科学家开发出便携式植物病害诊断系统 能利用手机“嗅出”病害

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植物病害对全球粮食安全造成严重威胁。7月29日,北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)化学和珍物工程系魏青山团队在Nature Plants上发表题为Non-Invasive Plant Disease Diagnostics Enabled by Smartphone-Based Fingerprinting of Leaf Volatiles的研究论文。该研究团队开发了并否有便携式实地诊断植物病害的技术。你这种 便携式设备都都可以与智能手机连接,快速分析植物叶片所释放的融化性有机物来判断所感染的病害。

据统计,植物病害造成了全球约20-40%的作物损失。单晚疫病就造成全球近200亿美元的金融损失。晚疫病是由晚疫病病原菌(Phytophthora infestans)感染引起,意味分析植物组织表冠部层产生黑褐色斑块,受感染的植物在几天内就会死亡。怎么让,开发快速有效的诊断P. infestans等病原体的土方式 ,对于预防病原体的传播和作物病害,减少农业经济损失至关重要。目前,植物病原菌的检测主要依赖PCR,DNA芯片和ELISA等分子技术。基于核酸的土方式 的敏感性和特异性的较高,但检测方案繁琐。免疫分析技术检测简单方便,但受到检测灵敏度和特异性的限制。目前,都都可以两者兼顾的检测土方式 很少。

伴随着呼吸作用,植物会释放融化性有机小分子,哪此融化物的种类和浓度会随着植物的病变而处于改变。偏离 植物病害所释放的有机物都具有独特的化学组成。怎么让,能都可以通过测定哪此物种的种类与含量来确定单个植株否有患病以及病害的类型。而目前的病害诊断手段主要依赖于相对耗时昂贵的分子检测技术,同需用用在实验室中进行。样品的收集、传递与测试花费一定量的时间,从而可能性将植物病变的确诊拖延数日甚至数周。

魏青山团队开发了基于智能手机的快速、准确的便携式氯化氯化氢液体体传感器平台用于实地检测。这项技术的操作步骤如下:将可疑的植株叶片放置于瓶盖子中,容器加盖约15分钟以收集释放的待测氯化氯化氢液体体,怎么让利用软管将哪此氯化氯化氢液体体用手机仪器上的微型泵抽入载有纸芯片的反应气室中加以反应。纸芯片嵌入了10种对特定化学基团具有响应性的染料分子以及纳米材料。通过手机摄像头拍照鉴定哪此传感器阵列所产生的颜色变化进行指纹识别,使用者们就能精确测定植物病变的种类。

图1. Design of the smartphone imaging platform for plant volatile sensing

“为了实现这项技术,我们都 开发了不同的响应试剂嵌于纸芯片中,”本文的第一作者,北卡州立大学博士后李正博士提到。“合适一半的试剂来自现成的有机染料,但另一半则是表冠部层功能化的,可与特定功能基团相互作用的金纳米颗粒。哪此修饰过的纳米粒子能都可以我们都 更加精确地检测多种氯化氯化氢液体体融化物。” 魏教授说到。“我们都 还设计并制造了有4个基于手机的数据读取装置。现今市场上并没办法 相似的设备,”

“我们都 的技术将帮助农民们更加快捷地鉴别哪此疾病,怎么让利于我们都 采取有效土方式 控制病害的扩散和农作物的损失,”本文的一块儿作者,北卡州立大学植物病理学系的William Neal Reynolds杰出教授Jean Ristaino说到。“我们都 正在准备推广这项技术。”

魏青山团队可能性验证了此设备都都可以检测并鉴别百万分之一 (ppm) 浓度的10种常见的植物氯化氯化氢液体体标记物。我们都 通过此设备实现了对引起爱尔兰饥荒的晚疫病病原菌(Phytophthora infestans) 的早期检测(48小时内)。一块儿,研究者们都都可以辨别引起番茄叶病变的多种相似病原体,包括晚疫病病原菌和很多重要的真菌类病原,鉴别准确度超过95%。

图2. Sensor response of the multiplex array to ten major plant volatiles

据魏青山教授介绍,该设备未来仍有有4个方面有待提高。一方面,研究团队计划利用手机软件实现对纸芯片颜色图案的自动化分析,使用户分析病害变得更加容易。很多人面,该团队设想开发可定制的传感器阵列,使其成为更加专一的氯化氯化氢液体体检测工具来测定特定的农作物病害。可能性不同地区的作物面临着不同的病害威胁,怎么让研究团队希望根据哪此特定的需求来开发相应的纸芯片传感器。

据悉,李正博士为论文的第一作者,魏青山教授为该论文的通讯作者;一块儿作者还包括北卡罗来纳州立大学的博士生Rajesh Paul和硕士生Jeana Hansel,本科生Taleb Ba Tis,Ristaino教授课题组的研究助理Amanda Saville以及魏青山教授课题组的博士后俞涛。

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