一種可被植物“穿戴”的多功能傳感器芯片

是的，芯片也能用在番茄上了。

近日，北卡羅來納州立大學(xué)魏青山教授課題組聯(lián)合該校朱勇教授課題組，研發(fā)出一種可以實時檢測植物生長狀況、以及是否遭受到病蟲害的方法。

研究中，他們開發(fā)了一種可被植物“穿戴”的多功能傳感器芯片。這款芯片只有30毫米長，其由傳感器和柔性電極材料組成。

而傳感器中又包含碳納米管、鍍金銀納米線、基于Nafion共聚物，柔性電極材料則基于銀納米線制備而來。

這款可穿戴芯片具有多個功能：其由7個小傳感器組成，可以同時檢測VOC、植物葉表面溫度、環(huán)境濕度、植物葉表面濕度等。其中，VOC指的是揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds）。

（來源：Science Advances） 具體來說，這款芯片不僅可以檢測植物微環(huán)境（比如溫度和濕度），還可以持續(xù)監(jiān)測植物排放的VOC。

這些小分子信號不僅是植物之間“交流的語言”，也是對環(huán)境或病蟲害做出的響應(yīng)性信號分子。換言之，植物在不同情況下會釋放不同組合的VOC。

通過監(jiān)測與特定疾病、或植物壓力相關(guān)的VOC，可以實現(xiàn)無創(chuàng)式的植物病害檢測。而通過將多通道的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析，可以達(dá)到比其他單功能傳感器更準(zhǔn)確的檢測效果。

對于多維的原始數(shù)據(jù)，課題組采用了主元分析的方法，也就是把原有數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，從而找出數(shù)據(jù)中最“主要”的元素（或者最重要的一個傳感器）。

“芯片的放置位置也很有講究，我們發(fā)現(xiàn)放在葉子下面會獲得更好的檢測信號，因為葉子下面有更高密度的氣孔——這些氣孔是植物與環(huán)境交換氣體進(jìn)行‘呼吸’的重要通道。”魏青山說。

（來源：Science Advances） 與此同時，本次研究提供了一套完整的方法，以用于檢測植物病原體、以及可能影響作物生長的非生物壓力。

總而言之，這是一種可以同時檢測植物揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）和環(huán)境條件的創(chuàng)新型方法，也是可穿戴傳感器在植物病害早期檢測領(lǐng)域的突破性嘗試。

日前，相關(guān)論文以《用于連續(xù)植物生理學(xué)監(jiān)測的近軸葉表面安裝多模式可穿戴傳感器》（Abaxial leaf surface-mounted multimodal wearable sensor for continuous plant physiology monitoring）為題發(fā)表在Science Advances期刊上，李元（音，Giwon Lee）是第一作者，朱勇教授和魏青山教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science Advances）

魏青山表示，疾病檢測的重要性對于人體健康是顯而易見的，對于植物健康和可持續(xù)農(nóng)業(yè)同樣重要。

就植物或農(nóng)作物來說，其生長不僅會受到病蟲害影響，也容易受到環(huán)境因素（比如溫度、適度、土壤環(huán)境等）的干擾。

提早檢測植物的異常生長趨勢或內(nèi)部的應(yīng)激響應(yīng)，能更好地了解植物的生長狀態(tài)，從而采取更有針對性的防病蟲害措施，以及對其生長環(huán)境做出適當(dāng)調(diào)整，比如通過改變灌溉和光照周期等來消除不利環(huán)境因素。

長期以來，大部分農(nóng)作物種植者都依靠經(jīng)驗來判斷作物的生長狀況以及所受的病蟲害。有時，不同病蟲害或環(huán)境因素，會導(dǎo)致作物出現(xiàn)非常相似的癥狀，這會導(dǎo)致誤診或誤判。

