近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院康福星教授團(tuán)隊(duì)在植物生物信號(hào)監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在《Sensors and Actuators: B. Chemical》上，論文題為“Selective catalysis-guided ethylene sensing in rhizosphere using nanogold-functionalized microprobe”。

植物釋放的乙烯是一種難以被直接探測(cè)的生理信號(hào)，調(diào)控著從果實(shí)成熟到根系生長(zhǎng)的諸多生命活動(dòng)。發(fā)現(xiàn)近百年來(lái)，科學(xué)家始終難以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種痕量“植物信息”的原位檢測(cè)。如今，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出納米材料功能化的微電子鼻，終于實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物乙烯信號(hào)精準(zhǔn)“嗅覺(jué)”測(cè)量，為破解這一難題帶來(lái)突破性進(jìn)展。作為簡(jiǎn)單烯烴分子，乙烯因缺乏易識(shí)別官能團(tuán)且痕量難測(cè)，長(zhǎng)期制約著植物生理學(xué)與環(huán)境光化學(xué)研究。傳統(tǒng)檢測(cè)不僅需在250-500℃高溫下進(jìn)行，還面臨傳感器快速鈍化的問(wèn)題——往往在數(shù)小時(shí)或數(shù)天內(nèi)就失去檢測(cè)能力。該局限使得科學(xué)家無(wú)法實(shí)時(shí)追蹤植物在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的乙烯釋放動(dòng)態(tài)，如同失去了“嗅探”植物生理密碼的敏銳嗅覺(jué)。

研究的核心突破在于設(shè)計(jì)出基于特殊納米金構(gòu)型的電子鼻微型傳感器。團(tuán)隊(duì)通過(guò)操控突破納米尺度的幾何限制效應(yīng)，將乙烯催化氧化路徑導(dǎo)向乙醇生成，而非傳統(tǒng)的環(huán)氧乙烷路徑。這一轉(zhuǎn)變從根本上避免了電極表面鈍化層的形成，而這正是以往同類(lèi)傳感器研發(fā)失敗的關(guān)鍵原因。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，新技術(shù)檢測(cè)限低至0.20 μM，線(xiàn)性響應(yīng)覆蓋0.5-500 μM，壽命超3個(gè)月。計(jì)算化學(xué)與質(zhì)譜分析證實(shí)，納米金表面特殊結(jié)構(gòu)通過(guò)降低反應(yīng)能壘（0.62 eV），選擇性促進(jìn)乙醇生成，從而維系了檢測(cè)單元的長(zhǎng)期活性。

圖1、光照條件下水稻根際乙烯擴(kuò)散的時(shí)空分析（藍(lán)光6300 lux）

在水稻根際進(jìn)行的實(shí)地測(cè)試案例中，該技術(shù)展現(xiàn)出強(qiáng)大的實(shí)用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，單根水稻根系釋放的乙烯濃度呈現(xiàn)顯著的光波長(zhǎng)依賴(lài)性：在435 nm藍(lán)光照射下達(dá)到55 μM，遠(yuǎn)高于660 nm紅光（32.5 μM）和520 nm綠光（24.0 μM）條件下的釋放量。這一發(fā)現(xiàn)首次直觀(guān)揭示了葉面光信號(hào)對(duì)植物乙烯合成的調(diào)控規(guī)律，也驗(yàn)證了該技術(shù)在復(fù)雜根系環(huán)境中捕捉細(xì)微生理信號(hào)的能力。更值得關(guān)注的是，借助該技術(shù)成功繪制出根際乙烯濃度梯度（6.8-25 μM）和實(shí)時(shí)釋放動(dòng)力學(xué)（0.16-3.7 μM/min）（圖1），為解析根系與土壤界面的信號(hào)傳遞提供了高分辨率數(shù)據(jù)。

這種能“嗅”出植物生理信號(hào)的技術(shù)，未來(lái)將在多個(gè)領(lǐng)域大顯身手。在智能農(nóng)業(yè)中，可通過(guò)建立乙烯釋放與環(huán)境脅迫之間的關(guān)系，幫助建立農(nóng)作物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型；在光化學(xué)污染研究中，其可用于測(cè)量大氣污染物烯烴類(lèi)前體。研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)不僅為解讀植物“語(yǔ)言”提供了新工具，更建立了復(fù)雜微環(huán)境中痕量乙烯原位監(jiān)測(cè)的新范式，有望在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。