Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали портативную технологию, позволяющую фермерам выявлять болезни растений в полевых условиях. Портативное устройство, подключенное к смартфону, работает путем отбора проб летучих органических соединений (ЛОС), которые растения выделяют через листья.
«Все растения выделяют летучие органические соединения, когда они «дышат», но тип и концентрация этих летучих органических соединений меняются, когда растение болеет», - говорит Циншань Вей, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии и автор соответствующей статьи. на работе.«Каждое заболевание имеет свой характерный профиль летучих органических соединений. Таким образом, измеряя тип и концентрацию летучих органических соединений, выделяемых растением, вы можете определить, больно ли растение и, если оно больно, то какое у него заболевание.
«Наш вклад в создание устройства, которое можно подключить к смартфону и использовать для быстрого измерения летучих органических соединений в полевых условиях», - говорит Вей, который также является преподавателем Центра изучения новых болезней растений в штате Северная Каролина. и Кластер глобальной продовольственной безопасности.
Существующие методы выявления заболеваний основаны на молекулярном анализе, который занимает несколько часов и, что наиболее важно, должен выполняться в лаборатории. Доставка образца в лабораторию, где ему, возможно, придется ждать тестирования, может привести к задержке выявления заболевания на дни или недели.
«Наша технология поможет фермерам быстрее выявлять болезни, чтобы они могли ограничить распространение болезней и связанный с ними ущерб урожаю», - говорит Жан Ристаино, заслуженный профессор патологии растений Уильяма Нила Рейнольдса в штате Северная Каролина, соавтор газеты и директор кластера.«Теперь мы готовы масштабировать технологию».
Вот как работает технология. Если фермер подозревает, что растение может быть больным, он или она может взять лист соответствующего растения и поместить его в пробирку. Затем пробирку закрывают крышкой не менее чем на 15 минут для накопления соответствующих летучих органических соединений. После этого инкубационного периода колпачок снимается, и фермер использует узкую пластиковую трубку, чтобы накачать насыщенный летучими органическими соединениями воздух в «считывающее» устройство, подключенное к смартфону.
В камеру считывателя, содержащую полоску бумаги, нагнетается воздух. В бумагу встроен ряд химических реагентов, которые меняют цвет при контакте с определенной химической группой. Оценивая получившийся цветовой узор на полоске, пользователи могут определить природу любого заболевания растения, которое может поражать растение.
«Чтобы эта технология заработала, нам пришлось разработать реагенты, которые можно было бы встраивать в бумажные полоски», - говорит Чжэн Ли, исследователь с докторской степенью в штате Северная Каролина и первый автор статьи.«Около половины реагентов представляли собой готовые органические красители, а другая половина представляла собой наночастицы золота, которые мы функционализировали для реагирования на определенные химические группы. Эти функционализированные наночастицы позволяют нам более точно обнаруживать различные типы ЛОС».
«Нам также пришлось спроектировать и изготовить считывающее устройство, поскольку на рынке нет ничего подобного», - говорит Вэй.
В ходе проверки концепции исследователи продемонстрировали способность устройства обнаруживать и классифицировать 10 растительных летучих органических соединений до уровня частей на миллион. Они смогли обнаружить возбудитель фитофтороза, вызвавший ирландский голод, через два дня после того, как растения томатов были инокулированы патогеном. Исследователи также смогли отличить фитофтороз томатов от двух других важных грибковых патогенов, вызывающих сходные симптомы на листьях томатов. Кроме того, исследователи показали, что могут обнаруживать патоген Phytophthora infestans в листьях томатов с точностью более 95%.
«Мы показали, что технология работает, - говорит Вей. «Есть две области, в которых мы могли бы сделать его еще лучше. Во-первых, мы хотели бы автоматизировать анализ закономерностей с помощью программного обеспечения для смартфона, что облегчило бы фермерам определение болезней.
Во-вторых, мы планируем разработать индивидуальные считывающие полоски, предназначенные для измерения летучих органических соединений, связанных с другими заболеваниями, характерными для данной культуры. Разные культуры в разных регионах сталкиваются с разными угрозами, и мы могли бы разработать бумажные полоски, которые специально для решения этих конкретных проблем.
«Такого рода инновации являются неотъемлемой частью Инициативы штата Северная Каролина в области растениеводства, которая направлена на разработку новых технологий, которые улучшат производство продуктов питания с помощью междисциплинарной науки», - говорит Вэй.