未来农业的纳米级太赫兹传感

摘要

随着人口的增加，对粮食的需求不断增长，需要通过新的技术解决方案来干预，在有限的资源中增加粮食产量。本文综述了各种干预传感技术，并将太赫兹(THz)传感技术的精度和灵敏度与其他方法进行了比较，发现太赫兹传感技术更有效、可行和富有成效。由于水分是植物叶片及时生长的重要基础成分，本文介绍了将太赫兹传感技术应用于植物科学中，在细胞水平上估算各种叶片含水量的一些初步结果。因此，显示了使用太赫兹传感作为未来农业技术的一个有前途的候选人的潜力。

关键字

太赫兹(THz)辐射，传感，农业，含水量，植物叶片

介绍

随着……的日益稀缺水资源在植物科学领域，在过去的几十年里，许多重要的现代技术在应用植物生物学的各个层面上得到了发展。在大多数国家，农业被认为是国家特别是发展中国家整体发展的脊梁，因为它在提高人民生活质量方面发挥着重要作用经济发展国家的[1］．为了应对具有挑战性的人口增长，重要的是拥有智能、可持续和精准的农业，以增加作物的产量，并通过在农业领域使用各种传感器提供定制土壤和作物的具体信息。精准农业包括以最小程度使用化肥、农药和除草剂以获得最大产量。

到目前为止，在实现农业精度方面发挥作用的传感器有温度传感器，湿度传感器，土壤湿度传感器、酸碱度传感器、光线传感器、颜色传感器和生物传感器(用于检测土壤中的养分含量)[2，3.］．已经提出了各种系统，其中传感器已被大规模使用，如图所示图1并通过减轻农民在种植中的总体工作量和解决传统农业的缺点，产生了最佳结果。在某些情况下，多个传感器被投入使用，以确定影响作物整体生长的每个参数，以及基于网络的定制应用程序，并提供了从任何位置监测农业用地的灵活性。所有现有的技术都能在损害发生后进行检测，但由于人口迅速增长、现有技术缺乏作物生产力、不必要和不合时宜地使用化肥和农药，导致健康和净化费用增加，导致营养物质和毒素增加，因此需要开发更多创新和新颖的方法，以便在损害发生之前主动检测异常情况。4，5］．

与传统方法相比，如前所述，采用标准传感器来满足作物生产力的巨大要求，合理使用肥料，能够检测土壤中的少量杂质和植物中的病原体，植物中的营养缺乏症。令人遗憾的是，它们没有在农业部门取得丰硕成果，显然看来是不可行和无法实现的。在过去的几十年里，科学技术特别是农业领域的发展并没有提供持久可靠的解决方案来维持农业生产力。6］．尽管采用了诸如宏观传感器之类的传统方法，但仍不能带来所需的生产力成果，特别是在发展中国家。此外，减少与农业生产有关的环境和其他资源费用，减少施肥中的养分损失和化学品的喷洒量也非常困难[7，8］．

材料与方法

由于纳米技术的发展，使得更深入地挖掘分子水平成为可能，例如在细胞、叶子和植物中，并且能够利用纳米材料组成的纳米传感器在非常早期的阶段检测疾病。这纳米技术可以通过控制养分，观察水质和任何农药的存在，为农业领域的有效和可持续发展在整体生产力中发挥至关重要的作用[8］．与微方法相比，该技术被认为更可靠，响应速度快，是一种低成本的整体监测和维护叶片健康的系统[9］．例如，纳米技术中使用的新的基于纳米线的材料具有特殊的探测和传感特性，它可以提供更高的灵敏度、更好的选择性，并且可能以更低的成本提供更好的稳定性。

在这方面，在太赫兹频率下工作的纳米传感器应用为传感植物对环境变化的反应提供了独特的机会环境条件污染检测、病原体攻击和其他压力。它还具有在分子水平上监测植物生长发育过程中的信号和反应、植物叶片含水量水平、作物细菌检测的能力[10-12］．太赫兹(THz)技术的不断发展应用吸引了众多园艺家，研究人员和科学家，如植物生理学家或生物化学家在应用植物生物学的各个领域[13］．

