贴片式热流传感器

浙江的之江实验室超级感知研究中心研究专家王镝及其团队开展的人工嗅味觉传感器及相关技术研发，已取得手持式呼吸丙酮检测设备、微型化嗅觉传感器样机1.0等阶段性重要成果。　　目前，大部分的气体检测设备主要针对有毒、有害气体监测，在智能技术迭代、应用场景开拓等方面仍有很大的“淘金”空间。　　比起感知声、光、电、力等信号的物理传感器，感知化学信号的气体传感器应用拓展相对缓慢，这背后有复杂的技术原因。“由于现实中的气体样品混杂了大量不同种类的气体分子，导致气体传感器易受干扰，可靠性相对较差。而且气体传感器的敏感材料需要暴露在外部气体环境中工作，可能受化学物质影响，导致器件的稳定性不佳。”王镝说。　　据悉，在大量的物联网应用场景催化，以及通信技术和人工智能技术的赋能下，气体传感器的开发在不断推进，其应用场景从用于毒害气体检测逐渐向医疗护理、可穿戴设备、食品安全等领域拓展。　　王镝介绍，如在医疗领域，二氧化碳浓度曲线是判断病人肺通气情况的依据，某些气体标志物浓度曲线反映了慢性疾病的发展趋势。在人工智能技术赋能传感器后，智能气体传感器不仅能检测气体、绘制曲线，还可以判断疾病发展程度，减轻医护人员压力，使疾病监测和健康管理成为可能。　　气体传感器在医疗领域已有不少应用案例。王镝及其团队研制的手持呼吸丙酮检测设备就是其中之一。其原理是利用气体传感器，检测人呼气中的丙酮含量，从而实现快速、无痛的I型糖尿病检测。相较传统的血液检查，呼气式检测的诊疗体验更佳。　　“当人体内胰岛素水平低时，无法将葡萄糖转化成能量，转而分解脂肪。作为脂肪分解后的副产品之一，丙酮会随呼吸排出体外。”王镝说，“我们研制的手持呼吸丙酮检测设备采用比色式技术路线，通过检测气敏材料的颜色变化，测量人呼气成分中的丙酮含量。”　　据悉，被试者只需向设备吹气，在气体通过检测单元时，丙酮敏感材料会特异性地与其中的丙酮发生反应，并改变颜色，引起传感器中的光信号变化，最终转化为电信号将丙酮含量数据输出。　　“我们正在研制‘日抛’贴片式丙酮传感器，这种传感器成本低，能够全天候自动测量皮肤挥发的丙酮气体。”王镝说，未来，在与人工智能技术结合后，贴片丙酮传感器可以辅助糖尿病的诊断、监测和用药指导。　　面对气体传感器及其应用的“星辰大海”，王镝说，其团队并未止步于研制单一气体传感器，而是瞄准与智能设备兼容的高集成阵列式嗅觉器件，目前已取得阶段性研究成果。“我们希望用小小的手机插件，同时辨别几十种气体，让食品安全信息唾手可得、环境监测数据尽在掌握、可穿戴设备更加‘聪明’，获取更全面、精确的健康数据和环境信息，为智慧生活装上机灵的‘电鼻子’。”

HPV 茎流量传感器/Sap Flow SensorHPV茎流量传感器是一款校准型、低成本的热脉冲液流传感器，输出校准液流量、热速、茎水含量、茎温等数据，功耗低，内置加热控制，同时改善了传统的加热方式，其原理采用双方法（DMA）热脉冲法，测量范围：-200~+1000cm/hr(热流速度)或-100~+2000cm3/cm2/hr (茎流通量密度)，可广泛用于于茎流量监测、植物茎流蒸发计算、植物茎流蒸腾量、植物灌溉等植物茎流是树木内部的“水”运动，而蒸腾是从叶片通过光合作用蒸发流出的水分。树液流量和蒸腾量之间有很强的关联性，通常理解是同一回事。但是，严格地说，它们是不同的，这体现在它们是如何被测量的。SAP流量以L/hr（或每天、每周等）为单位进行测量。蒸腾量以每小时、每天、每星期等毫米（mm）为单位测量。 蒸散量=蒸腾量+蒸发量 蒸腾量以毫米为测量单位，可与降雨量以毫米计作比较。随着时间的推移，降雨量（水输入）应与蒸腾量（输出）相匹配。如果蒸腾作用更高，通常是树木作物的蒸腾作用，那么这种差异必须通过灌溉来弥补。 蒸发量（evaporation），蒸发量是指在一定时段内，由土壤或水中的水分经蒸发而散布到空中的量。1mm(降雨量)=1㎡地面1kg水1mm(蒸腾量)=1㎡叶面积的1升树液流量（水） 例如：在果园和葡萄园等有管理的树木作物系统中，蒸发量与蒸腾量相比非常小。因此，为了简化测量，通常忽略蒸发量，将蒸腾量取为平均蒸散量（ETo）。 技术指标测量范围：-200~+1000cm/hr(热流速度)分辨率：0.001cm/hr准确度：±0.1cm/hr探针尺寸：φ1.3mm*L30mm温度位置：外10mm，内20mm针距：6mm探针材质：316不锈钢温度范围：-30~+70℃响应时间：200ms加热电阻：39Ω，400J/m电源：12V DC电流：空闲5mA, 测量茎流量传感器参考文献：1. Kim, H.K. Park, J. Hwang, I. Investigating water transport through the xylem network in vascular plants.J. Exp. Bot. 2014, 65, 1895–1904. [CrossRef] [PubMed]2. Steppe, K. Vandegehuchte, M.W. Tognetti, R. Mencuccini, M. Sap flow as a key trait in the understanding of plant hydraulic functioning. Tree Physiol. 2015, 35, 341–345. [CrossRef] [PubMed]3. Vandegehuchte, M.W. Steppe, K. Sap-flux density measurement methods: Working principles andapplicability. Funct. Plant Biol. 2013, 40, 213–223. [CrossRef]4. Marshall, D.C. Measurement of sap flow in conifers by heat transport. Plant Physiol. 1958 , 33, 385–396.[CrossRef] [PubMed]5. Cohen, Y. Fuchs, M. Green, G.C. Improvement of the heat pulse method for determining sap flow in trees. Plant Cell Environ. 