共价有机框架（COF）基丝素蛋白（SF）传感器能够检测植物木质部中的pH值变化，从而判断植物是否缺水。
人们可能曾担忧过自家植物是否过度缺水或水分不足，然而该如何减少这一担忧呢？农民和植物爱好者将很快就有办法快速、实时地检测植物是否缺水了。
在过去十年间，科学家们一直致力于研发能够检测不同化学物质的特殊传感器。其中面临的一项挑战便是制造出能在活体植物体内正常工作的传感器。
据麦姆斯咨询报道，近期，新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的研究人员已经成功研制出能够检测植物体内pH值变化的新型传感器——共价有机框架（COF）基丝素蛋白（SF）传感器。当植物因缺水（遭受干旱胁迫）而处于应激状态时，植物体内的pH值就会发生变化。COF基丝素蛋白传感器可以帮助农民和园艺师在干旱胁迫对植物造成严重损伤之前尽早察觉这一情况。相关论文以“Chromatic covalent organic frameworks enabling in-vivo chemical tomograPHy”为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。
新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的农业精准颠覆性和可持续技术（DiSTAP）项目研究人员研发的基于对pH值敏感的变色COF基丝素蛋白传感器“粉末”，在早期检测到干旱胁迫时会呈现出视觉可见的颜色变化。
新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟DiSTAP项目的研究人员研发出了世界上首批由COF与丝素蛋白微针结合而制成的传感器。该COF基丝素蛋白传感器能够检测到植物木质部组织中酸度的降低情况，这正是干旱胁迫的早期信号。这项技术可在传统方法检测到干旱胁迫前48小时内向农民或园艺师发出相关预警。
变色COF基丝素蛋白微针用于生理化学显微断层成像示意图
被设计成变色传感器的COF为研究生物系统开辟了新途径。当该COF基丝素蛋白传感器与对生物体无害的材料相结合时，即可探索化学物质在植物和其它生物系统中相互作用情况。一个令人振奋的可能性是：利用该COF架基丝素蛋白传感器开展“化学断层扫描（CT）”，绘制出生物体内部化学细节的三维图谱。
变色COF结构及其厚度控制
COF基丝素蛋白微针的制备与表征
干旱情况下，活番茄植株的断层化学成像
新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟DiSTAP项目的研究人员所取得的新突破，解决了基于COF的传感器长期面临的一项挑战，在此之前，这些传感器一直无法与生物组织相互作用。
上述论文的共同通讯作者、DiSTAP项目共同首席研究员、麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs讲席教授Michael Strano说：“COF基丝素蛋白传感器可以很容易地附着在植物上，并可以通过简单的仪器进行检测。因此，它能够为农民和研究人员带来强大的分析功能。”
该论文的共同通讯作者、DiSTAP项目首席研究员、麻省理工学院土木与环境工程副教授Benedetto Marelli说：“COF基丝素蛋白传感器为我们提供了一个新工具的范例，在气候变化、资源有限和需要减少碳足迹等诸多挑战下，全球都在努力提高粮食的安全性，而农业更需要精确的工具。纳米传感器与生物材料之间的无缝集成，使我们能够轻松检测植物‘体液’的关键参数（如pH值），从而监测植物的健康状况。”
通过这种新方法，科学家们可以在植物存活的状态下，利用智能手机摄像头绘制出植物组织内部有关pH值的三维图谱。相较于传统方法，该方法的侵入性更小，速度更快，而传统方法可能耗时较长，还会对植物造成损伤。
DiSTAP项目的研究人员设计并研制出四种COF，它们会随着pH值的变化而改变颜色，这一特性被称作可调酸性变色变化。研究人员将这些COF涂抹到丝素蛋白微针上（该微针质地透明且柔韧性良好）。将丝素蛋白微针和COF薄膜相结合，使得人们能够观察和可视化不同植物区域pH值的变化情况。随着pH值的变化，COF薄膜的颜色也会随之改变，如此一来，科学家们便能实时观测植物内部pH值的空间分布情况了。
DiSTAP项目的研究科学家、上述论文共同第一作者Song Wang说：“基于我们之前对可生物降解的COF基丝素蛋白薄膜（该薄膜能够检测食品变质情况）所做的研究，我们研发出了一种检测植物组织中pH值变化的方法。在植物中使用时，随着木质部组织中pH值的升高，COF会从暗红色过渡到红色，这表明植物正在遭受干旱威胁，需要尽早干预以防止减产。”
DiSTAP项目博士后、上述论文的共同第一作者Yangyang Han说：“丝素蛋白微针的状态非常稳固，即使在与生物组织接触时也能保持稳定。它们是透明的，这一特性使得绘制pH值空间分布图能够以微创的方式进行。如今，丝素蛋白微针与COF薄膜搭配使用，农民便拥有一种可以实时监测植物健康状况的精准工具，能更好地应对干旱等挑战，提高作物的抗逆能力。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53532-7
