综述：用于农业植物健康监测的智能传感系统：现状与展望

《Advanced Sensor Research》：Smart Sensing Systems For Agricultural Plant Health Monitoring: Current State and Prospects

　　

及时可靠的植物健康评估对于弹性可持续农业至关重要，但诊断实践仍然分为准确但限于实验室的测定和新兴的可现场部署技术。在此，研究人员采用以植物为中心和系统级的视角，综合了2000年至2026年间报告的植物健康监测智能传感的进展。研究人员不是孤立地调查单个设备，而是围绕传感技术如何制造、集成和转化为可操作的农学见解来组织文献。研究人员的综合揭示了向多模式、微创传感架构的明显转变，该架构结合了材料和制造创新以及接触和非接触模式，涵盖器官、冠层和景观尺度。研究人员发现，最具影响力的进展并非来自单个传感器本身，而是来自将传感硬件与边缘智能、跨尺度数据融合和可解释分析相结合的集成管道。此外，持续的障碍，包括校准转移、长期稳定性、电力自主性、数据集偏差和网络安全，继续阻碍广泛采用。基于这些发现，研究人员概述了加速转化所需的设计原则和研究优先事项，强调针对生物基准的标准化验证、能源自主和环境友好的传感器系统，以及能够在作物和环境之间进行稳健泛化的人工智能（AI）框架。展望未来，研究人员认为植物健康监测将越来越多地由闭环系统定义，该闭环系统将植物生理或病理信号直接与自适应管理联系起来，将智能传感定位为数据驱动和气候适应性农业的基石。

1 Introduction

全球农业面临挑战，早期准确诊断植物胁迫至关重要。历史上，植物健康评估依赖于实验室方法，如聚合酶链式反应（PCR）和酶联免疫吸附试验（ELISA），这些方法提供高分析性能但耗时且需要基础设施。柔性电子、纳米材料和嵌入式人工智能（AI）的融合正在重塑这一领域。接触式传感器如压阻应变计、微针和微流体采样器提供器官尺度的洞察，而非接触式光学、热和射频（RF）设备覆盖更大范围。边缘计算使轻量级卷积神经网络（CNN）能在微控制器上运行，减少延迟。集成智能传感框架包括植物穿戴传感器、土壤水分探头、多光谱成像等，并通过无线通信和AI分析支持决策。本文目标是综合从材料到数据分析的全技术堆栈，并与传统方法对比。

1.1 Scope and Objectives

本文综合了整个技术堆栈的发展，包括材料、制造策略、传感器架构、数据采集协议和AI辅助分析，并对传统实验室方法进行了基准测试。特别总结了经典实验室诊断方法，明确了其在现场部署中的优势和局限性；研究了现代接触和非接触设备的传感器材料、制造路线和设计范式；分析了数据采集和处理流程，强调边缘就绪硬件、轻量级机器学习和物联网（IoT）集成；还识别了跨领域的技术、环境和社会经济挑战，并概述了未来研究方向，以加速从原型系统向商业可行、以农民为中心的解决方案的转变。

1.2 Structure of the Paper

第2节描述了综述方法和文献选择过程。第3节介绍了传统实验室技术及其作为基准的作用。第4节讨论了智能植物健康传感器的设计和制造方法，随后第5节介绍了智能接触式传感器，第6节介绍了非接触式模态。第7节考察了数据采集和处理流程，而第8节和第9节提出了跨领域挑战、未来展望和结论。通过提供从分子测定到边缘智能现场设备的整体视角，本文旨在指导研究人员、技术开发人员和农业利益相关者走向下一代植物健康监测的集成、可扩展战略。

