资环院 | 康福星教授团队破解乙烯监测难题

近日，极速电竞官网（中国）官方网站资源与环境科学学院康福星教授团队在植物生物信号监测研究领域取得重要进展。相关成果发表在《Sensors and Actuators: B. Chemical》上，论文题为“Selective catalysis-guided ethylene sensing in rhizosphere using nanogold-functionalized microprobe”。

植物释放的乙烯是一种难以被直接探测的生理信号，调控着从果实成熟到根系生长的诸多生命活动。发现近百年来，科学家始终难以实现对这种痕量“植物信息”的原位检测。如今，极速电竞官网（中国）官方网站资源与环境科学学院的科研团队研发出纳米材料功能化的微电子鼻，终于实现了对植物乙烯信号精准“嗅觉”测量，为破解这一难题带来突破性进展。作为简单烯烃分子，乙烯因缺乏易识别官能团且痕量难测，长期制约着植物生理学与环境光化学研究。传统检测不仅需在250-500℃高温下进行，还面临传感器快速钝化的问题——往往在数小时或数天内就失去检测能力。该局限使得科学家无法实时追踪植物在自然生长状态下的乙烯释放动态，如同失去了“嗅探”植物生理密码的敏锐嗅觉。

研究的核心突破在于设计出基于特殊纳米金构型的电子鼻微型传感器。团队通过操控突破纳米尺度的几何限制效应，将乙烯催化氧化路径导向乙醇生成，而非传统的环氧乙烷路径。这一转变从根本上避免了电极表面钝化层的形成，而这正是以往同类传感器研发失败的关键原因。实验数据显示，新技术检测限低至0.20 μM，线性响应覆盖0.5-500 μM，寿命超3个月。计算化学与质谱分析证实，纳米金表面特殊结构通过降低反应能垒（0.62 eV），选择性促进乙醇生成，从而维系了检测单元的长期活性。

图1、光照条件下水稻根际乙烯扩散的时空分析（蓝光6300 lux）

在水稻根际进行的实地测试案例中，该技术展现出强大的实用价值。研究发现，单根水稻根系释放的乙烯浓度呈现显著的光波长依赖性：在435 nm蓝光照射下达到55 μM，远高于660 nm红光（32.5 μM）和520 nm绿光（24.0 μM）条件下的释放量。这一发现首次直观揭示了叶面光信号对植物乙烯合成的调控规律，也验证了该技术在复杂根系环境中捕捉细微生理信号的能力。更值得关注的是，借助该技术成功绘制出根际乙烯浓度梯度（6.8-25 μM）和实时释放动力学（0.16-3.7 μM/min）（图1），为解析根系与土壤界面的信号传递提供了高分辨率数据。

这种能“嗅”出植物生理信号的技术，未来将在多个领域大显身手。在智能农业中，可通过建立乙烯释放与环境胁迫之间的关系，帮助建立农作物环境风险预测模型；在光化学污染研究中，其可用于测量大气污染物烯烃类前体。研究团队表示，这项技术不仅为解读植物“语言”提供了新工具，更建立了复杂微环境中痕量乙烯原位监测的新范式，有望在农业生产优化和生态环境保护中发挥关键作用。