在二十一世纪全球人口增长、气候变化和资源限制的多重压力下，农业面临着前所未有的挑战。尽管农业科技取得了显著进步，但植物病害诊断、胁迫及健康监测等领域仍存在诸多未解难题。植物作为高度敏感的光合生物，会对环境刺激（如温度变化、光周期波动、天气变化、养分波动、水分状况及害虫侵袭）做出快速生理响应。一个主要限制因素是视觉症状的出现往往滞后，当病原体已显著发展或植物已遭受生理损伤时才被发现。这些响应通常表现为一系列生理生化变化，包括植物激素、挥发性有机化合物(VOCs)、活性氧(ROS)、养分和胁迫生物标志物等。这些生物标志物是植物胁迫或适应的早期特征。然而，传统的植物诊断方法依赖于视觉判断、显微镜观察、组织化学染色、血清学、培养法、成像和生化分析等。这些方法通常需要专用设备、训练有素的人员，且往往不适合田间实时植物监测。此外，这些方法价格昂贵，难以捕捉表型表达之前发生的早期生化变化，例如植物激素、VOCs或胁迫诱导代谢物的变化。额外的复杂性可能源于植物对不同胁迫的重叠生理响应；例如，干旱条件和病原体侵袭都可能触发相似的防御机制，使得使用非特异性的经典方法难以区分不同的胁迫类型。包括温度、湿度和光照在内的环境变异性进一步影响了输出结果的准确性和可重复性。
在此背景下，研究人员开始探索用于植物健康和病害监测的纳米生物传感器，以确保便携性、经济性和现场监测能力。传统的生物传感器未能完全优化以适应田间波动条件下的长期应用，限制了其实际部署。这些挑战为新兴研究人员提供了广阔的空间，并呼吁创新方法来升级纳米生物传感器工程，以提高作物生产力、韧性和可持续性。先进纳米生物传感器平台应运而生，例如纹身式、包裹式或柔性传感器以及微针阵列传感器，正在改变农业诊断领域。进一步的多路复用传感级联和人工智能/机器学习(AI/ML)的集成，确保了多种生物标志物的同步分析，为复杂农业生态系统中植物健康状况提供了全面的图谱。此外，它还提供了动态环境条件下的长期稳定性，实现了对关键健康指标的长期连续追踪。实时植物监测已成为一种变革性的解决方案， bridging 传统农艺实践与现代传感技术之间的差距。它提供了对植物在波动环境条件下生理生化响应的动态观测的宝贵见解，实现了对植物健康和胁迫状态的及时评估，这是静态和周期性测量往往无法做到的。因此，它使农民和研究人员能够就灌溉计划、施肥、病虫害控制和收获等方面做出明智决策。这种现代监测还提高了资源利用效率，减少了诸如水、肥料和农药过度使用等环境问题，其在农业生态系统中的实施为数据驱动的精准农业提供了见解。传感技术的持续纳米工程进一步提升了实时植物监测的潜力，确保了微型化、高精度、高灵敏度以及在复杂或真实基质中痕量分析物的检测能力。
微型化传感器可以直接与植物组织（如叶、茎或根）接口，对植物自然生理过程的影响极小。柔性传感器与无线设备的工程化实现了信息向远端的连续传输，与物联网(IoT)框架的结合则提供了远程监控、数据存储和分析功能。这些动态信息可以与模型和机器学习工具集成，以预测胁迫结果、改进作物产量预测并推动适应性管理策略。最终，实时监测将植物健康评估从一个被动的过程转变为主动的过程，促进了农业系统的韧性和可持续性。本项发表于《Plant Nano Biology》的研究，系统梳理了该领域的前沿进展。
为开展此项研究，作者团队综合运用了多种关键的纳米传感技术。主要包括：1) 柔性可穿戴传感器平台（如纹身传感器、智能包裹、柔性传感器网格），采用碳纳米管(CNTs)、石墨烯、MXene、金属纳米颗粒（Au, Ag, Pt）等纳米材料，印刷在聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丝素蛋白、可生物降解聚合物（聚乳酸PLA、壳聚糖、纤维素纳米纤维）等柔性基底上，实现对植物器官（叶、茎）表面生理参数的非侵入或微创监测。2) 微针阵列传感器，采用微加工技术（如双光子聚合、深反应离子刻蚀DRIE）制备微型针尖（10-200微米），功能化后（如分子印迹聚合物MIPs、酶、适体）穿刺植物组织，用于原位检测植物体内液体（如韧皮部汁液、木质部汁液）中的生物分子（如水杨酸SA、脱落酸ABA、过氧化氢H2O2）。3) 信号转导与数据处理技术，包括电化学（电流、阻抗、电位）、光学（表面增强拉曼散射SERS）等传感机制，结合机器学习（支持向量机SVM、随机森林、神经网络、主成分分析PCA）和人工智能算法对传感器产生的高维数据进行模式识别、应力分类和预测分析。4) 绿色纳米技术原则，在材料选择（生物可降解材料）、合成（植物提取物介导的绿色合成）和部署中考虑环境相容性。研究所用植物样本涉及拟南芥、本氏烟、黄瓜、番茄、大豆、烟草、鳄梨、香蕉、柑橘、水稻、小麦、玉米等多种模式或作物。
