本生理状态及其与环境的相互作用。

Fig 2 植物应变传感

Fig 3 植物温度传感和光学传感

Fig 4 植物湿度传感

2.化学传感器

与物理信号监测相比，化学信号监测更具选择性和针对性，可反映植物在特定胁迫条件下的生理和生化反应。植物化学信号包括：（1）植物释放的挥发性有机化合物，用于早期疾病和环境胁迫检测；（2）植物体内或表面的农药残留，用于评估作物安全和环境污染水平；（3）植物体内离子浓度变化，反映植物的营养状况和环境胁迫反应。通过对这些化学信号的监测，可以更深入地了解植物的特定反应和防御机制。

Fig 5 植物气体传感和农药残留监测

Fig 6 植物离子浓度监测

3.生物传感器

对植物生物信号的监测有助于揭示植物的生理过程，包括植物激素水平、代谢物的累积以及病原体的侵袭。通过使用不同类型的传感器监测这些生物信号，可以深入了解植物生长、发育和应激反应的内在机制，从而更全面地掌握植物的生长调节机制和健康状况。这不仅有助于植物疾病诊断，还为制定防治策略提供了科学依据。

Fig 7植物激素和代谢物监测

Fig 8植物病原体监测

4.结论与展望

植物柔性可穿戴传感器具有高贴合度和高生物相容性，可实现对植物的原位、动态连续检测和早期诊断，在监测植物生长和健康方面具有广泛的应用前景。这篇综述全面概述了用于监测各类植物信号（包括物理、化学和生物信号）的柔性可穿戴传感器的发展情况。借助植物传感器技术，可以更深入地了解植物生长过程中释放的信号与生长状态之间的联系，从而优化植物生长环境，显著提高产量并减少资源浪费。

南京林业大学为第一完成单位，第一作者为南京林业大学化工学院2022届硕士研究生徐文萱，南京林业大学化工学院朱苗苗副教授为通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金项目资助。

论文全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102326

中比先进生物医用材料联合实验室介绍：

https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent

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