分子檢測技術(shù)比如核算放大擴(kuò)增，則能更準(zhǔn)確地檢測不同類型的病害。但是，該類技術(shù)需要在實驗室中進(jìn)行操作。

同時，樣品的收集和寄送將耗費大量時間，這可能會導(dǎo)致植物病變的確診被延誤數(shù)日甚至數(shù)周。因此，研發(fā)更快捷、更便宜的檢測技術(shù)具有重大意義。

（來源：Science Advances） 目前，在溫室中的番茄植株上，該團(tuán)隊對這款可穿戴芯片的性能進(jìn)行了測試。他們使用三種不同的病原體感染了番茄植株：包括一種番茄病毒、一種細(xì)菌感染、以及一種被稱為卵菌的病原體。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于該芯片擁有多個傳感器，這讓他們在植物首次感染四天之后就能檢測到病毒病原體。

相比傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗來判斷病害的方法，本次方法具備顯著的優(yōu)勢，原因在于西紅柿通常不會在10-14天內(nèi)出現(xiàn)任何病毒感染癥狀。

“我們還測試了這些植物在遭受各種非生物因素（例如水澇、干旱、光照不足和高鹽濃度水）時的反響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)本次芯片都能敏銳捕捉到這些環(huán)境變化?！蔽呵嗌秸f。

初始實驗數(shù)據(jù)表明，這款可穿戴芯片主要能被用于以下兩個場景：植物病蟲害監(jiān)測、以及非生物因素導(dǎo)致的植物應(yīng)激響應(yīng)。

另外，它也有望直接用于溫室植物生長狀態(tài)和微環(huán)境感知，可以根據(jù)植物的需要，自動調(diào)整光熱水等生長條件。而這也將是智能溫室的關(guān)鍵一環(huán)。

長遠(yuǎn)來看，它還能用于數(shù)字農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，幫助種植者提高作物生長效率，以及減少病害導(dǎo)致的作物損失。

（來源：Science Advances） 那么，這樣一款芯片的誕生，要經(jīng)歷哪些過程？

魏青山說：“從單個傳感器材料篩選和制備、到傳感器集成、再到建立一套多通道數(shù)據(jù)處理方法、以及針對溫室番茄作物上進(jìn)行應(yīng)用測試，整個過程涉及到化學(xué)修飾、電子器件制備、作物培養(yǎng)和感染、以及數(shù)據(jù)分析等，跨度可謂非常之大?！?/p>

甚至，為了更方便地采集實驗數(shù)據(jù)，課題組中工程學(xué)出身的學(xué)生，都學(xué)會了自己種植番茄。

魏青山繼續(xù)說道：“整個團(tuán)隊包括不同方面的專家，比如擔(dān)任論文共同通訊作者北卡機(jī)械系的朱勇老師，在柔性電子已經(jīng)芯片集成上提供了極大的幫助，我們學(xué)校植物病理學(xué)系的Jean Ristaino課題組提供了番茄和病原體模型。”

在傳感器材料的選擇上，他們尤其重視要避免交叉信號。比如VOC傳感器要做到盡量不對溫度和濕度做出響應(yīng)。

芯片的性能測試，也被分幾個不同階段。比如，針對VOC傳感器的檢測，該團(tuán)隊最先采用單一純化的VOC模型分子，然后才在活體植株上進(jìn)行真實的VOC檢測。

（來源：Science Advances） 盡管如此，要想實現(xiàn)一個能被種植者使用的成熟型芯片產(chǎn)品，還需要解決幾個關(guān)鍵問題：

首先，芯片需要“更長壽”，這就需要選取更耐用的傳感器材料或更好的封裝技術(shù)。

其次，貼片需要無線化，以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳遞、以及能源自主（比如太陽能驅(qū)動）。

再次，在溫室之外也能工作，要想實現(xiàn)這一功能就得讓芯片在溫室外的田間進(jìn)行多項測試，以確保貼片在現(xiàn)實條件下（比如下雨、高溫等）也是穩(wěn)定有效的。而針對以上問題，課題組也將繼續(xù)努力解決。

編輯：黃飛