智能接口工程与先进传感平台
纳米生物传感器的开发依赖于结合纳米材料工程、生物界面设计、微加工和植物生理学的多学科方法。为了实现实时、非侵入性诊断，这些设备必须精心设计，以在植物系统的生物和环境约束内发挥作用。材料的选择基于其结构和功能能力，必须满足双重角色：提供灵敏和特异的检测能力，同时保持与活体植物的机械和生化相容性。碳纳米管(CNTs)、石墨烯、MXene、二硫化钼(MoS2)、金属纳米颗粒（Au, Ag, Pt）、量子点和金属氧化物（如氧化锌ZnO、二氧化钛TiO2）等纳米材料因其可调节的电学、光学和催化性质而被广泛使用。微型化是生物传感器制造中的另一个关键因素，确保对植物生长或生理过程（如蒸腾作用、光合作用或养分运输）的干扰最小。可穿戴植物纳米生物传感器需要柔性、轻质的基底，确保与植物器官的兼容性。聚乳酸(PLA)、丝素蛋白、壳聚糖和纤维素纳米纤维等可生物降解聚合物提供了环境相容性和机械可调性。这些基底确保了在动态植物表面上的便利集成，而不破坏组织完整性或引发胁迫响应。
为了实现分子特异性，选择性生物识别探针（如适体、抗体、分子印迹聚合物MIPs、酶）被功能化在制造的纳米材料上，以确保目标分析物的选择性结合事件。共价键合（如碳二亚胺化学或EDC-NHS反应）、基于亲和力的附着或静电吸附等制造新技术被用于实现稳健的生物界面。抗污染层或连接链（如聚乙二醇PEG或硫醇自组装单分子层SAMs）可提供改进的信号可靠性和减少非特异性结合。功能层的方向、密度和稳定性严重影响生物传感器的性能，尤其是在田间环境中波动的温度、湿度和pH条件下。
纳米生物传感器与植物的集成需要独特的架构，提供生物相容性界面、微创性、机械适应性以及长期操作寿命。为了满足这些标准，研究人员探索了创新和先进的平台，包括超薄纹身电子器件、基于微针的传感芯片和模仿动态植物表面的柔性传感器包裹。这些系统利用可拉伸基底、生物可吸收聚合物和低功耗电路，在保持植物生理完整性的同时，实现对精准农业应用至关重要的生化和环境参数的连续、高分辨率监测。
纹身传感器是超薄电子电路器件，可以层压到植物表面（通常是叶或茎），类似于临时纹身。这些传感器使用可拉伸导电油墨（例如，银纳米线、PEDOT:PSS、石墨烯和MXene等）印刷在丝素蛋白或PDMS等基底上制造。水凝胶配制的胶水或多糖、范德华力以及局部水分激活的粘合剂等集成方法被设计用于在植物组织表面上制造该电路传感器。这些策略在植物表面形貌上提供长期功能和稳定的接触，保持植物组织和传感器芯片的完整性和性能。
智能包裹和柔性传感器网格是工程化的传感探针，设计用于包裹植物器官（如茎或叶）以监测生理参数。这些探针由纳米材料集成的支架组成，并进一步为无线通信模块设计，实现无缝数据采集、存储和远程传输。电子纺织品、水凝胶和热塑性弹性体等多种材料已被用于制造智能包裹，确保与活体植物组织的机械稳定性、相容性、光吸收和气体渗透性。为了确保在环境田间条件下的长期功能稳定性，智能包裹可能设计包含几个独特的功能，例如自愈合聚合物、可拉伸材料和能量收集单元（例如太阳能电池和摩擦纳米发电机TENGs）。它促进了耐久性，并支持在延长时间段内的自主操作。此外，智能包裹可以与物联网(IoT)生态系统集成，实现基于云的数据存储、机器学习分析和可持续农业中的精准决策。
微针阵列传感器是微型化设备，用于获取植物内部液体（如韧皮部或木质部汁液）以进行实时生化分析。这些传感器呈现出微尺度限制的针尖，通常在10-200微米的轴向高度范围内，由金属、复合材料或生物相容性聚合物制造。它穿透植物组织，能够直接采样内部植物代谢物、养分和其他生化成分，允许连续访问和监测动态生理变化。这些传感器为原位植物监测提供了一种有前途的替代方案，弥合了外部观察和内部生理状态映射之间的差距，以非破坏性方式进行。
关键生物标志物检测与传感应用
植物纳米生物传感器旨在通过检测与胁迫、健康和疾病相关的特定生物标志物来评估植物内的生化和生理活动。这些传感器通过将生物识别元素与换能器集成，将这些生物标志物的存在或浓度转换为可测量的信号，通常是电信号、光学信号或电化学信号。