1981, 4, 391–397.[CrossRef]6. Green, S.R. Clothier, B. Jardine, B. Theory and practical application of heat pulse to measure sap flow.Agron. J. 2003, 95, 1371–1379. [CrossRef]7. Burgess, S.S.O. Adams, M.A. Turner, N.C. Beverly, C.R. Ong, C.K. Khan, A.A.H. Bleby, T.M. An improved heat-pulse method to measure low and reverse rates of sap flow in woody plants. Tree Physiol. 2001 , 21, 589–598. [CrossRef]8. Forster, M.A. How reliable are heat pulse velocity methods for estimating tree transpiration? Forests 2017 , 8, 350. [CrossRef]9. Bleby, T.M. McElrone, A.J. Burgess, S.S.O. Limitations of the HRM: Great at low flow rates, but no yet up to speed? In Proceedings of the 7th International Workshop on Sap Flow: Book of Abstracts, Seville, Spain, 22–24 October 2008.10. Pearsall, K.R. Williams, L.E. Castorani, S. Bleby, T.M. McElrone, A.J. Evaluating the potential of a novel dual heat-pulse sensor to measure volumetric water use in grapevines under a range of flow conditions. Funct. Plant Biol. 2014, 41, 874–883. [CrossRef]11. Clearwater, M.J. Luo, Z. Mazzeo, M. Dichio, B. An external heat pulse method for measurement of sap flow through fruit pedicels, leaf petioles and other small-diameter stems. Plant Cell Environ. 2009 , 32, 1652–1663.[CrossRef]12. Green, S.R. Romero, R. Can we improve heat-pulse to measure low and reverse flows? Acta Hortic. 2012 , 951, 19–29. [CrossRef]13. Green, S. Clothier, B. Perie, E. A re-analysis of heat pulse theory across a wide range of sap flows. Acta Hortic. 2009, 846, 95–104. [CrossRef]14. Ferreira, M.I. Green, S. Concei??o, N. Fernández, J. Assessing hydraulic redistribution with thecompensated average gradient heat-pulse method on rain-fed olive trees. Plant Soil 2018 , 425, 21–41.[CrossRef]15. Romero, R. Muriel, J.L. Garcia, I. Green, S.R. Clothier, B.E. Improving heat-pulse methods to extend the measurement range including reverse flows. Acta Hortic. 2012, 951, 31–38. [CrossRef]16. Testi, L. Villalobos, F. New approach for measuring low sap velocities in trees. Agric. Meteorol. 2009 , 149, 730–734. [CrossRef]17. Vandegehuchte, M.W. Steppe, K. Sapflow+: A four-needle heat-pulse sap flow sensor enabling nonempirical sap flux density and water content measurements. New Phytol. 2012, 196, 306–317. [CrossRef] [PubMed]18. Kluitenberg, G.J. Ham, J.M. Improved theory for calculating sap flow with the heat pulse method.Agric. For. Meteorol. 2004, 126, 169–173. [CrossRef]19. Vandegehuchte, M.W. Steppe, K. Improving sap-flux density measurements by correctly determiningthermal diffusivity, differentiating between bound and unbound water. Tree Physiol. 