附着在植物上的可降解传感器能在3分钟内检测农药

巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所（IFSC-USP）的研究人员，由保罗·奥古斯托·雷蒙多-佩雷拉领导，开发了可生物降解的“可穿戴”植物传感器，用于监测其健康状况，包括农药的存在。传感器采用碳墨水制成，并以丝网印刷方式印刷在透明醋酸纤维素生物塑料上。

该研究发表在《生物传感器与生物电子学：X》上。世界经济论坛将可穿戴传感器工程评为2023年十大新兴技术之一，因其改善植物健康和提高农业生产力的潜力。

然而，如今大多数可穿戴设备由石油衍生的不可再生塑料聚合物制成，且对不平整、波浪和曲面的附着力较差。

“而我们的传感器则由醋酸纤维素制成，这是一种柔韧的植物基材料，可以从各种农业废弃物流中生产。纤维素是地球上最丰富的天然多糖。它具有卓越的生物相容性、高热稳定性和灵活性。它无毒、经济、实惠、可生物降解、轻便且易于操作，“Raymundo-Pereira总结道。

据他介绍，这些微型传感器可以直接安装在植物的各个部位，包括茎、树皮和叶子，以监测温度、湿度、脱水、生物标志物、病害、养分水平以及农药的存在。

“它们实现了无损、快速、现场和分散式检测，提供关于植物健康和环境因素的实时生物信息。”

图解摘要。图片来源：生物传感器与生物电子学：X（2026）。DOI：10.1016/j.biosx.2026.100758

每个醋酸纤维素平台配备两个传感器单元，采用不同的分析技术，在单次分析中检测三类农药（二呷、卡苯齐姆和二苯胺）。

一台传感器采用方波伏安法（SWV）检测二氯胺，另一台则使用差分脉冲伏安法（DPV）分析氨基苯丙胺和二苯胺。

据Raymundo-Pereira称，每个传感器售价为0.077美分。“传感器是一次性使用的。因此，它们必须价格低廉且可生物降解。考虑到两个传感器在同一样本上依次工作，设备完成所有测量需要三分二十八秒。”

鉴定是在植物表面进行，但测量是在水介质（一滴水）中进行，因为测量是在电极与介质界面处进行的。

“我们需要这种水溶液来增强导电性。对于可穿戴传感器来说，水滴会放在最容易测量的地方。比如叶子中央，番茄或苹果茎部形成的小凹陷处，甜椒的侧沟，水也可能积聚。然后，只需放置传感器，将其覆盖在水滴上，然后测量。”

该双穿戴传感器平台集成了商用无线便携式电位器，通过蓝牙实现快速农药评估和实时分析显示。团队早在2022年就已为此设计了指尖传感器手套。

“可穿戴传感器的优点是直接应用于样品，因为醋酸酯可以呈现其放置表面的形状，而手套则需要被触摸。此外，手套材质不可降解，而可穿戴传感器则完全可降解——并且可重复使用用于制造新传感器，”这位科学家解释道。

据他说，在特定条件下燃烧用过的传感器，从而获得碳墨水以制造新器件。

其他用途

这些可穿戴传感器是在将1000微米农用化学溶液喷洒到苹果和甜椒皮肤后，在植物上进行测试。果实随后晾干五小时。该过程模拟了现实世界的应用。现场分析通过将传感器直接连接到果实表面，并加入500微升磷酸缓冲液进行。

正如Raymundo-Pereira指出的，可穿戴传感器技术适用于多种应用领域。

“人们的唾液中甚至自来水中可能检测到农药的存在。我们做了测试。在人类唾液和自来水中样本中掺入农药，并用传感器分析以预测残留物含量。研究人员透露，这项技术在医疗领域非常有用，例如可以用来分析尿液和汗液中的成分。

Raymundo-Pereira在加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心与Joseph Wang教授实习后，萌生了将这项技术应用于农业用途的想法。

“既然巴西GDP很大一部分集中在农业部门，我想，'为什么不采用这项技术呢？'在国外，其使用主要针对人类。比如，它被涂抹在皮肤上，以判断人们汗液中的成分。

“它能检测乳酸、尿酸、葡萄糖、皮质醇、钠离子、钾离子、氯离子、激素和药物。但用于人体的这些传感器是由石化基塑料制成的。我们最早的可降解天然材料就是我们的，而且可以改装为人类使用。”

该手套和可穿戴传感器的专利申请已提交给美国国家知识产权研究所（INPI）。

开发该装置的多学科团队还包括来自维索萨联邦大学的萨米里斯·特谢拉、尼尔达·德·F·F·索亚雷斯和泰拉·德·奥利维拉。

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