科学家设计出一种可监测植物可能承受的胁迫状况的设备。
该技术利用光学传感器探测叶片化学成分，从而判定胁迫状态。
人们希望这些设备能够帮助农民最大化作物产量，并有助于应对日益严峻的粮食不安全问题。
新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）与淡马锡生命科学实验室（TLL）的研究人员设计出一种便携式光学传感器，可监测植物是否处于胁迫状态。该设备为农民和植物科学家提供了一种新工具，可在田间条件下对植物健康进行早期诊断和实时监测。
精准农业是通过可持续农业实践应对日益严峻的粮食不安全问题的重要策略，但它需要新技术，以便在植物出现可见症状及随后的产量损失之前，快速诊断植物所受胁迫。SMART新研发的便携式拉曼叶夹传感器是精准农业中的实用工具，可早期诊断植物氮素缺乏，而氮素缺乏可能导致叶片过早衰败和产量损失。
在题为“用于快速检测植物胁迫的便携式拉曼叶夹传感器，”的论文中，该论文发表于期刊《科学报告》（Scientific Reports），科学家们阐述了他们如何设计、构建和测试该叶夹。该叶夹可使光学传感器探测叶片化学成分，从而判定胁迫状态。该项研究由农业精准技术颠覆性与可持续技术研究所（DiSTAP）跨学科研究小组（IRG）开展，该小组隶属于SMART，即麻省理工学院在新加坡的研究机构（DiSTAP）。
“我们的研究结果表明，在充足光照的生长条件下，使用便携式叶夹拉曼传感器进行的活体测量，与在实验室条件下对叶片切片使用台式拉曼光谱仪所获得的测量结果一致。”麻省理工学院电气工程与计算机科学教授、该论文共同第一作者兼DiSTAP首席研究员拉吉夫·拉姆（Rajeev Ram）表示，“我们已证明，借助便携式传感器，可以对活体植物的氮素缺乏进行早期诊断。氮是一种关键营养元素，也是肥料中最重要的成分。”
虽然该研究主要针对植物氮含量的测量，但该设备还可用于检测其他植物胁迫表型的水平，例如干旱、高温和低温胁迫、盐胁迫以及光胁迫。这些叶夹拉曼探头能够检测多种植物胁迫因素，且操作简便、速度快，因此非常适合农民在田间使用，以确保作物健康。
“虽然我们重点研究了利用叶夹传感器对氮素缺乏进行早期和特异性诊断，但我们还能够测量其他代谢物的峰值，这些代谢物在芥兰、生菜、菜心、小白菜和菠菜等常见蔬菜中也清晰可见。”该论文共同第一作者、TLL博士后研究员黄宗浩（Chung Hao Huang）表示。
研究团队认为，其研究成果有助于农民在最大化作物产量的同时，将对环境的负面影响降至最低，包括通过减少氮素径流及渗入地下水层，最大限度减少对水生生态系统的污染。
“该传感器已在多个蔬菜品种上得到验证，并助力“新加坡30×30”倡议下营养丰富、成本低廉的蔬菜生产。”DiSTAP联合首席研究员、TLL副主席、该研究共同第一作者蔡南海教授表示，“该项工作若能推广至更多作物品种，将有助于在全球范围内提高作物产量、增强气候韧性，并通过减少化肥使用来缓解环境污染。”
该便携式拉曼系统是与本地公司TechnoSpex合作设计的。该叶夹拉曼传感器由一个3D打印夹具构成，夹具围绕一套基于光纤的拉曼探头组件而建。
DiSTAP博士后研究员Shilpi Gupta为该论文共同第一作者，DiSTAP科学总监Gajendra Pratap Singh也参与了该文章的撰写。该研究由SMART开展，并获得新加坡国家研究基金会（NRF）在其“卓越研究与技术创业校园”（CREATE）计划下的支持。
DiSTAP计划致力于通过开发一系列具有影响力的新型分析、遗传和生物合成技术，应对新加坡乃至全球粮食生产中的深层问题。其目标是从根本上改变植物生物合成途径的发现、监测、工程化及最终转化方式，以满足全球对粮食和营养物质的需求。
来自麻省理工学院、TLL、南洋理工大学和新加坡国立大学的科学家正在协作开发新工具，用于持续测量重要的植物代谢物和激素，以便在目前尚无法实现的层面上发现新知识、深入理解并调控植物生物合成途径，尤其是在绿叶蔬菜领域；利用这些新技术改造植物，使其具备高度理想的特性，以保障全球粮食安全，包括高产密度生产、抗旱和抗病原体能力，以及高价值商业产品的生物合成；开发在工业相关微生物中生产疏水性食品成分的工具；开发新型微生物和酶技术，以生产可保护和/或促进绿叶蔬菜生长的挥发性有机化合物；并将这些技术应用于改善城市农业。
DiSTAP由麻省理工学院联合首席研究员迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）教授和新加坡联合首席研究员蔡南海教授共同领导。
SMART由麻省理工学院与NRF于2007年共同设立。SMART是CREATE计划中由NRF开发的首个机构。SMART是麻省理工学院与新加坡之间研究合作的智力与创新中心，致力于开展双方共同关注领域的前沿研究项目。SMART目前包括一个创新中心和五个跨学科研究小组：抗菌素耐药性、制造业个性化医疗关键分析、DiSTAP、未来城市交通，以及低能耗电子系统。