2012 , 32, 930–942.[CrossRef]20. Looker, N. Martin, J. Jencso, K. Hu, J. Contribution of sapwood traits to uncertainty in conifer sap flow as estimated with the heat-ratio method. Agric. For. Meteorol. 2016, 223, 60–71. [CrossRef]21. Edwards, W.R.N. Warwick, N.W.M. Transpiration from a kiwifruit vine as estimated by the heat pulsetechnique and the Penman-Monteith equation. N. Z. J. Agric. Res. 1984, 27, 537–543. [CrossRef]22. Becker, P. Edwards, W.R.N. Corrected heat capacity of wood for sap flow calculations. Tree Physiol 1999 , 19, 767–768. [CrossRef]23. Hogg, E.H. Black, T.A. den Hartog, G. Neumann, H.H. Zimmermann, R. Hurdle, P.A. Blanken, P.D. Nesic, Z. Yang, P.C. Staebler, R.M. et al. A comparison of sap flow and eddy fluxes of water vapor from aboreal deciduous forest. J. Geophys. Res. 1997, 102, 28929–28937. [CrossRef]24. Barkas, W.W. Fibre saturation point of wood. Nature 1935, 135, 545. [CrossRef]25. Kollmann, F.F.P. Cote, W.A., Jr. Principles of Wood Science and Technology: Solid Wood Springer: Berlin Heidelberg, Germany, 1968.26. Swanson, R.H. Whitfield, D.W.A. A numerical analysis of heat pulse velocity and theory. J. Exp. Bot. 1981 ,32, 221–239. [CrossRef]27. Barrett, D.J. Hatton, T.J. Ash, J.E. Ball, M.C. Evaluation of the heat pulse velocity technique for measurement of sap flow in rainforest and eucalypt forest species of south-eastern Australia. Plant Cell Environ. 1995 , 18, 463–469. [CrossRef]28. Biosecurity Queensland. Environmental Weeds of Australia for Biosecurity Queensland Edition Queensland Government: Brisbane, Australia, 2016.29. Steppe,K. de Pauw, D.J.W. Doody, T.M. Teskey, R.O. A comparison of sap flux density using thermaldissipation, heat pulse velocity and heat field deformation methods. Agric. For. Meteorol. 2010 , 150, 1046–1056. [CrossRef]30. López-Bernal, A. Testi, L. Villalobos, F.J. A single-probe heat pulse method for estimating sap velocity in trees. New Phytol. 2017, 216, 321–329. [CrossRef] [PubMed]31. Forster, M.A. How significant is nocturnal sap flow? Tree Physiol. 2014, 34, 757–765. [CrossRef] [PubMed]32. Cohen, Y. Fuchs, M. Falkenflug, V. Moreshet, S. Calibrated heat pulse method for determining water uptake in cotton. Agron. J. 1988, 80, 398–402. [CrossRef]33. Cohen, Y. Takeuchi, S. Nozaka, J. Yano, T. Accuracy of sap flow measurement using heat balance and heat pulse methods. Agron. J. 1993, 85, 1080–1086. [CrossRef]34. Lassoie, J.P. Scott, D.R.M. Fritschen, L.J. Transpiration studies in Douglas-fir using the heat pulse technique. For. Sci. 1977, 23, 377–390.35. Wang, S. Fan, J. Wang, Q. Determining evapotranspiration of a Chinese Willow stand with three-needleheat-pulse probes. Soil Sci. Soc. Am. J. 2015, 79, 1545–1555. [CrossRef]36. Bleby, T.M. Burgess, S.S.O. Adams, M.A. A validation, comparison and error analysis of two heat-pulse methods for measuring sap flow in Eucalyptus marginata saplings. Funct. Plant Biol. 2004 , 31, 645–658.