2 Methodology and Literature Selection

文献搜索最初涵盖2000年至2025年的出版物，并在修订中对2026年7月前的相关研究进行了补充。文献分为两类：植物验证研究和可转移的使能技术研究。植物验证研究是主要证据基础，包括在全植物、植物器官、植物衍生液或组织、植物病原体、农业土壤、作物冠层或田间环境中评估的传感器、诊断方法、采样系统、成像平台或数据处理方法，并报告了明确的植物健康、植物生理学、作物管理或植物疾病结果。可转移的使能技术研究则包括具有直接和技术上合理联系到植物传感设计需求的材料、制造工艺、设备架构或转导原理，且经过实验验证。原始研究文章优先用于传感器构建、分析性能、生物验证、部署时间和现场评估。综述文章选择性用于建立术语和总结趋势。排除了无植物健康结果、无明确传感组件或无相关路径的研究。文献选择过程包括关键词识别、搜索字符串构建、数据库搜索（IEEE Xplore、ScienceDirect、Google Scholar等）、初步筛选、全文审查和最终选择，最终保留了126篇出版物，其中93篇为植物相关证据，33篇为可转移使能技术。此外，使用VOSviewer进行了关键词共现分析，验证了文献集合围绕植物健康、检测和传感器技术的主题聚焦性。

3 Traditional Methods for Plant Health Monitoring

传统方法依赖实验室技术，提供高灵敏度和特异性，但需要大量样品处理和专业人员。

3.1 PCR Methods

PCR是扩增DNA序列的分子生物学技术，用于检测植物病原体，包括定量PCR（qPCR）和逆转录PCR（RT-PCR）等变体。尽管精确，但需要控制条件、昂贵试剂和训练有素的人员，易污染。最近的发展如环介导等温扩增（LAMP）允许在等温条件下扩增，减少了设备需求。LAMP与CRISPR-Cas12a结合实现了病毒检测，并集成了微流控和侧流读出的现场诊断。

3.2 Immunological Methods (ELISA)

ELISA通过抗原-抗体反应检测植物病原体和胁迫相关生物标志物，具有高特异性和低成本的优点，但需要样品制备和实验室处理。开发了便携式ELISA试剂盒和电化学读出方法，如用于黄瓜花叶病毒的电化学ELISA和用于柑橘衰退病毒的一次性微流控电化学免疫测定。ELISA的局限性包括交叉反应性、灵敏度低于PCR，以及抗体储存稳定性问题。

3.3 DNA-Based Methods

DNA方法包括LAMP和DNA微阵列，提供先进检测能力。LAMP可在单一温度下运行，更适合现场诊断，但可能产生非特异性扩增。下一代测序（NGS）用于识别微生物群落。DNA微阵列允许同时检测多个病原体，但需要高初始成本和复杂数据分析。

4 Design, Fabrication, and Performance of Plant-Health Sensors

传感器技术的发展使实时、现场植物健康监测成为可能。

4.1 Materials for Fabrication of Sensors for Plant Monitoring

材料选择决定了传感器的机械顺应性、电响应、附着策略和耐久性。研究使用了多种材料，如钛/金薄膜在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上用于植物生长监测、壳聚糖-石墨复合材料、碳纳米管（CNT）或石墨复合材料、自修复冷冻凝胶、液态合金电子等。这些材料有助于检测挥发性有机化合物（VOCs）、植物激素和代谢指标。纳米结构材料如二维过渡金属二硫化物（TMDs）和金属有机框架（MOFs）正在被研究。例如，钛/金应变传感器在PDMS上监测大麦和富贵竹生长，壳聚糖石墨传感器监测果实膨胀，CNT/石墨传感器监测果实生长模式，液态合金电子用于监测叶片水分和长度，银纳米颗粒（AgNPs）与还原氧化石墨烯（rGO）复合传感器检测二氧化氮（NO₂），以及激光写入石墨烯传感器检测有机磷农药。

4.2 Microneedle-Based Sensors

微针传感器提供微创方法，通过穿透植物组织获取汁液并分析生化标志物。研究包括3D打印空心微针阵列与微流控通道结合用于葡萄糖和水分胁迫监测，检测限为33.3 μM；微针传感器用于钠离子（Na⁺）检测，检测范围为10^-5至10^-1 M；以及微针阵列用于流体采样和过氧化氢（H₂O₂）、葡萄糖和pH的电化学分析。

