基于微米级余辉颗粒与多肉植物结构协同作用的太阳光驱动多色均匀发光活体植物研究

为解决传统发光植物亮度低、颜色单一等问题，研究人员创新性地将微米级余辉颗粒(PO4-SA)与多肉植物Echeveria 'Mebina'的特殊结构相结合，开发出首例太阳光充电的多色发光植物系统。该研究实现了超亮(亮度提高3.6倍)、长余辉(>2小时)、快速制备(10分钟)的均匀发光，为可持续植物照明提供了新方案。

　　

在追求可持续发展的时代，发光植物因其潜在的生态照明应用价值备受关注。然而现有技术面临重大挑战：基因工程方法受限于生物发光基因的单一性，仅能产生绿色光且亮度有限；而纳米材料修饰的植物则存在发光不均匀、持续时间短等问题。更关键的是，传统方法都无法实现太阳光驱动的多色发光，这严重限制了其实际应用价值。2024年上市的"萤火虫矮牵牛"虽标志着基因工程发光植物的商业化突破，但其微弱的光线仅适合装饰用途。面对这些技术瓶颈，Liu Shuting等研究团队在《Matter》发表的研究开辟了新路径。

研究团队采用磷酸盐包覆的微米级余辉材料(PO₄-SA)与多肉植物Echeveria 'Mebina'的特殊结构相结合，开发出创新性的解决方案。关键技术包括：通过球磨和筛分制备不同粒径(1.02-9.25 μm)的PO₄-SA颗粒；采用磷酸(H₃PO₄)表面修饰提高材料的水解稳定性和生物相容性；利用无针注射器将颗粒悬浮液注入多肉植物叶片；通过微CT、SEM和激光共聚焦等技术表征颗粒在植物组织中的分布。

研究结果部分，首先在"SA with different sizes coated with H₃PO₄ to improve hydrolytic resistance and biocompatibility"中，证实7.11±1.98 μm的PO₄-SA-P2颗粒具有最佳余辉性能，磷酸盐包覆使其在水和植物提取液中保持稳定(pH 6.0-7.5)。"The uniformity of particle transport in plants with different morphologies"部分通过比较6种非多肉植物和3种多肉植物发现，E. 'Mebina'独特的致密结构和丰富胞间空隙可实现微米颗粒的快速均匀扩散，而传统植物中颗粒会聚集在注射点附近。

"Injection of PO₄-SA particles with different sizes into E. 'Mebina' succulent plants"表明PO₄-SA-P2修饰的植物亮度达到历史最高记录，在360 lx白光LED激发下发光1小时，10,000 lx阳光下可达2小时。"Diffusion and distribution of PO₄-SA particles in succulent leaves"通过SEM和EDS证实颗粒仅分布在胞间空隙，不进入细胞或维管束，保持了植物组织的完整性。

"Multicolor luminescent plants for low-intensity lighting and information storage"部分通过引入CaAl₂O₄:Eu²⁺,Nd³⁺(蓝紫)、Sr₂MgSi₂O₇:Eu²⁺,Dy³⁺(蓝)和Y₂O₂S:Eu³⁺,Mg²⁺,Ti⁴⁺(红)等材料，首次实现400-650 nm全可见光谱的多色发光植物。56株植物组成的发光墙可产生1.3 lx照度，能清晰识别人脸和文字。

研究结论指出，这项工作通过协同利用微米级余辉材料的光学优势和多肉植物的结构特性，突破了传统发光植物在亮度、颜色和激发源方面的限制。其重要意义在于：1) 开发出首例太阳光充电的多色发光植物系统；2) 建立了一种快速(10分钟)、低成本的材料工程方法；3) 为可持续植物照明提供了实际应用方案，如构建的发光植物墙；4) 开辟了植物-材料整合研究的新方向。生理测试显示30 mg/mL浓度下植物各项指标与对照组无显著差异，证实了该技术的生物相容性。这项研究为发展低碳环保的植物基照明系统奠定了坚实基础，相关技术已申请中国发明专利(202411075973.1)。