[CrossRef]37. Madurapperuma, W.S. Bleby, T.M. Burgess, S.S.O. Evaluation of sap flow methods to determine water use by cultivated palms. Environ. Exp. Bot. 2009, 66, 372–380. [CrossRef]38. Green, S.R. Measurement and modelling the transpiration of fruit trees and grapevines for irrigationscheduling. Acta Hortic. 2008, 792, 321–332. [CrossRef]39. Intrigliolo, D.S. Lakso, A.N. Piccioni, R.M. Grapevine cv. ‘Riesling’ water use in the northeastern UnitedStates. Irrig.Sci. 2009, 27, 253–262. [CrossRef]40. Eliades, M. Bruggeman, A. Djuma, H. Lubczynski, M. Tree water dynamics in a semi-arid, Pinus brutiaforest. Water 2018, 10, 1039. [CrossRef]

最近，浙江大学生物系统工程与食品科学学院IBE团队刘湘江、应义斌，信息与电子工程学院汪小知和农业与生物技术学院胡仲远，为植物联合发明一款穿戴式“电子皮肤”。时至今日，通过穿戴电子设备监测心率、脉搏等，已经成为健康管理的重要一环。　　这种植物可穿戴茎流传感器，通过将柔性穿戴电子技术应用到植物体表，成功在自然生长状态下，首次持续监测草本植物体内水分的动态传输和分配过程。同时，科研人员还发现植物果实生长与光合作用不同步的现象，这不仅改变人们长期以来对植物生长发育过程的基本认识，更将为作物高产育种及栽培技术研发提供新的思路。　　这项研究，近日刊发在《先进科学》上。　　柔性传感器实现植物生理监测　　众所周知，血液是维持人体生命活动的重要物质，通过血液循环能够把人体所需要的各种营养物质，运输到各个组织和器官。　　植物也有类似也“血液”的物质，被称为茎流，是植物在蒸腾作用、渗透势等内外部压力下茎秆中产生的上升液流。茎流也是植物水分、养分、信号分子运输的载体。因此，实现对茎流的长期实时监测就能够探究植物生长过程水养分分配、信号传导以及植物对环境的响应机制等奥秘。　　然而，现有的茎流检测方法多为大型侵入式探测器，在测量时会对植物造成物理伤害，而且仪器体积大限制了它们在草本植物上的应用。很长一段时间内，科学界没有一种方法可以在自然生长状态下长期监测植物茎流。　　为了解决这一难题，来自浙江大学的智能生物产业装备创新团队(IBE)、智能传感与微纳集成团队、蔬菜种质创新与分子设计育种团队开展了跨学科交叉研究，针对植物茎秆特殊的生理特性，利用芯片级的微纳加工工艺，制备了一种植物可穿戴式茎流传感器。　　这款传感器薄如蚕翼，厚度仅0.01毫米，重0.24克，如同“纹身”一样，能贴附在植物茎秆表面进行茎流监测。　　另一个工程难题是避免传感器对植物生理产生影响。研究团队通过特殊设计，使得植物正常生长发育所需的阳光、氧气、水和二氧化碳能够自由通过传感器，实现了传感器与植物的长期“和平共处”，最终实现在自然生长状态下长期观察茎流的目的。　　“这项工作为今后研制植物可穿戴传感器提供新的研究范式。”汪小知介绍，未来如何针对特定植物表面结构和生理特性，设计制备可穿戴传感器，如何评估传感器对植物生长和生理的影响，都可以从他们的研究中找到技术路径。　　发现西瓜生长竟在夜晚生长　　工欲善其事必先利其器，有了这么好的检测“传感器”，科研团队开展了一系列丰富的研究。　　浙大科研人员在西瓜茎干上几个关键位点部署了茎流传感器，长期无损的观察了水分在西瓜叶片、果实、茎秆等不同器官上的动态分配情况。通过对茎流数据的分析，研究团队首次发现了西瓜果实生长与光合作用不同步的现象。　　西瓜果实绝大部份是水(95%左右)，然而径流传感器测量发现：在白天只有极少部分水被运输入果实用于生长(5%)，绝大部份水被叶片蒸腾作用消耗掉 但是到了夜间，几乎所有的水分都被运输到果实，绝对茎流量相对日间增加了10倍。　　“白天积累的光合产物导致的渗透势差应该是夜晚径流激增的主要原因。同时，夜晚没有蒸腾作用消耗水分，促使大量径流输入到西瓜果实，从而实现了果实的重量增加与体积膨大” 胡仲远表示，这一发现也间接证明西瓜果实生长主要在夜间。　　这一发现改写了对于植物果实生长的传统认识。教科书中一般认为，植物生物量积累主要靠光合作用，而夜间以消耗生物量的呼吸作用为主。　　这个反常识性的发现不仅具有重要的科学价值，同时具有良好的应用前景。浙大科研团队表示，水是珍贵的农业资源，基于茎流对西瓜等耐旱作物体内水分运输和抗旱机理的解析，将为全球干旱地区的农业生产、节水灌溉、抗旱作物选育提供了新理论依据和技术支持。　　该研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省重点研发计划的支持。