《Agriculture》：Plant Wearable Sensors: A Comparative Review of Invasive and Non-Invasive Approaches for Real-Time Plant Health Monitoring
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植物可穿戴传感器已成为精准农业和植物表型组学的一项变革性技术，能够在植物表面或内部组织上进行原位、实时、连续的生理信号采集。然而，现有综述通常按监测目标、传感功能或材料平台来组织文献，而未从对植物施加干预程度这一基本维度对技术进行系统性比较。基于通过结构化文献
植物可穿戴传感器已成为精准农业和植物表型组学的一项变革性技术，能够在植物表面或内部组织上进行原位、实时、连续的生理信号采集。然而，现有综述通常按监测目标、传感功能或材料平台来组织文献，而未从对植物施加干预程度这一基本维度对技术进行系统性比较。基于通过结构化文献检索确定的代表性研究，本综述建立了一个三级分类框架——侵入式、微创和非侵入式——并在六个维度上进行了正面比较：信号特征、植物干扰、长期稳定性、制造复杂性、现场部署能力和生物安全性。结果表明，侵入式传感器（纳米仿生探针、植入式微电极和有机电化学晶体管（OECT））可实现纳摩尔至皮摩尔（nM–pM）级别的检测限，然而伤口反应通常将其有效监测持续时间限制在数天量级；非侵入式传感器（柔性贴片、应变传感和多模态平台）支持数周至数月的连续监测且易于规模化部署，但表面信号的间接性将检测限限制在微摩尔（μM）级别；微创技术（微针阵列和超薄微电极）则提供了介于两者之间的折衷方案。在此基础上，本文提出了一个基于三层选择的决策框架，以指导实验室研究、田间部署和可控环境农业中的技术选择。未来的工作应聚焦于标准化性能评估协议、可生物降解的自供能系统，以及侵入式-非侵入式混合传感网络与植物数字孪生的集成。
本文基于传感器-植物界面的干预程度，建立了侵入式、微创和非侵入式的三级分类框架，并对三类技术在六个维度上进行了比较。
2. 基于界面的植物可穿戴传感器分类框架
本节以植物生理学的屏障特性为基础，建立了以传感器-植物界面为核心的分类体系。植物表面的角质层是致密的屏障，决定了信号获取质量与对植物正常生理活动的干扰程度之间存在固有张力，这是分类的根本依据。根据传感界面在植物组织内的相对位置和穿透深度，分为三类：侵入式传感在活细胞内或质外体（apoplast）中运行，实现最低浓度检测和最快响应，但会引发伤口愈合反应导致信号漂移；微创传感仅突破最外层屏障（角质层和浅表皮层），不进入活细胞和维管结构，通过瞬时浅层介入捕获近表面胞间信号；非侵入式传感在角质层外部运行，通过表面附着或包裹耦合信号，干扰最小且支持长期监测，但无法直接获取细胞内分子信息，其读数为代理指标，需要诊断推理。
3. 侵入式和微创传感技术
侵入式和微创传感技术的共同特征是建立超越表面接触的物理界面，传感元件通过直接穿刺、嵌入或植入进入活体植物组织。
3.1 组织/细胞内植入式传感器
包括植物纳米仿生传感器、植入式微电极传感器、植入式有机电化学晶体管传感器和植入式自供能传感系统。纳米仿生传感将功能化纳米材料整合到亚细胞区室中，利用光学或电学转导特性实现原位实时检测，核心优势在于传感界面与生理信号源空间尺度一致，灵敏度最高，瓶颈在于纳米材料注射本身会造成组织损伤并触发防御反应。植入式微电极传感器依靠微加工电极插入特定组织，采用电化学方法定量检测靶标分子，可分为植物激素微传感器、活性氧类（ROS）传感器和无机离子传感器，已在多种植物中实现了水杨酸（SA）、吲哚-3-乙酸（IAA）、脱落酸（ABA）、过氧化氢（H2O2）、硝酸根（NO3-）和钾离子（K+）等的实时监测。植入式有机电化学晶体管（OECT）传感器通过沟道聚合物的掺杂/去掺杂效应放大植物汁液中的离子信号，适用于离子和代谢物检测，但选择性依赖于离子选择性膜。植入式自供能传感系统如葡萄糖-氧气酶生物燃料电池和结合光伏模块的系统，可同时作为传感探针和能量收集器，但能量密度和稳定性仍需提升。
3.2 微创穿刺式传感器
