穿戴式植物感測器：北卡羅來納州立大學工程師設計貼片來監測疾病和其他壓力因素
發布日期：羅利 – 北卡羅來納州立大學的研究人員開發了一種植物可以「穿戴」的貼片，以連續監測植物疾病或其他脅迫，例如農作物受損或極端高溫。
「我們創建了一種可穿戴感測器，透過測量植物排放的揮發性有機化合物 (VOC)，以非侵入性方式監測植物的壓力和疾病，」說 魏青山，該工作論文的共同通訊作者。魏是北卡羅來納州立大學化學和生物分子工程助理教授。
目前測試植物脅迫或疾病的方法包括採集植物組織樣本並在實驗室中進行測定。然而，這只能為種植者提供一種測量結果，並且種植者取樣和獲得測試結果之間存在時間滯後。
植物在不同情況下會排放不同的揮發性有機化合物組合。透過針對與特定疾病或植物壓力相關的揮發性有機化合物，感測器可以提醒使用者註意特定問題。
「我們的技術持續監測工廠的揮發性有機化合物排放，而不損害工廠，」魏說。 「我們演示的原型儲存了這些監控數據，但未來的版本將無線傳輸數據。我們開發的產品使種植者能夠識別田間問題——他們不必等待收到實驗室的測試結果。”
這些矩形貼片長 30 毫米，由含有石墨烯感測器和柔性銀奈米線的柔性材料組成。感測器塗有各種化學配體，可響應特定 VOC 的存在，從而使系統能夠檢測和測量植物葉子排放的氣體中的 VOC。
研究人員在番茄植株上測試了該設備的原型。原型的建立是為了監測兩種類型的壓力：對植物的物理損害和植物感染 馬鈴薯晚疫病菌，引起番茄晚疫病的病原體。該系統在一到三個小時內檢測到與物理損壞相關的 VOC 變化，具體取決於損壞與補丁部位的距離。
檢測是否存在 馬鈴薯晚疫病菌 花了更長的時間。直到研究人員在番茄植株接種疫苗三到四天后，該技術才檢測到揮發性有機化合物排放的變化。
「這並不比晚疫病視覺症狀的出現快得多，」魏說。 「然而，監控系統意味著種植者不必依賴檢測微小的視覺症狀。持續監測將使種植者能夠盡快識別植物病害，幫助他們限制疾病的傳播。”
「我們的原型已經可以高精度檢測 13 種不同的植物 VOC，使用戶能夠開發定制的傳感器陣列，重點關注種植者認為最相關的壓力和疾病，」該論文的共同通訊作者朱勇說Andrew A. Adams 北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程傑出教授。
「還需要注意的是，這些材料的成本相當低，」朱說。 「如果擴大生產規模，我們認為這項技術將是負擔得起的。我們正在嘗試為現實世界的問題開發一種實用的解決方案，並且我們知道成本是一個重要的考慮因素。”
研究人員目前正在努力開發下一代貼片，可以監測溫度、濕度和其他環境變數以及揮發性有機化合物。雖然原型是電池供電並在現場儲存數據，但研究人員計劃未來的版本採用太陽能供電並能夠無線數據傳輸。
該論文“透過穿戴式感測器對葉子揮發物進行化學電阻分析來即時監測植物脅迫，」發表在雜誌上 事。論文的共同第一作者是前北卡羅來納州立大學博士後博士後、現深圳大學助理教授李宇軒和博士生李宇軒。北卡羅來納州立大學的學生。該論文由北卡羅來納州立大學植物病理學傑出教授 Jean Ristaino 共同撰寫。 Oindrila Hossain、Rajesh Paul 和 Shuang Wu，他們是博士。北卡羅來納州立大學的學生；姚珊珊（Shanshan Yao），前北卡羅來納州立大學博士後，現任石溪大學助理教授。
這項工作是在北卡羅來納州校長卓越教師計劃的支持下完成的；凱南工程技術與科學研究所；北卡羅來納州立大學改變遊戲規則的植物科學計畫研究激勵計畫 (GRIP4PSI)；美國農業部北卡羅來納州人類健康與環境中心試點計畫獎，編號 2019-67030-29311；美國農業部 APHIS 農業法案撥款編號 3.0096；和美國國家科學基金會，撥款編號 1728370。
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原文來源： WRAL 技術線