随着气候变化、病虫害频发，作物减产、中药材品质下降问题愈发突出。想要发展智慧农业，就需要能够实时捕捉植物生理信号，提前预警胁迫伤害的监测工具。
近日，南京林业大学黄超伯教授科研团队利用静电纺丝制备醋酸纤维素（CA）/PSSA 梯度纳米纤维膜，搭配MXene纳米片电极，开发出一款集湿气发电与电阻式湿度传感的一体化柔性传感器，可以直接贴在叶片表面，无创监测植物蒸腾作用，为植物健康原位监测提供全新解决方案。
图1.传感器整体原理示意图
一、传统植物监测遇到哪些问题？
蒸腾作用是植物最重要的生理指标之一，直接反映植物水分状态、抗旱能力，在干旱地区，精准掌握蒸腾速率，能够极大节约灌溉用水，助力节水农业发展。
但传统检测手段存在明显短板：
- 重量法、叶室法：操作繁琐，需要破坏性取样，很难做到野外原位连续采集，难以满足精准农业高时空分辨率的数据需求；
- 现有植物柔性可穿戴传感器：大多需要外接电源供电，电池不仅增加设备重量，在田间长期部署也带来局限，制约大规模推广应用。
湿气诱导发电（MENG）技术可以直接利用环境湿度差产出电能，为自供电传感器开辟新思路。植物叶片蒸腾会持续释放水汽，叶片与环境天然形成湿度梯度。如果把 “发电” 和 “湿度感知” 集成在同一片柔性薄膜上，就有望直接读取叶片蒸腾信号，实现植物健康长期监测。
二、静电纺丝CA梯度纳米纤维+MXene,一张膜实现两大功能
该传感器以静电纺丝CA为基底，引入聚对苯乙烯磺酸（PSSA）构建不对称润湿性梯度，再喷涂 MXene 二维纳米片作为导电电极，单器件同时实现湿气发电、湿度传感双重功能，不需要两套独立器件，简化结构设计。
1.构建润湿性梯度，实现湿气发电
研究人员在使用CA进行静电纺丝的过程中连续切换PSSA掺杂比例，让静电纺丝纤维膜形成从疏水到亲水的连续梯度结构。该梯度结构引导水分子定向输运、离子定向迁移。
图2.CA/PSSA材料表征
在75%相对湿度条件下，尺寸仅为1.5 × 1.5 cm² 的传感器，开路电压可达1187 mV。对比无梯度纯醋酸纤维素膜，输出电压提升约 37 倍。
2.MXene导电网络承担湿度感知
MXene具备高导电性，表面富含羟基、氧基团，遇到水汽会发生片层溶胀，改变导电通路的电阻。基于该特性，器件可以把叶片蒸腾带来微小湿度变化，转化为可读取电阻信号，实现湿度检测。
图3.MXene材料表征
器件检测范围覆盖 20.8%98.7% 宽湿度区间，循环稳定性优异；在 050℃温度变化、不同风速干扰条件下，电阻波动小于 1%，抗环境干扰能力强，适合户外复杂环境。
3.轻量化、高生物相容性，不伤害植物
整个传感器重量只有 12.1 mg，质地柔软轻薄。采用边缘粘贴方式固定于叶片，传感区域与叶片之间留有微米级间隙，不会完全封堵叶片气孔，不干扰叶片正常气体交换。
同时，研究团队还通过斑马鱼胚胎孵化、油菜种子萌发、大豆长期栽培多组生物安全实验验证：传感器材料无生物毒性，种子发芽率、幼苗活力、植株生物量和对照组没有显著差异，整套装置可以安全用于植物全生命周期监测。
图4.生物相容性实验
三、真实植物胁迫监测效果
图5.植物胁迫监测实验结果
研究人员把传感器贴附活体植物叶片开展多组胁迫实验，将传感器电信号与经典重量法测得蒸腾速率做对照，验证实际监测能力。
- 昼夜节律追踪：连续 19 小时监测健康植株，电阻信号跟随光照、温度同步变化，日出之后信号上升，午后到达峰值，黄昏逐步回落，完美匹配植物气孔昼夜开闭的生理节律。
- 干旱胁迫监测：5 天干旱处理，传感器相对电阻响应随蒸腾速率同步持续下降，能够捕捉植物逐步缺水受胁迫全过程。遇到阴雨高湿天气，信号同样反映蒸腾受抑制状态。
- 紫外逆境监测：紫外照射后，植物蒸腾减弱，传感器电阻响应同步下降；同时植物组织丙二醛 MDA 含量升高，证明传感器可以捕捉紫外造成生理损伤。
- 气孔密度关联验证：叶片下表皮气孔密度更高，传感器贴在下表面得到的电阻变化、输出电压，明显高于上表皮，信号强弱和气孔释放水汽多少直接相关，进一步证实信号来源来自叶片蒸腾。
四、研究意义
这项工作把湿气发电技术和植物蒸腾传感结合在同一柔性纳米纤维膜，提供了可持续、非侵入式植物生理监测新策略，对智慧农业、绿色自供电传感有多重价值：
- 应用层面：可以在不损伤植物前提下，原位捕捉干旱、紫外等多种逆境胁迫，实现早期预警，为节水灌溉、作物抗逆研究提供数据支撑；
- 材料技术层面：证实静电纺梯度纳米纤维 + MXene 复合体系，在植物可穿戴器件巨大潜力；
DOI：10.1002/smll.76536
五、静电纺丝设备推荐
本项研究的核心样品——梯度结构醋酸纤维素纳米纤维膜，依托静电纺丝技术制备而成。想要复现梯度、Janus、核壳等复杂结构纳米纤维，对设备的喷头配置、多组分切换、温湿度环境控制都有很高要求。
佛山微迈 E04 多功能静电纺丝机
佛山微迈 E04 多功能静电纺丝机，支持共轭纺丝、多针阵列并行纺丝、静电喷雾一体化实验。配备四针/八针阵列喷头，可完成多组分连续切换纺丝，一步构建梯度润湿性纳米纤维基底；集成一体化变频除湿机，可控制舱内温湿度，减少溶剂挥发带来的实验误差，保障纤维形貌与实验可复现性；支持实验参数保存、导入，适配梯度纳米纤维、柔性传感膜等前沿课题研发，国内众多高校科研组均有落地使用案例。
