Чем раньше фермер узнает о проблемах с урожаем, тем быстрее сможет принять меры, чтобы предотвратить значительные потери. Новый датчик, прокалывающий листья растений, может значительно упростить этот процесс, отправляя предупреждение при первых признаках стресса у растений.
Растения постоянно вырабатывают перекись водорода (H₂O₂) в ходе естественных процессов, таких как фотосинтез и дыхание. Однако при стрессовых условиях, вызванных засухой, повреждениями от вредителей или инфекциями, уровень этого вещества возрастает. Это сигнализирует клеткам о необходимости активировать защитные механизмы.
Существуют методы обнаружения повышенного уровня H₂O₂, но большинство из них требуют забора листа и лабораторного анализа, что делает процесс трудоемким. Оптические устройства, которые определяют концентрацию H₂O₂ по флуоресценции, также имеют ограничения, так как результаты могут искажаться из-за содержания хлорофилла в растении.
Решением этой проблемы стал новый сенсор, разработанный профессором Лян Дуном и его коллегами из Университета штата Айова. Он представляет собой гибкую полимерную пластину с крошечными микроскопическими иглами, покрытыми золотом. Нижняя сторона сенсора дополнительно обработана гидрогелем на основе хитозана, содержащим фермент, реагирующий с перекисью водорода и генерирующий электроны. Графеноксид, также входящий в состав геля, способствует передаче электронов между электродами сенсора, создавая электрический ток.
Когда устройство прикладывается к листу растения, микроскопические иглы прокалывают его верхний слой и контактируют с соком. Чем выше концентрация перекиси водорода, тем больше вырабатывается электронов, а следовательно, тем сильнее электрический сигнал. Если датчик фиксирует критический уровень вещества, специальный модуль с батареей и электроникой передает оповещение фермеру через Bluetooth или Wi-Fi.
В ходе тестирования на сое и табаке сенсор успешно различал здоровые растения и те, которые были заражены бактерией Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. При этом показатели устройства соответствовали данным традиционного химического анализа.
По словам профессора Дуна, датчик можно использовать по-разному: либо для разового измерения на нескольких растениях, либо для долгосрочного мониторинга с установкой на «контрольные» растения. Текущая версия сенсора допускает многократное применение, а в будущем планируются усовершенствования для повышения его долговечности.
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sensors.