粮食安全、可持续性和气候变化影响的普遍挑战极大地吸引了研究人员深入探索太赫兹领域，并将其视为人类重要改进的新来源农业部门［14］．近年来，太赫兹由于其独特的特性，在生物医学成像、诊断应用、安全和安保等众多领域的应用都取得了重大进展。从这些独特的特征中取得的一些进步是无形物品的安全成像，大气研究，食品加工质量控制，用于保护绘画和手稿的高频通信和非接触式成像，以及雷竞技网页版医学成像适用于牙科护理及皮肤癌的非侵入性诊断[15-19］．

尽管太赫兹(THz)技术具有上述优点和巨大的贡献，但研究人员认为其潜力在各个领域得到合理的传播植物科学至今仍被认为是研究最少的领域之一[18］．尽管如此，研究人员已经做出了诸如监测和控制环境系统、提高作物生产力、保护作物免受任何病原体攻击等方面的努力，特别是通过各种方法监测和确定植物叶片的适当含水量[20.］．过去，人们提出了红外成像、高光谱热成像和磁谱成像等功能技术来确定植物叶片含水量的空间和光谱信息的综合分析。

虽然利用这些技术已经取得了实质性的进展，但是，每种技术都有一些局限性，可以进一步加强。此外，热成像和高光谱成像通常被归类为衍生方法，它们反映了含水量变化引发的深度影响[21-26］．例如，考虑到红外或微波光谱，它们要么无法检测到叶片中水分状况的微小变化，要么被植物的无机盐含量所干扰，从而对整个测量过程造成重大干扰(图2和3.）.

此外，由于该方法所采用的波长相对较大，微波光谱成像测量的分辨率受到限制，微波辐射的成像分辨率被限制在接近2.5 mm的标称波长。微波成像与核磁共振成像的图像分辨率比较，显示出更高的分辨率，但存在可及性有限和成本高的缺点。与其他方法相比，太赫兹(THz)技术由于其对叶子吸收水分的高灵敏度和穿透特性，在探索叶子中水分的分子变化方面显示出独特、独特和新颖的进展[24］．

进一步强调，由于太赫兹，叶片含水量的不均匀变化、水分在植物组织中的分布和流动受到病害、环境胁迫和生长节律等多种因素的影响。叶子基本上由空间层结构的复杂生物组织和碳水化合物等独特分子组成，蛋白质和其他一些分子物质化合物[25］．然而，在这个阶段，没有必要详细描述植物叶片的结构和形态。事实上，只考虑那些真正随电磁辐射移动的部件更为重要。因此，已确定的主要物质被认为是水、空气和固体植物材料[27-29］．

目前，许多关于太赫兹的文献主要侧重于以身体为中心的通信的通道表征和建模，并显示了各种身体情况下身体通路损失的模式。然而，这些模型缺乏预测在含有植物叶片的中心直接传播损失的特征。为了克服这些等效的缺点，作者提出了一种可以预测植物叶片吸收和散射反应的初级太赫兹路径损耗模型的数值方法，用于估计总信号损失[30.］．

尽管这些模型依赖于模拟结果，如文献中描述的不同叶片，但通过对叶片的实际测量来评估它们是可以接受的。在本文中，采用最先进的太赫兹(THz)技术，重点主要是介绍初步分析，并使用Swissto 12系统在0.75至1.2太赫兹频率范围内调查叶片中含水量和任何农药的存在。还旨在确定各种叶片的路径损失响应，以及新鲜和干旱胁迫叶片的复介电常数。因此，考虑到这种新方法用于检查植物叶片对各种环境条件的时间和脱水反应的可行性，这导致了有价值的信息和强相关性被确定[31，32］．

