基于微针电极的植物激素实时监测传感器研究进展

作者及机构
本研究的通讯作者为Abdullah H. Bukhamsin（第一作者）和Khaled N. Salama，团队来自沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的生物与环境科学与工程学部（BESE）及电气与计算机工程学部。合作机构包括奥地利硅谷实验室（Silicon Austria Labs）。研究成果于2025年4月18日发表在*Science Advances*期刊（卷11，文章号eads8733）。

学术背景

研究领域
该研究属于植物科学（Plant Sciences）与生物传感器（Biosensor）的交叉领域，聚焦于植物激素（phytohormones）的实时监测技术。

研究动机
植物激素如生长素（auxin，IAA）和水杨酸（salicylic acid，SA）是调控植物生长发育和环境响应的关键分子。传统检测方法（如液相色谱-质谱联用技术）存在破坏性采样、单时间点测量、成本高昂等局限。此外，现有生物传感器多依赖转基因技术，仅适用于模式植物。因此，开发一种非破坏性、连续监测、物种普适的传感器对理解植物激素信号通路（signaling pathways）和早期胁迫诊断至关重要。

科学问题
1. 如何实现IAA和SA的原位同步检测？
2. 如何解决电极钝化（electrode passivation）导致的信号衰减？
3. 如何验证传感器在真实植物胁迫响应中的动态监测能力？

研究方法与流程

1. 传感器设计与制备

核心创新：
- 磁性微针电极（Magnetized microneedles）：通过激光光刻（dip-in laser lithography）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）模铸技术制备金字塔形微针（高度500 μm，基底宽度300 μm），针尖镀铂并涂覆Fe₃O₄插层的多壁碳纳米管（MWCNTs）。
- 超顺磁性材料（Superparamagnetic Fe₃O₄）：通过共沉淀法（coprecipitation）将Fe₃O₄纳米颗粒（平均粒径38.8 nm）嵌入MWCNTs，利用π-π堆叠（π-π stacking）增强IAA/SA吸附能力（图2a）。
- 三电极系统：工作电极（微针）、铂对电极和Ag/AgCl参比电极以叶片夹心构型布置（图1a）。

2. 电化学性能表征

关键实验：
- 方波伏安法（Square wave voltammetry）：在PBS缓冲液中确定IAA和SA的氧化峰电位（分别为+0.5 V和+1.1 V），检测限（LOD）达1.41 μM（IAA）和1.15 μM（SA）（图3a-d）。
- 多脉冲安培检测（Multipulsed amperometric detection, MPAD）：采用周期性清洁电位（-0.5 V，150 ms）将传感器寿命延长至624次循环（图4c-d），较传统方法提升3倍。
- 选择性验证：测试抗坏血酸、茉莉酸等干扰物，确认传感器仅在特定电位响应IAA/SA（图4a-b）。

3. 活体实验验证

模型植物：
- 烟草（*Nicotiana benthamiana*）和拟南芥（*Arabidopsis thaliana*），每组样本量n=8。

实验流程：
1. 机械胁迫（Thigmomorphogenesis）：以0.04 N力周期性触碰叶片，发现IAA水平在20分钟后下降50%，且与触摸频率负相关（图7b）。
2. 病原体感染：
- 接种Pseudomonas syringae DC3000（细菌）后1小时，IAA和SA分别上升2.3倍和3.1倍（图8b）。
- 接种Botrytis cinerea（真菌）后，SA呈现昼夜振荡（diurnal oscillation），但IAA响应较弱（图8a）。
3. 光周期调控：短日照条件下，幼叶中IAA在光照期上升，SA在暗期积累；连续光照导致IAA下降而SA升高（图6a-d）。

数据验证：通过超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）对比，传感器与标准方法的相关系数r²≥0.7（图5b-e）。

主要结果与结论

1. 技术性能突破

• 灵敏度与稳定性：Fe₃O₄@MWCNTs涂层将电极活性表面积扩大4.2倍，阻抗降低68%（图S5-S6）。
  
• 原位监测能力：微针穿透叶片角质层（cuticle）的力仅需0.6-0.98 N/针（图5a），且不会引发长期叶绿素损失（图S14）。
  

2. 科学发现

• 激素拮抗作用：光照与病原体胁迫下，IAA与SA呈现动态拮抗（antagonistic interplay），证实其在生长-防御权衡（growth-defense trade-off）中的核心作用。
  
• 病原体特异性响应：细菌感染通过抑制昼夜节律（circadian rhythm）维持高IAA水平，而真菌感染保留SA的昼夜波动（图8）。
  

3. 应用价值

• 精准农业：通过实时监测激素变化，可早期诊断病害或环境胁迫（如干旱、重金属）。
  
• 植物表型组学：为非转基因植物的激素信号研究提供工具。
  

研究亮点

1. 首创微针电极：首次将磁性MWCNTs与微针结合，实现植物组织的微创（minimally invasive）长期监测。
   
2. 抗钝化设计：MPAD协议通过周期性阴极腐蚀（cathodic corrosion）解决碳基电极的钝化难题（图S8）。
   
3. 跨物种普适性：在烟草和拟南芥中均验证有效性，克服传统转基因传感器的物种限制。
   

未来展望

作者指出，未来可通过优化电极材料（如多孔石墨）进一步提升灵敏度，并拓展至根系激素监测。该技术为植物激素动力学研究开辟了新范式。