浸大生物系展示納米感測器如何及早識別植物發出的無聲警號

當乾旱來襲、害蟲啃食，或病原體悄然入侵，植物會向空氣中釋放一組隨身體狀況而改變的化學物質，稱為揮發性有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）。植物細胞一旦受損，內部的警報分子便會啟動一連串生理反應，牽動荷爾蒙與酵素運作，繼而改變釋放到周遭環境中的氣體組合。

這些氣體會隨植物的健康狀況而改變，猶如植物受壓時發出的求救訊號。然而，這些訊號無法憑肉眼察覺，而且很快便會消散。要及時捕捉並準確辨識當中的變化並不容易。

香港浸會大學校長衞炳江教授（中）與獲頒2024/25年度「賽馬會新晉創科學者獎學金」的生物系博士後研究員邸雪妮博士（右），以及其導師生物系廖攀教授（左）合照。

這正是《Nanoarchitectures-powered volatile organic compound sensors enable real-time monitoring and early warning in sustainable agriculture》所探討的問題。研究由生物系助理教授廖攀教授和邸雪妮博士，聯同華中農業大學、貴州大學，以及來自埃及和斯里蘭卡的學者共同撰寫。

目前，科學家可利用氣相色譜和質譜等技術，精確分離和辨識植物釋放的化合物。然而，這些方法往往依賴大型實驗室儀器、專業操作人員和繁複的樣本處理，難以直接應用於農業，也不適合長時間持續監測。蟲害、乾旱及其他環境壓力，每年造成全球逾一半農作物產量損失，經濟損失達到2,200億美元。當農民發現葉片變黃、出現病斑或開始枯萎時，問題往往已經持續了一段時間。

研究團隊梳理近年納米感測技術的發展，探討如何在農田或溫室中持續監測植物釋放的 VOC，讓病害與環境壓力留下的蛛絲馬跡，能在肉眼可見的病徵出現前被發現。

納米材料雖然微小，表面卻十分活躍，因此能夠感應空氣中含量極低的化學物質。當植物釋放的VOC接觸感測器時，感測材料的顏色、導電能力或電阻可能隨之改變。原本肉眼看不見的化學訊號，便可轉化為可供分析的數據。

研究團隊回顧了多種納米感測器，包括由金屬氧化物、金納米粒子、石墨烯、碳納米管及導電聚合物製成的裝置。這些感測器可以安裝在便攜式儀器上，也可以製成輕薄的貼片，直接貼在植物葉面進行監測。

其中一套系統利用半胱氨酸包覆的金納米粒子，配合便攜式色彩感測器和智能手機使用。當受感染的番茄釋放 VOC 時，感測器便會出現顏色變化，手機再分析這些變化，辨識與病害相關的化學特徵。

這套系統能夠在番茄受感染約兩天後偵測出晚疫病，比肉眼看見病徵的時間更早。與聚合酶鏈式反應（PCR）的檢測結果比較，其診斷準確率達95%以上。

然而，感測器要真正走出實驗室，還得經得起農田多變的環境。濕氣尤其容易干擾讀數，令植物釋放的 VOC 變得難以辨認。研究回顧的其中一項技術，便從這個問題着手。研究人員為一款偵測小麥真菌病害的感測器加上防水保護層，減少空氣中水分帶來的影響。即使濕度達到100%，感測器仍能穩定運作，並在小麥受感染一天後發現病害。

這類早期偵測能力，有望改變農民管理作物的方式。與其待病徵蔓延後才大範圍施藥，農民或可更早鎖定受影響的區域，更精準地安排灌溉、病害防治及農藥施用，在保障產量之餘，減少不必要的化學品和資源消耗。

不過，這類感測器要真正應用於農業，仍有不少難題需要解決。農田環境變化不定，溫度、濕度和空氣中的其他氣體都可能影響讀數；生產成本、耐用程度和測試標準尚未統一，也令技術難以廣泛使用。

感測器在實驗室錄得的準確結果，到了戶外未必能夠重現。要讓農民放心採用，仍需在不同作物和實際環境中進行更多測試。隨着技術逐步成熟，解讀植物釋放的化學訊號，或會成為推動可持續農業的重要一環，讓農民在病徵出現前及早發現問題，採取更精準的應對措施。

論文發表於《Coordination Chemistry Reviews》：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.217169
廖教授研究專頁：https://scholars.hkbu.edu.hk/en/persons/PANLIAO

邸雪妮博士榮獲「賽馬會新晉創科學者獎學金」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

科學與科技學院