太赫兹在纳米传感未来农业

文摘

日益增长的粮食需求的增长的人口要求干预通过新技术解决在有限的资源增加粮食产量。本文回顾各种传感技术干预和礼物的准确性和灵敏度的比较太赫兹(太赫兹)传感技术与其他方法发现更有效的,可行的和富有成效的。水作为一种重要的和基本的实现组件的及时发展植物叶子,本文的一些初步结果将太赫兹传感技术应用到植物科学估算各叶片含水量在细胞水平上提出了。因此,显示了潜在的使用太赫兹遥感作为一个有前途的候选人为未来农业技术。

关键字

太赫兹辐射(太赫兹)、传感、农业、含水量、植物叶子

介绍

越来越稀缺的水资源在植物科学领域,许多重要的和现代技术在应用植物进化生物学在不同水平在过去的几十年。在大多数国家,农业被认为是脊柱的整体发展国家特别是发展中国家由于其重要的作用在加强经济发展国家(1]。会见的有挑战性的人口增长,重要的是要有智能,可持续,精准农业增加作物的产品以及提供具体信息调整土壤和作物的利用各种传感器进入农业领域。精准农业包括使用化肥,杀虫剂,除草剂在最低程度上最大的生产。

迄今为止的传感器功能的实现农业的准确性是温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器、ph传感器、光传感器、和色彩传感器和生物传感器(用于检测土壤中养分含量)(2,3]。提出了各种系统,传感器已经在大规模的应用中所示图1并产生最佳结果的整体工作负载减轻传统农业耕作的农民和地址的缺点。很多时候,多个传感器引入服务来确定每一个参数,影响作物的整体增长,和基于web的应用程序和提供灵活地从任何位置监控农业用地。所有可用的技术检测一旦损伤做了但是有需要开发更多的创新和新方法可以检测出异常之前主动伤害已经造成,由于人口的快速增长,现有技术缺乏作物生产力,不必要的和不合时宜的使用化肥和农药邀请健康和净化费用导致营养和毒素的增量(4,5]。

考虑到传统的方法、标准传感器,如前所述,被用来满足作物生产力的巨大需求,适当地使用化肥,能够检测少量的杂质在土壤和植物的病原体,植物营养不足。遗憾的是,他们没有获得高产的结果在农业部门和明显似乎不可行,无法实现。在过去的几十年发展在科学技术特别是在农业领域不能提供持久可靠的解决方案来维持农业生产力(6]。尽管使用传统的方法,如宏观传感器,不可能带来生产力所需的结果特别是在发展中国家。此外,它也很难减少环境和其他资源与农业生产相关的费用,减少养分损失在受精和传播化学物质的量(7,8]。

材料和方法

从纳米技术的发展,有机会更深入的了解到分子水平已经成为可能,如在细胞,叶子,植物和一种能力来检测疾病在早期阶段采用纳米传感器组成的纳米材料。这纳米技术可以发挥至关重要的作用在整个生产力通过控制营养,观察水质和任何存在的农药在农业领域的有效和可持续发展(8]。微观方法相比,这种技术被认为有更多的可靠性,快速响应,表明低成本系统整体监控和维护健康的叶子9]。例如,新nanowire-based材料用于纳米技术包含了异常检测和传感特性和它可以提供先进的敏感性,可能更好的选择性,以较低的成本提供更好的稳定性。

在这方面,纳米传感器应用程序工作在太赫兹频率介绍独特的传感植物应对变化的机会环境条件、污染检测病原体的攻击和其他压力。它也有能力监测植物信号和响应在成长和发展过程中,水分在植物的叶子,细菌在分子水平上检测作物(10- - - - - -12]。太赫兹(太赫兹)技术的发展应用吸引了无数的园艺家,研究人员和科学家像植物生理学家和生物化学家在各领域的应用植物生物学(13]。

现行食品安全的挑战,可持续发展和气候变化的影响已经非常深入研究人员从事研究太赫兹领域考虑它作为重要的改进的新来源农业部门(14]。近年来,太赫兹应用在众多领域的重要进展如生物医学成像、诊断应用,安全由于其独特的特征。取得的一些进步,从这些独特的功能是安全成像的无形的物品,大气研究,加工食品的质量控制、高频通信保护和非接触式影像绘画和手稿,和雷竞技网页版医学成像牙科保健和皮肤癌的非侵入性诊断15- - - - - -19]。

尽管这些提到的优点和巨大的贡献太赫兹(太赫兹)技术各个领域,研究者们认为,其潜在的传播领域的合理植物科学仍被视为最不检查研究领域之一,直到现在(18]。然而,研究人员一直在努力等环境系统的监测和控制,作物生产力提高,保护作物免受任何病原体的攻击,尤其是,监测和确定适当数量的水分在植物叶子采用各种方法(20.]。在过去,已经提出许多功能技术如红外成像、高光谱热成像和核光谱成像来确定空间和光谱信息的综合分析植物叶片的含水量。

虽然已经有实质性的进展通过利用这些技术,然而,有一些限制相关技术,可以进一步增强。此外,热量和高光谱成像通常归类为推导方法,那面镜子水的深入影响引发的修改内容(21- - - - - -26]。例如,考虑到红外或微波光谱,他们要么无法检测微小的变化在叶子在水中地位或到处都是植物的无机盐含量,导致整体的重要干扰测量过程(图2和3)。

此外,成像的分辨率测量微波频谱是有限的由于相对高昂的波长,这种方法采用微波辐射成像分辨率的仅限于名义波长接近2.5毫米。比较微波与核磁共振的图像分辨率,这显示了更多的提前解决,但有限的可访问性和高成本的缺点。与其他方法相比,太赫兹(太赫兹)技术显示独特的,独特的和新颖的进步探索水的分子变化的叶子由于其高灵敏度和渗透特性的太赫兹辐射的吸收水的叶子(24]。

