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【纳米】福建农林大学ACS Nano：可穿戴传感器实现番茄生理监测及预警

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2025-01-27 08:09

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全球农业生产力每年都受到植物胁迫的影响，因此监测和预防植物胁迫是保护农业生态环境的重要措施。与采用可穿戴设备评估人体生理信息以及诊断疾病相比，采用可穿戴传感器对植物中复杂、微弱的生理信息进行原位无损感知来说是一个巨大的挑战。为了准确、实时分析多种非生物胁迫下番茄内部生理信息变化，作者通过引入在油/水界面逐层自组装合成的共价有机框骨架（COF）这种湿度敏感材料，开发了一种可以长期监测叶片表面湿度和叶片温度的集成式可穿戴传感器。得益于0.8399 nA/%RH的超高灵敏度和0.0564%的极低分辨率值等优势，COF传感器可以放大并传导信号，从而高精度实时监测10种非生物胁迫下番茄的蒸腾信息。此外还采用 元启发式优化算法来预测未来番茄内部生理变化趋势 ，对于未来及时获取番茄的非生物胁迫信息来说有着巨大的前景。

图1. 可穿戴植物传感器的形态和结构。图片来源： ACS Nano

鉴于高灵敏的COF湿度敏感薄膜在众多应用场景中的巨大潜力， 福建农林大学魏萱 团队基于分子水平上的自由修饰，采用界面自组装的方式合成了具有亚胺连接的 COF _MOP‑TAPB 、COF _BPDA‑TAPPy 、COF _PDA‑TAPPy 薄膜，并在此基础上制备了COFs/IDE/PDMS结构的柔性集成可穿戴传感器。提出了能实时监测叶片表面湿度和叶片温度的多模态集成式可穿戴传感器，实现了以高灵敏度、高分辨率长期感知10种非生物胁迫下番茄的生理信息，从而深入分析了非生物胁迫下番茄内部生理过程的变化及其原因。

图2. 非生物胁迫下番茄生理信息在14天下的变化趋势。图片来源： ACS Nano

图2a为同一番茄植株在连续施加多种非生物胁迫后的14天内的蒸腾速率变化趋势。基于CO F _MOP-TAPB （图2b）、CO F _PDA-TAPPy （图2c）和CO F _BPDA-TAPPy （图2d）的湿度传感器实时监测同一番茄植株在14天下的叶片表面湿度变化，期间连续施加8个非生物胁迫。放大的局部图像显示了人工照明下叶子表面湿度的变化。在连续施加8个非生物胁迫的情况下，番茄叶片温度在14天内的变化趋势，环境湿度保持在43%左右（图2e）。

图3. 基于元启发式优化算法的番茄叶片再非生物胁迫下表面湿度变化的时间序列预测。图片来源： ACS Nano

在这项工作中，作者提出了一种可穿戴的柔性传感器，它可以连接到番茄茎形态学上端叶片下表面。茎形态学上端叶下表面降低了信号传输的复杂性，避免了叶片的遮挡，有利于蒸腾信息的获取。感知叶片释放的水蒸气的湿敏薄膜是亚胺连接的COF，表现出了10–98% RH的宽湿度响应范围、270的超高响应（ Δ I / I ₀ ）、以及5/2 s的极短响应/恢复时间，这对于实时准确监测与人类和番茄生理信息具有重要意义。这种可穿戴传感器可以判别番茄是否遭受非生物胁迫，这与以往的研究有以下不同之处：（1）借助COF薄膜的有效的放大并传输信号，其高 S 理论上能够准确检测番茄释放的水分。（2）该可穿戴传感器安装在茎形态学上端的叶片下表面，能有效地监测番茄的生理信息。（3）可穿戴传感器的柔韧性和可拉伸性使其能够在多种非生物胁迫下长期准确监测番茄生理信息。（4）采用元启发式优化算法预测未来一段时间番茄生理信息的变化趋势，为及时采取必要的预防措施提供了一定的参考依据。

综上所述，福建农林大学魏萱团队提出的基于COF的柔性电子可穿戴设备和时间序列预测元启发式优化算法有助于植物-计算机交互的真正实现，并在其发展中发挥着至关重要的作用。该工作近日发表在 ACS Nano 上，福建农林大学博士生黄亮为第一作者，福建农林大学 孔祥增 教授、魏萱教授为共同通讯作者，福建农林大学为第一完成单位。本研究得到了了福建农林大学杰出青年研究人才计划、福建农林大学科技创新专项基金等项目的资助。

【纳米】福建农林大学ACS Nano：可穿戴传感器实现番茄生理监测及预警

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