摘要：由于人口增长和环境破坏，全球作物产量正面临压力。植物胁迫是导致作物产量和质量下降的重要因素，给农民带来了直接的经济损失。植物的内部生理条件在胁迫下会发生变化，这些变化因个体而异，因此选择抗胁迫品种是值得的。近年来，植物表型加速了品种选择的过程，反映了监测单个植
由于人口增长和环境破坏，全球作物产量正面临压力。植物胁迫是导致作物产量和质量下降的重要因素，给农民带来了直接的经济损失。植物的内部生理条件在胁迫下会发生变化，这些变化因个体而异，因此选择抗胁迫品种是值得的。近年来，植物表型加速了品种选择的过程，反映了监测单个植物内部生理特征的需求。然而，对单个植物的内部生理特征进行实时和高度敏感的监测仍然是一个挑战，特别是目前的长期检测。传统的商业传感器在长期生理监测过程中存在阻碍植物正常水平和垂直生长的缺点，其刚性特性可能会导致它们在正常植物发育过程中脱落，从而无法完全捕获高保真数据。因此，具有轻质特性的柔性电子可穿戴设备无缝附着在植物“皮肤”表面，可以长时间准确地监测植物生理信息，这被认为是一种潜在的解决方案。
目前，用于跟踪湿度变化的可穿戴柔性传感器在人类医疗保健中正变得越来越成熟，人机界面和智能机器人以及用于工厂水信息原位连续无损监测的传感技术也在逐渐出现。与易于通过生理活动排泄大量水分的人类相比，即使在生物胁迫或非生物胁迫下经历一系列复杂的生理生化过程，番茄仍然具有相对较弱的叶表湿度变化，这是由叶片表皮气孔导度通过蒸腾、吸水和运输直接调节引起的。尽管已经报道了反映植物生理信息的其他方法，如茎厚度、蒸腾作用产生的茎流量和植物叶面湿度的变化，但它们要么是间接的，要么没有持续评估蒸腾作用的影响。
近年来，已经报道了用于监测植物水分信息的各种可穿戴柔性传感器。例如，张等人利用激光诱导石墨烯（LIG）技术开发了一种集成的植物可穿戴系统（IPWS），可以通过番茄茎的膨胀和收缩来反映番茄茎的当前水分状况。Lee等人在AgNWs制成的叉指电极（IDE）上沉积了商业Nafion湿度膜，以监测番茄叶片的表面水分变化，从而可以确定生物和非生物胁迫的类型。Lan等人采用激光直写技术制造了一种氧化石墨烯（GO）/LIG-IDE，它可以附着在叶子的下表面，以原位、实时和长期的方式跟踪植物的蒸腾作用。Lu等人使用简单的滴落和干燥方法制备了一种基于Znln纳米片的柔性传感器，该传感器可以连续监测和评估植物脱水状态15天，对湿度和光照都有反应。然而，为了评估植物在外部环境胁迫下的蒸腾作用，必须通过人工手段消除环境光对传感器的影响。以前很少有研究人员基于可以在分子水平上修饰的湿度敏感薄膜对植物叶片表面的低湿度变化进行连续监测。此外，之前开发的可穿戴传感器尚未在狭窄的湿度范围环境中表征和评估灵敏度（S）、响应时间和其他性能方面，以证明其优越性。因此，对于植物弱蒸腾的监测，重要的是拥有一个高S、超高分辨率（ΔRH）和短响应/恢复时间的集成柔性可穿戴传感器，能够有效地传输和放大传感信号，其灵活性和生物相容性的特点可以满足植物生长发育过程中长期、实时和准确的生理监测的要求，使其能够准确分析各种非生物胁迫下生理信息的变化。本文亮点
1. 为了实时准确分析番茄在多种非生物胁迫下内部信息的变化，本工作引入了通过油水界面逐层自组装合成的共价有机框架（COF）薄膜作为敏感材料，开发了一种能够监测叶片表面湿度和叶片温度的多膜集成可穿戴传感器。
2. 柔性基质可以随着叶子的生长而拉伸，以确保长期监测的准确性。受益于性能特点，如0.8399 nA/%RH的超高灵敏度（S）和0.0564%的极低分辨率（ΔRH）值，可以放大传导信号，以及COFMOP-TAPB的长期稳定性，通过在茎形态上端的叶子下表面应用基于COF的传感器，可以长时间连续高精度地监测10种非生物胁迫下番茄的蒸腾信息。