植物激素是固有的化学信使，在调节植物生长、发育和对环境刺激的响应中至关重要。脱落酸(ABA) 是一种重要的植物激素，在调节植物对非生物胁迫（特别是干旱、盐度、寒冷或害虫胁迫）的响应中起关键作用。它主要通过调节气孔关闭以减少水分流失和激活胁迫响应基因表达来运作。基于纳米工程的免疫传感器、适体传感器等已被开发用于ABA的高灵敏度检测。细胞分裂素(CKs) 是一类植物激素，在细胞分裂、枝条发生、延迟叶片衰老、调节养分分配、顶端优势以及根与梢之间的相互作用中至关重要。CK现在被认为在应对生物和非生物胁迫中起关键作用。适体基电化学传感器和分子印迹聚合物等纳米生物传感器的进展使得能够实时选择性检测CKs。乙烯(ET) 是一种气态植物激素，作为生长调节剂，参与调节植物中的各种生理过程，包括果实成熟、衰老、叶片脱落以及对生物和非生物胁迫的响应。基于钯纳米颗粒(PdNPs)、单壁碳纳米管(SWCNTs)、金属有机框架(MOFs)等的化学电阻和电化学传感器已被开发用于乙烯监测。人工金属酶传感器利用白蛋白支架稳定猝灭的钌催化剂，在暴露于乙烯时发生交叉复分解反应，产生用于检测的荧光信号。
活性氧(ROS) 是源自氧的高反应性分子，包括过氧化氢(H2O2)、超氧阴离子(O2•−)、羟基自由基(•OH)和单线态氧(1O2)。在植物中，它是在代谢活动过程中自然产生的，特别是在叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中。低水平的ROS作为重要的信号分子，调节生长、发育和胁迫响应，但其过度积累会对蛋白质、脂质、核酸和细胞结构造成氧化损伤。基于辣根过氧化物酶(HRP)功能化水凝胶的微针传感器、基于MOF的传感器等已被用于H2O2的原位监测。
挥发性有机化合物(VOCs) 是植物作为其正常代谢过程的一部分释放的碳基小分子，在植物的通讯、防御和生理学中起关键作用。它包括一系列分子，如萜类、醛类、醇类、酯类和碳氢化合物，通常响应环境刺激（如草食动物攻击、病原体感染或非生物胁迫如干旱、盐度和极端温度）而释放。基于金@银纳米线(Au@AgNWs)集成的可穿戴传感器、石墨烯和银纳米线功能化的化学电阻传感器等已被开发用于VOCs的快速检测和分类。
营养素是植物物种生长、发育和整体健康所必需的基本化学实体，分为常量营养素和微量营养素。基于离子选择性电极的柔性传感器、基于量子点的电化学传感器、还原氧化石墨烯气凝胶(rGOA)工程化的离子选择电极等已被开发用于钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)、硝酸根离子(NO3–)等营养元素的实时监测。
研究结论与展望
该研究综述强调了纳米工程生物传感器在实时植物监测领域带来的范式转变。纳米技术、植物生理学、材料科学和数据分析的融合，使得能够设计出新一代传感平台，这些平台具有微型化、非侵入性，并能检测活体植物中复杂的生化和物理变化。从植物激素、VOCs、ROS、营养素、胁迫生物标志物到追踪茎生长和水分动态，纳米生物传感器正在突破原位植物诊断的界限。纹身传感器、微针阵列和可穿戴包裹方面的最新技术创新促进了这些设备与植物组织的无缝集成，且生理干扰最小。此外，使用适体和分子印迹聚合物等生物识别元件显著提高了分析物特异性，而表面功能化和纳米结构方面的进步潜在增强了田间条件下的灵敏度。
植物纳米传感的未来格局正迅速被新兴趋势所改变，例如植物纳米仿生学、合成生物学接口和多功能传感器阵列。这些发展不仅旨在监测植物系统，更旨在与植物系统互动，实现动态反馈回路和自我调节的农业系统。同时，人工智能和机器学习算法的采用正在重新定义生物传感器数据的处理、解释和用于预测性作物管理的方式。
然而，在这些技术能够实地部署之前，仍存在若干挑战。环境耐久性、能量自主性、生物相容性和数据标准化是通过跨学科研究必须解决的关键障碍。可生物降解和自供电设备的开发，结合可扩展的制造方法和标准化的分析框架，对于确保这些技术的长期可行性和可持续性至关重要。纳米生物传感器有望成为智能农业系统的组成部分，实现对植物健康和胁迫生理的实时、高分辨率洞察。随着这些工具的不断发展，它们不仅将提高作物生产力和资源效率，还将在面对气候变异性和日益增长的全球需求时，为粮食安全和可持续农业做出重大贡献。精准农业的未来在于利用生命系统和智能传感技术之间的协同作用，而纳米工程智能传感器将处于这一转变的核心。