太赫兹表征的实验设置

瑞士12系统的建立

在使用Swissto 12系统开始太赫兹传输测量之前，使用现代校准技术对两个端口(wR1.0)进行了全面校准，也称为(短开负载-通过)，如图所示图1。整体校准的目的是为了避免任何由系统或任何其他外部因素产生的测量误差。如前所述，Swissto 12系统的频率范围为0.75至1.2太赫兹，厚度范围为40米至4毫米。此外，在不同叶片上进行实验时，测量了反射系数(S11和S22)和透射参数(S12和S21) [31] （图4和5）.

叶样品

实验中使用了6种不同的鲜叶，命名为;罗勒，花椰菜，生菜，卷心菜，冰山，鼠尾草。为了获得准确度和精密度，对所有叶片在不同方向上进行了三次测量。这也是因为叶片在不同位置的含水量可能不同。测试环境温度为23°C±0.1°C，湿度约在50%±20% (图6）.

叶片厚度

为了检验叶片的测量结果，使用高精度测量工具游标卡尺计算12片叶片的厚度是有意义的，如下图所示图4。在相同的环境条件下，对每片叶子的厚度进行了单独测试。叶片的厚度范围在系统的阈值范围内(40 μm ~ 4 mm)。此过程重复三次，以获得不同位置的叶片厚度。在对叶片厚度的研究中，发现叶片厚度随叶片含水量的增加而不断增加。

结果与讨论

传输和路径损耗响应

为了确定叶片的传输和路径损耗响应，将叶片放置在材料表征试剂盒(MCK) Swissto 12中。我们注意到叶片的传播响应有明显的区别，如图图5。根据最初的测量结果，我们注意到不同的叶片表现出不同的衰减，并且清楚地显示出与叶片含水量或任何农药存在量的相关性。叶片厚度的不同和植物生理成分的不同也可能导致传输响应的变化。

此外，从图5综合各测量响应可知，6种叶片中，白菜水分含量最高，其次为豌豆苗等。这些观测结果为研究和分析叶子中是否存在太赫兹频率的农药提供了重要而有意义的信息。此外，研究结果还表明，与其他叶片相比，花椰菜叶片中的含水量或农药含量更少。然而，它也显示了在0.75 Hz到0.8 Hz的频率范围内的敏感区域。

此外，还得到了路径损失响应，如图图6，考虑到不同叶片的反应，被证明是更有趣的结果。在0.79 Hz到0.83 Hz的频率范围内，如图所示图5，揭示了更敏感的频率区，准确地识别了叶片含水量的变化。我们认为，路径损失响应可能是由于叶片表面粗糙度的差异、叶片含水量的存在以及叶片在生长过程中的繁殖特性。比较三片叶子的结果图6有趣的是，香菜的叶子比生菜和冰山的叶子表现出更高的路径损失反应。从这里还可以注意到，莴苣获得的最小路径损失响应略小于冰山，因为在1 Hz到1.1 Hz的频率范围内有一些高倾角。最终表明，与其他结果相比，芳香叶的脱水率相对较高或含水量较少。此外，结果还清楚地揭示了叶片厚度与含水量之间的关系。

结论

本文介绍了目前用于提高农业生产以满足不断增长的人口需求的各种技术。由于人口不断增长，考虑到目前的农业形势，据分析，这些以前的传统技术似乎不可行，无法在作物生产力、及时使用肥料和早期检测细菌方面产生最佳结果，以降低总体成本。因此，为了在农业部门获得更准确和有效的水资源利用，太赫兹传感具有潜力，并且被认为具有更快速，更可靠的响应，可以全面监测和维护叶片的健康。本文着重介绍了太赫兹技术在农业领域应用的进展和发展，并介绍了在该领域所做的一些初步研究，这些研究具有积极干预和改变农业技术范式的巨大潜力。

致谢

Adnan Zahid由EPSRC博士培训项目资助。

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