浸大生物系展示纳米感测器如何及早识别植物发出的无声警号

当干旱来袭、害虫啃食，或病原体悄然入侵，植物会向空气中释放一组随身体状况而改变的化学物质，称为挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）。植物细胞一旦受损，内部的警报分子便会启动一连串生理反应，牵动荷尔蒙与酵素运作，继而改变释放到周遭环境中的气体组合。

这些气体会随植物的健康状况而改变，犹如植物受压时发出的求救讯号。然而，这些讯号无法凭肉眼察觉，而且很快便会消散。要及时捕捉并准确辨识当中的变化并不容易。

香港浸会大学校长衞炳江教授（中）与获颁2024/25年度「赛马会新晋创科学者奖学金」的生物系博士后研究员邸雪妮博士（右），以及其导师生物系廖攀教授（左）合照。

这正是《Nanoarchitectures-powered volatile organic compound sensors enable real-time monitoring and early warning in sustainable agriculture》所探讨的问题。研究由生物系助理教授廖攀教授和邸雪妮博士，联同华中农业大学、贵州大学，以及来自埃及和斯里兰卡的学者共同撰写。

目前，科学家可利用气相色谱和质谱等技术，精确分离和辨识植物释放的化合物。然而，这些方法往往依赖大型实验室仪器、专业操作人员和繁复的样本处理，难以直接应用於农业，也不适合长时间持续监测。虫害、干旱及其他环境压力，每年造成全球逾一半农作物产量损失，经济损失达到2,200亿美元。当农民发现叶片变黄、出现病斑或开始枯萎时，问题往往已经持续了一段时间。

研究团队梳理近年纳米感测技术的发展，探讨如何在农田或温室中持续监测植物释放的 VOC，让病害与环境压力留下的蛛丝马迹，能在肉眼可见的病徵出现前被发现。

纳米材料虽然微小，表面却十分活跃，因此能够感应空气中含量极低的化学物质。当植物释放的VOC接触感测器时，感测材料的颜色、导电能力或电阻可能随之改变。原本肉眼看不见的化学讯号，便可转化为可供分析的数据。

研究团队回顾了多种纳米感测器，包括由金属氧化物、金纳米粒子、石墨烯、碳纳米管及导电聚合物制成的装置。这些感测器可以安装在便携式仪器上，也可以制成轻薄的贴片，直接贴在植物叶面进行监测。

其中一套系统利用半胱氨酸包覆的金纳米粒子，配合便携式色彩感测器和智能手机使用。当受感染的番茄释放 VOC 时，感测器便会出现颜色变化，手机再分析这些变化，辨识与病害相关的化学特徵。

这套系统能够在番茄受感染约两天后侦测出晚疫病，比肉眼看见病徵的时间更早。与聚合酶链式反应（PCR）的检测结果比较，其诊断准确率达95%以上。

然而，感测器要真正走出实验室，还得经得起农田多变的环境。湿气尤其容易干扰读数，令植物释放的 VOC 变得难以辨认。研究回顾的其中一项技术，便从这个问题着手。研究人员为一款侦测小麦真菌病害的感测器加上防水保护层，减少空气中水分带来的影响。即使湿度达到100%，感测器仍能稳定运作，并在小麦受感染一天后发现病害。

这类早期侦测能力，有望改变农民管理作物的方式。与其待病徵蔓延后才大范围施药，农民或可更早锁定受影响的区域，更精准地安排灌溉、病害防治及农药施用，在保障产量之余，减少不必要的化学品和资源消耗。

不过，这类感测器要真正应用於农业，仍有不少难题需要解决。农田环境变化不定，温度、湿度和空气中的其他气体都可能影响读数；生产成本、耐用程度和测试标准尚未统一，也令技术难以广泛使用。

感测器在实验室录得的准确结果，到了户外未必能够重现。要让农民放心采用，仍需在不同作物和实际环境中进行更多测试。随着技术逐步成熟，解读植物释放的化学讯号，或会成为推动可持续农业的重要一环，让农民在病徵出现前及早发现问题，采取更精准的应对措施。

论文发表於《Coordination Chemistry Reviews》：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.217169
廖教授研究专页：https://scholars.hkbu.edu.hk/en/persons/PANLIAO

邸雪妮博士荣获「赛马会新晋创科学者奖学金」文章: From lab to society: HKBU scientist celebrates JC STEM Fellowship with global researchers at HKJC award ceremony | HKBU Research

廖攀教授

科学与科技学院