可穿戴电化学传感器贴片可以实时检测植物压力信号
来源：MEMS
发布时间：2025-4-9
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环境条件会对植物造成损害性压力，这给家庭园艺爱好者和农民带来了一定的挑战。因此，在叶片明显变色、枯萎或凋零之前，及早发现是至关重要的。目前，研究人员在《ACS Sensors》期刊中报告指出，他们已经为植物开发了一种可穿戴贴片传感器贴片，其能快速感知植物压力并将信息传递给种植者。这种电化学传感器直接附着在活体植物叶片上，监测过氧化氢这一关键的求救信号。
这种可穿戴电化学传感器贴片可以测量过氧化氢，过氧化氢是大豆和烟草植物叶片中的一种压力标记
害虫、干旱、极端温度和感染都会对植物造成压力。在这种情况下，植物的正常生物化学过程会发生紊乱，产生过氧化氢。过氧化氢也是细胞间启动防御机制的信号。尽早发现这种化学线索可以帮助人们精准地调整植物养护措施，防止进一步损害，从而在困难的条件下也能实现作物产量最大化。但是，目前大多数检测过氧化氢的方法都需要去除植物部分并进行多个处理步骤，或者使用外部探测器来观察荧光变化，而荧光变化可能会被叶绿素所干扰。研究人员此前曾研究过植物可穿戴设备，用于监测叶片水分含量，以此作为植物健康的指标。因此，Liang Dong及其同事着手设计了一个独立的贴片，能够快速、准确地检测到活体植物发出的过氧化氢求救信号。
为了制造出能贴在叶片背面的传感器贴片，研究人员在一个柔韧的基底上制造了一排排微型塑料针。在这个有图案的表面上，他们涂上了一种基于壳聚糖的水凝胶混合物，这种混合物能将过氧化氢的微小变化转化为可测量的电流差异。这种混合物含有一种酶，与过氧化氢反应产生电子，并还原氧化石墨烯。
这种可重复使用的电化学传感器贴片（如图所示，贴在一片烟草叶片的背面）可以帮助种植者更早地做出决策，通过更早地检测到植物压力，来保护作物的健康。
研究人员在健康的活体大豆和烟草植物上测试了他们的传感器贴片，并将其与被细菌感染而受到压力的植物进行了比较。他们发现：
- 对于感染了细菌病原体 Pseudomonas syringae pv. tomato （丁香假单胞杆菌番茄致病变种）DC3000 的两种作物，传感器在受到压力的叶片上产生的电流比在健康叶片上产生的电流更多，电流水平与存在的过氧化氢量直接相关。
- 传感器对过氧化氢的测量是准确的，并通过常规实验室分析得到了证实。
- 大约1分钟后，传感器贴片在叶片中测出的过氧化氢水平明显低于之前从活体植物的针状传感器上报告的水平。
- 在微型针失去形状之前，传感器贴片可以重复使用九次。
新策略提供的信息可以帮助种植者有效地对作物做出决策。Dong表示：“我们可以在一分钟内完成直接测量，每次检测的成本不到一美元。这一突破将显著简化分析工作，使农民可以使用我们的传感器贴片对作物病害进行实时监测。”
研究人员很高兴能够继续推进这项研究。Dong总结指出：“我们下一步要做的是完善这项技术，提高它的可重复使用性。”
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