可攜式拉曼葉夾感測器快速檢測活體植物之營養與壓力狀態
2021/05/24 @國際
摘要
為解決糧食不安全與氣候變遷問題，運用精準農業之新技術可提高農業生產率及永續耕作方式，新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟與淡馬錫生命科學研究院的研究人員合作開發可攜式拉曼葉夾感測器，以快速、非破壞性、可重複體內檢測活體植物的健康數據，協助農民在早期即時診斷多種植物中氮與養分缺乏、常見蔬菜之代謝物的含量，以及檢測植物逆境表現型的程度，例如乾旱、熱/冷溫度、鹽分和光逆境。此簡便的感測器是農民於田間使用的理想之選，其不僅是精準農業的有效工具，同時可協助減少肥料使用，降低對環境的負面影響。
示意圖
由於糧食不安全與氣候變遷問題日益嚴重，為降低農產損失，精準農業是提高農業生產率及達成永續耕作的解決方法，其一策略為確認植物在承受逆境後出現症狀前的健康狀況，但植物表現型分析昂貴又耗時，且對於作物管理及育種計畫的後代篩選之應用有其困難點，而快速的逆境表現型分析技術可以在出現明顯病症和造成損失之前快速診斷植物逆境狀況，促進世界主要糧食作物的生產力。反射光譜學已被用於快速、非破壞性評估植物葉片的化學成分(例如葉綠素、類胡蘿蔔素)，但是對於一些非生物逆境及一般逆境反應，其反射率和透射率變化相似，且與光譜反射率變化相關的逆境標記需時間累積，無法在前期進行有效逆境檢測。
新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟(Singapore-MIT Alliance for Research and Technology, SMART)與淡馬錫生命科學研究院(Temasek Life Sciences Laboratory, TLL)的研究人員合作開發可攜式拉曼葉夾(leaf-clip)感測器，並由新加坡國家研究基金會(National Research Foundation, NRF)在其卓越研究與企業級技術學院(Campus for Research Excellence and Technological Enterprise, CREATE)之計畫資助。拉曼光譜可被視為各化合物的化學指紋，並廣泛應用於監測植物健康與生長；感測器由以拉曼光纖探針組圍繞構建的3D列印夾組成，探針以830 nm激發雷射連接到可攜式拉曼光譜儀，可以快速、非破壞性、可重複體內檢測活體植物的健康數據，協助農民在早期即時診斷植物中氮與養分缺乏、常見蔬菜(芥藍、萵苣、菜心、小白菜和菠菜等)之代謝物的含量，以及植物逆境表現型程度，例如乾旱、熱/冷溫度、鹽分和光逆境。此外，在全光(full-light)生長條件下使用可攜式拉曼葉夾感測器所得到的檢測結果，與在實驗室條件下以桌上型拉曼光譜儀測量葉子切片的結果一致。
此新型可攜式拉曼葉夾感測器的使用方法簡單、迅速，適合農民在田間檢測多種蔬菜，並可幫助研究人員於實驗室快速篩選品種以增強耐逆性，研究團隊認為，該感測器可提高農作物產量、增強氣候適應力，並減少肥料的使用以減輕過多的氮滲入地下水所造成的水生生態系統污染，新工具為糧食不安全的問題，提供經濟、永續、環保的解決方法。 【延伸閱讀】研究人員開發了一種快速準確的測試方法來鑑定穀物中的毒素
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