任何尝试在季节变化中让门廊植物或家庭花园存活下来的人都知道，这说起来容易做起来难。 abrupt temperature changes—like cold snaps—and prolonged periods of drought can stress plants, disrupting their normal biochemistry. If not addressed quickly enough, those stresses can eventually kill the plant. Disappointed growers often only see the tell-tale signs (like shriveling or browning leaves) after it’s too late. But a new plant-wearable device developed by researchers at the American Chemical Society could offer an early warning system.
这款可穿戴设备本周在《ACS Sensors》期刊上有所介绍，它是一种直接附着在植物叶片上的电磁传感器。其目的是检测过氧化氢，这是一种植物在暴露于环境压力时释放的化学物质。该传感器由安装在柔性基底上的微型塑料针阵列组成。该基底涂有基于壳聚糖的水凝胶，能够检测少量过氧化氢，然后将其转化为电流。该电流的存在会提醒种植者注意植物的压力水平。
图片来源：改编自 ACS Sensors 2025, DOI: 10.1021/acssensors.4c02645
在多项实验中，该设备准确地识别了暴露于病原体植物群体中过氧化氢的存在。理论上，该研究指出，类似的可穿戴设备可以应用于更大的作物产量，作为一种经济有效的方法，在植物无法挽救之前检测出受压植物。
“这项传感技术有潜力作为一种便携式设备，用于现场测量植物中的活性氧，从而为过氧化氢定量提供一种快速且经济高效的解决方案，”研究人员在论文中写道。
识别受压植物
干旱、高盐度、病虫害等多种环境因素都会引起植物胁迫。发生这种情况时，植物会自然产生过氧化氢，研究人员称其“作为急性胁迫的指标”。这会向植物细胞发出信号，激活各种防御机制。如果胁迫持续时间过长，最终会导致植物死亡。过去，研究人员通过采集小样本或观察荧光变化来监测植物胁迫的早期迹象。但这些选择都不是完美的。采集样本会损坏植物并诱导自身的胁迫，而寻找荧光变化则难以清晰检测。
这就是植物可穿戴设备的作用所在。通过将电化学传感器直接连接到植物叶片上，研究人员认为他们可以在最大限度地减少对植物的物理干扰的同时获得即时响应。实际上，该传感器的微针会刺入植物组织并检测过氧化氢，而无需收集叶片汁液提取物。微针表面涂有一层薄金，并与由生物相容性和亲水性壳聚糖和辣根过氧化物酶组成的生物水凝胶混合。
图片来源：改编自 ACS Sensors 2025, DOI: 10.1021/acssensors.4c02645
研究人员将这些传感器安装在几组烟草和大豆植物上。其中一些植物暴露于一种名为假单胞菌番茄DC3000的细菌病原体，而对照组则保持健康。正如预期的那样，连接到受感染植物上的传感器很快就显示出过氧化氢的迹象，表明存在压力。研究人员表示，传感器测量的电流水平也“直接相关”于排出的过氧化氢量。在针头磨损并失去形状之前，相同的贴片可以重复使用多达九次。
“我们可以在一分钟内直接测量，每项测试成本不到一美元，”研究人员兼论文合著者梁东在一份声明中表示。“这项突破将大大简化分析，使农民能够实用我们的贴片传感器进行实时疾病作物监测。”
梁东及其合著者对这项技术有可能被规模化用于帮助农民和园丁远程监测植物的健康状况感到乐观。这是农业行业日益增长的趋势的一部分，该趋势是将人工智能支持的监测传感器甚至自主机器人整合进来，为植物提供全天候的护理。而且风险很高。美国国家食品与农业研究所每年估计，全球约有 20%–30% 的农作物因病虫害而损失，相当于损失超过 2200 亿美元。