进一步强调,由于太赫兹,含水量不均匀变化的叶子,在植物组织中分布和流动的水都受到多种因素的影响,如疾病、环境压力、生长节律。一片树叶基本上由一个复杂的生物组织结构在空间层次和独特的分子如碳水化合物、蛋白质和其他几个分子物质化合物(25]。然而,在这个阶段,它不是必要的详细描述植物叶片的结构和配置。事实上,更重要的是只考虑那些真正的组件的电磁辐射。因此,它已被确认的主要物质是水,空气和固体植物材料(27- - - - - -29日]。

目前,当前文献太赫兹的重点主要通道特性和建模的体心沟通和显示模式的路径损耗对身体对身体的各种情况。不过,这些模型缺乏直接传播的特征来预测任何损失包含植物叶片的中心。克服这些等价的缺点,作者提出了一个数值方法主要太赫兹路径损耗模型,可以预见植物叶片的吸收和散射反应估算总信号丢失(30.]。

尽管这些模型依赖于模拟结果,在文献中描述了不同的树叶,可以接受通过现实的评估测量叶子。本文采用先进的太赫兹(太赫兹)技术,重点主要是引入一个初步的分析和探讨含水量和任何杀虫剂在叶子的范围0.75 - 1.2太赫兹频率使用Swissto 12系统。它也旨在确定pathloss响应各种树叶,树叶的复介电常数的新鲜和干旱胁迫的叶子。因此,这导致了有价值的信息和强烈的相关性确定考虑这部小说的可行性方法,检查时间和脱水反应植物的叶子对各种环境条件(31日,32]。

为太赫兹表征实验设置

Swissto 12系统的设置

开始之前太赫兹传输测量使用Swissto 12系统,完整的校准的两个端口(wR1.0),也称为(Short-Open-Load-Through)都使用了现代校准技术如图所示图1。整体校准的目的是为了避免任何系统或任何其他外部因素产生的测量误差。如前所述,Swissto 12系统从0.75到1.2太赫兹频率范围,有4毫米的厚度范围从40米。此外,反射系数(S11和S22)和传输参数(S12和S21)测量同时执行各种叶子(实验31日)(图4和5)。

叶样品

六个不同的新鲜的叶子被用于实验命名为;罗勒、菜花、莴苣、卷心菜、冰山、鼠尾草。为了获得的准确性和精度,测量执行三次不同取向的树叶。这也是因为这使得可能有不同的水分含量水平在不同的位置。测试环境温度的测量是23°C±0.1°C,湿度是发现大约50%±20%之间(图6)。

叶子厚度

考试的测量结果的树叶,这是重要的计算厚度12叶通过高精度测量工具,称为游标卡尺,如下所示图4。这些叶子被单独测试厚度相同的环境条件下。叶子的厚度范围被发现在阈值范围内的系统(40μm 4毫米)启用执行实验。这个过程重复三次获得叶在不同位置的厚度。在叶片厚度的调查,发现叶厚度不断增加,含水量在树叶。

结果与讨论

传输和路径损耗的反应

为了确定的传输和路径损耗响应树叶,树叶被放置在材料表征工具包(MCK) Swissto 12。注意到传输响应的叶子显然是相互区别所示图5。基于最初的测量结果,注意到不同的树叶展出各种衰减,清楚地显示相关的含水量或任何杀虫剂在树叶。它还发生传输响应的变化可能是由于不同厚度的树叶,植物生理学和组件。

此外,从图5,考虑到所有的测量响应,可以得出的结论是,六叶,卷心菜展品更高数量的含水量豌豆射和其他人紧随其后。这些观察导致显著的和有意义的信息来研究和分析存在的任何杀虫剂在叶子太赫兹的频率。此外,结果还显示,菜花展品数量少的含水量或存在任何杀虫剂在树叶相比其他树叶。然而,它也显示了一个敏感的地区0.8赫兹的频率范围从0.75赫兹。

此外,路径损耗的反应也获得所示图6,被证明是更感兴趣的结果考虑响应各种树叶。是描述在某些频率范围所示0.79赫兹至0.83赫兹图5,露出一个更加敏感的频率区和精确的识别叶片含水量的变化。认为,路径损耗的反应可能是由于杰出的表面粗糙度的叶子,叶子,水含量和叶子的传播特性的过程中他们的成长。比较三个叶子的结果图6,有趣的是注意到芳香芫荽叶表现出较高的路径损耗的反应比较生菜和冰山的叶子。th也可以注意到的最小路径损耗反应获得的生菜略小于冰山由于有高泡在1.1赫兹的频率范围从1 Hz。最终,这表明,相对较高的脱水率或少含水量在芳香的叶子比较其他结果。此外,结果还清楚地揭示了叶片的厚度和含水量之间的关系。

结论

介绍了当前使用的各种技术,提高农业产量,以满足不断增长的人口的需求。由于人口增长和考虑到农业现状,分析,这些以前传统的技术似乎不可行,无法产生最佳结果的作物生产力,及时使用化肥,检测细菌在早期降低整体成本。因此,为了获得更准确和有效的在农业中使用的水,太赫兹遥感有潜力,被认为是更快速,可靠的整体反应监控和维护健康的叶子。本文强调了太赫兹技术的进步和发展应用在农业部门和提出了一些初步的研究在这一领域,拥有巨大的潜力做干预主动和改变主要的范式。

确认

Adnan Zahid由EPSRC博士培训计划。

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