4.3 Microfluidic and Electrochemical Sensors

微流控传感器利用芯片实验室技术分析小体积流体，包括pH、代谢物和微生物检测。PDMS广泛用于芯片制造，但疏水表面需要改性处理。微流控平台已用于病原体检测，如LAMP检测病毒、电化学免疫传感器检测细菌（如柑橘衰退病毒检测限0.3 fg/mL）。微流控还用于真菌孢子分离和富集，以及电化学阻抗谱（EIS）检测病原体。此外，微流控装置用于检测水杨酸等小分子信号分子。

4.4 Nanomaterial-Enabled and Plant-Nanobionic Sensors

纳米传感器区别于传统传感器，植物纳米仿生涉及将功能纳米材料与活植物组织接口。例如，单壁碳纳米管与叶绿体结合用于一氧化氮的近红外荧光监测，以及聚合物包裹的单壁碳纳米管用于检测赤霉素。这些方法提供局部、微创的测量，但需要进一步评估毒性和田间适用性。

4.5 Sentinel Plants and Living Biosensors

哨兵植物作为生物方法，通过放置易感宿主或工程化植物产生可检测信号，用于早期检测威胁。数学模型显示，适当选择的哨兵植物可减少病原体流行率。工程化生物发光植物可报告病毒感染，但需要关注特异性、环境效应和监管要求。

4.6 Lithography-Based Microfabrication of Sensors

光刻技术包括光刻、电子束光刻（EBL）和纳米压印光刻（NIL），用于精确图案化微纳传感器组件。光刻用于制造电极和微流控通道，但需要洁净室设施。EBL提供超高分辨率但低通量。NIL成本低、可扩展，但模具磨损是挑战。这些技术尚未广泛用于植物传感器，但具有潜力。

4.7 3D-Printed (Lithography-free) Sensors

增材制造如熔融沉积建模（FDM）和立体光刻（SLA）实现无洁净室制造，具有灵活性和低成本。例如，3D打印微针pH传感器、全3D打印水凝胶应变传感器用于生长监测，以及3D打印电化学疾病检测平台，成本约15.40美元/传感器。但分辨率有限，混合方法正在发展。

4.8 Screen-Printed Sensors

丝网印刷是低成本、可扩展的传感器制造方法，用于沉积导电油墨在柔性基底上。例如，全丝网印刷有机电化学晶体管（OECT）检测钾离子，超薄可穿戴电容湿度传感器，以及反向离子电渗和双通道电极监测钾和pH。迫切需要集成参比电极和卷对卷制造。

5 Contact-Based Sensors for Plant Health Monitoring

5.1 Piezoelectric and Piezoresistive Sensors

压电传感器通过机械变形产生电信号，压阻传感器通过变形导致电阻变化。用于监测植物生长、叶片变形、水分和微气候。例如，压电-比色混合传感器用于叶变形和挥发性物质监测，叶附压电MEMS超声传感器用于水分监测，钛/金压阻传感器用于生长监测，壳聚糖石墨传感器用于果实膨胀，CNT/石墨传感器用于果实生长，以及3D打印水凝胶传感器用于竹子生长。压电传感器材料包括PVDF、ZnO、BaTiO₃和PZT。

5.2 Optical Sensors

光学传感器基于光反射、吸收或透射的变化，用于监测叶绿素含量、水分状态等。例如SPAD-502叶绿素仪、NDVI传感器、便携式多光谱传感器用于番茄氮状况，纸基VOC比色传感器用于胁迫检测，以及光纤红外探头用于植物化学物质评估。

5.3 Wearable Strain Sensors

可穿戴应变传感器用于非侵入性、连续监测植物生长动态。例如，折纸启发的3D应变传感器结合激光诱导石墨烯（LIG）用于伸长