3. 采用元启发式优化算法预测番茄未来内部生理变化趋势的时间序列，以便农民及时采取相应的预防措施，确保番茄的健康生长。
图文解析
图1.可穿戴植物传感器的形态和结构特征。（a） 附着在叶子下表面的可穿戴传感器示意图。（b） 可穿戴传感器的物理图。（c） 附着在叶子下表面的可穿戴传感器的侧视图、正视图和俯视光学照片。（d） 可伸缩可穿戴植物传感器的结构图。
图2. 用于番茄叶表面湿度传感的COF薄膜和电极材料的形态特征。（a） （b）和（c）分别是AgNW、MXene和MXAg的表面SEM图像。MXAg的表面SEM图像显示，大量AgNW紧紧包裹在MXene表面或嵌入MXene内部。COFMOP-TAPB（d）的表面SEM图像显示，其表面上的孔分布不均匀。（e） （f）是所选区域的不同放大倍数的表面SEM图像。（g） （h）和（i）分别是COFMOP-TAPB的TEM、HR-TEM和SAED图像。（j） （k）和（l）分别是COFMOP-TAPB的AFM振幅图像、3D图像和相应的电势曲线。
图3. 用于感测番茄叶片表面湿度的COF薄膜的材料成分表征。（a） （b）和（c）分别表示COFMOP-TAPB、COFBPDA TAPPy、COFPDA TAPPy及其合成单体的红外光谱。局部放大的图像显示了N-H和-OH特征峰的位置。（d） （e）和（f）分别是COFMOP-TAPB、COFBPDA TAPPy、COFPDA TAPPy及其合成单体的拉曼光谱。（g） （h）和（i）分别是COFMOP-TAPB、COFBPDA TAPPy和COFPDA TAPPy的XRD光谱。
图4. 植物可穿戴传感器的性能特征。（a） 基于COFMOP-TAPB，用四种不同MXene组成比制备的MxA20-COFMOP TAPB器件在五个RH梯度下的响应曲线。（b） MxA20-COFMOP TAPB器件在17°C、27°C和37°C温度下的响应曲线。（c） M10A20-COFMOP-TAPB设备在五个相对湿度梯度下400、700和1000μm三种不同指尖距离的电流响应曲线。（d） 、（e）和（f）分别表示M10A20-COFMOP-TAPB、M10A20 COFBPDA TAPPy和M10A20 COFPDA TAPPy在多个湿度梯度下的电流响应曲线。插图显示了多个湿度点的点线图。（g） （h）和（i）分别指M10A20-COFMOP-TAPB设备在人类口呼吸、鼻呼吸和非接触式监测中的应用。（j） 番茄茎形态上端和茎形态下端叶片下表面气孔的光学显微镜图像显示，茎形态上端叶片下表面的气孔密度较高。（k） 给出了3天内茎形态上端和茎形态下端叶片下表面气孔导度和净光合速率的响应曲线。
图5. 非生物胁迫下14天番茄生理信息的变化趋势。（a） 连续14天非生物胁迫下同一番茄植株的蒸腾速率曲线。在（b）COFMOP-TAPB、（c）COFPDA TAPPy和（d）COFBPDA TAPPy监测的连续八种非生物胁迫下，同一番茄植株的叶片表面湿度变化持续14天。放大的图像显示了人工照明下叶子表面湿度的变化。（e） 在连续8天的非生物胁迫下，番茄叶片温度的变化持续了14天，环境湿度保持在43%左右。
图6. 基于元启发式优化算法的非生物胁迫下番茄叶片表面湿度变化的时间序列预测。（a） 基于GA-BP、PSO-BP和PSO-SVM算法的第二轮干旱胁迫数据时间序列预测的适应曲线。基于上述三种优化算法，对干旱数据训练集（b）的实际湿度值和预测湿度值的3D立体图像进行了比较分析，并对预测集（c。粒径和颜色都进行了误差映射。基于上述三种优化算法，将干旱胁迫训练集（第一天和第二天）（d）的时间序列预测数据与原始数据的3D瀑布图进行比较，将干旱应激预测集（第三天和第四天）（e）的时间系列预测数据与原始数据的3D大瀑布图进行比较。
来源：华算科技