以微针阵列传感器和超薄微电极传感器为代表。微针阵列通过浅层穿透进入表皮胞间隙，实现对组织电特性、SA、农药、钠离子（Na+）和pH等的监测，平衡了最小组织损伤与稳定操作。超薄微电极利用极细电极直径（1-100微米）获取近表面化学信号，实现了对SA、抗坏血酸和多酚以及叶绿素和葡萄糖的同时监测，提供了介于细胞内植入物和表面附着传感器之间的中间定位。
3.3 优势与局限性
侵入式传感器的核心优势在于传感界面靠近生理信号源，提供最高灵敏度（nM-pM级别）和最快响应时间，适用于细胞/亚细胞尺度小分子的实时检测。然而，组织穿透引起的伤口反应导致信号漂移，报告的有效监测窗口通常限于数天。微创传感器通过减小穿刺深度和电极尺寸显著降低生理干扰，同时保持合理的信号获取能力，但其传感界面距离细胞内信号源更远，分子信息深度较浅。两类技术共同的挑战包括传感器-组织界面的长期机械和化学稳定性不足、缺乏跨物种和生长阶段的标准化校准协议，以及实验室演示与真实田间验证之间的差距。
4. 非侵入式传感技术
非侵入式传感技术的传感界面位于植物角质层外部，通过表面附着、包裹或近距离耦合实现信号获取，不破坏任何植物组织。
4.1 物理参数传感
包括生长与形变监测以及水分状态与小气候监测。通过将柔性应变传感器附着或包裹在植物器官表面，可直接追踪生长动态，已发展出从单轴应变测量到自附着、多模态、全季节可穿戴平台的演进路径。针对叶片水分状态，开发了监测叶片内部相对含水量和外部表面湿度的可穿戴传感器，并通过电容、阻抗和湿度传感等多种原理实现了对蒸腾作用和干旱胁迫的持续监测。
4.2 化学参数传感
涵盖挥发性有机化合物（VOC）与气体监测，以及农药、植物激素、代谢物、离子和病原体检测。VOC传感策略沿着电化学、化学电阻和射频等互补转导途径多样化发展，正朝着阵列化指纹图谱、无线操作和物联网连接方向推进。农药残留检测方面，发展了基于酶的柔性生物传感器、微流控芯片和无酶传感器等，并出现了多分析物和可持续平台。此外，还实现了对葡萄糖、没食子酸和SA等的非侵入式监测。
4.3 多模态集成传感
由于非侵入式传感器获取的表面信号本质上是间接且对环境敏感的，单一参数难以唯一对应特定的植物生理状态，因此多模态集成成为主要设计策略。通过在单一柔性平台上集成多个互补传感单元，并借助机器学习融合多参数数据，非侵入式传感器能够在缺乏直接细胞内分子测量的情况下，接近生理水平的诊断特异性。
4.4 非侵入式传感的优势与局限性
非侵入式传感的核心优势包括保持角质层完整性以避免伤口反应、柔性基底与植物表面的良好机械匹配支持数周至数月连续监测、以及相对简单的制造工艺具有规模化潜力。但其面临分子信息深度的结构性瓶颈，检测限通常在微摩尔级别，比侵入式方法高2-3个数量级。此外，环境噪声对信号稳定性影响更大，附着界面在极端天气下的耐久性仍是问题，大多数系统仍处于实验室或可控环境规模，真正的多季节田间验证仍然有限。
5. 植物可穿戴传感器的比较与选择决策
本节构建了多维比较矩阵和技术选择框架，以指导不同应用场景的决策。
5.1 多维比较矩阵
基于文献分析，从信号特征、植物干扰、长期稳定性、制造复杂性、现场部署能力和生物安全性六个维度对侵入式、微创和非侵入式技术进行了系统比较。结果揭示了三个技术类别之间的核心规律：信号深度与生物干扰之间存在固有的权衡关系。侵入式传感器实现nM-pM灵敏度和秒级响应，但伤口反应严重限制了其长期操作稳定性（通常1-7天）；非侵入式传感器支持数周至数月的连续监测和即时部署便利性，但检测限限制在微摩尔级别；微创技术则提供了一个折衷方案。
5.2 选择决策框架
提出了面向应用场景的三层渐进式决策逻辑。第一层：根据目标分析物的生物学层级确定技术类别，细胞内瞬态生化信号优先选择侵入式，细胞与组织表面之间的中间信号选择微创式，宏观生理参数或大规模部署需求选择非侵入式。第二层：根据部署时长和环境约束评估长期稳定性需求，短期高精度实验选择侵入式，数周至数月连续监测选择非侵入式，中等时长监测选择微创式。第三层：考虑大规模部署的技术经济可行性，非侵入式传感器目前成本效益最优，最具商业化前景，但仍需进一步突破；侵入式传感器目前主要局限于实验室研究；微创传感器介于两者之间，正从实验室向示范应用过渡。该框架提供的是优先级排序而非绝对刚性规则，实际应用中还需考虑作物种类、界面兼容性和数据基础设施等因素。
