基于碳质材料/PVDF改性的全固态微针电位传感阵列用于盐胁迫小麦的活体多重离子选择性监测

《Microchemical Journal》：A carbonaceous-material/PVDF-modified all-solid-state microneedle potentiometric array for multiplexed in vivo ion-selective monitoring in salt-stressed wheat

　　

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  开发了一种四通道固态微针阵列，用于同步多离子检测。
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  碳质材料/PVDF提高了界面电位稳定性。
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  PU/PEG涂层增强了膜粘附性和机械鲁棒性。
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  该阵列实现了在盐胁迫下多离子动态的体内同步追踪。

引言

土壤盐渍化是全球农业生态系统中主要的非生物胁迫之一，对作物产量和粮食安全构成严峻挑战[1]。在盐胁迫条件下，过量的Na⁺积累会干扰K⁺的吸收和离子稳态，而Ca²⁺相关的信号传导和H⁺-ATPase介导的质子转运则重塑了膜电化学状态[2], [3]。因此，植物对盐分的适应依赖于协同且动态的多离子调节，而非孤立的单一离子特异性响应。在体内解析这些耦合的离子动力学对于理解植物胁迫生理学具有重要意义，但在活的植物组织中稳定地同时追踪多种离子仍然面临技术挑战。

电化学传感为应对这一需求提供了一条有前景的途径，但当前的方法仍难以在植物系统中解析时空相关的多离子响应。表1总结了代表性的植物离子监测技术及其在体内或原位胁迫检测中的适用性。总体而言，这些研究表明，现有方法通常需要在体内兼容性、监测持续时间、多路复用能力和运行稳定性之间进行权衡。除表1中总结的代表性实例外，传统的液态接触电极难以实现长期、连续、同步的多点测量[4]。光学和荧光探针虽然能够实现体内监测，但往往受到组织自身荧光、光散射以及生物组织中固有的定量限制的影响[5], [6]。微流控平台虽然能够提供高分辨率追踪，但系统集成的复杂性限制了其现场部署能力[7]。此外，尽管光谱和元素成像方法能够在植物组织中空间分辨多种元素，但许多方法需要离体或特殊制备的样品，因此不太适合对瞬时离子响应进行连续的体内追踪[8]。近年来，全固态离子选择性电极（ISE）和集成电位测量平台的进展推动了一系列紧凑型便携式离子传感系统的开发。例如，炭黑改性的热塑性电极已被开发用于全固态K⁺选择性检测，展示了基于碳的电极结构在微型化电位测量中的应用潜力[9]。智能手机耦合的丝网印刷离子选择性电极已实现食品和饮料样品中Fe³⁺和K⁺的同步测量[10]，而将电位型ISE与基于距离的纸基微流控读出相结合的混合平台已能够实现生物流体样品中K⁺/Cl^?和K⁺/Na⁺/Cl^?的分析[11], [12]。这些进展共同拓展了紧凑型电位测量的应用范围，并将集成固态传感系统应用于植物分析提供了技术基础。

在这些进展的基础上，面向植物的丝网印刷离子选择性电极（SC-ISE）越来越多地与微针结构相结合，用于体内电位监测。这些器件能够以有限的组织损伤穿透植物表皮组织，并直接探测局部离子环境[20]。这种构型非常适合实时体内监测，但对多路复用能力、电化学稳定性、膜粘附性和机械完整性提出了严格要求。首先，尽管近年来的进展已实现多离子体内检测，但大多数报道的系统仍然局限于单离子或双离子检测[21], [22]，部分原因是引入多个离子选择性界面会增加制造和信号采集的复杂性。其次，维持界面电位稳定性仍然是一个问题，因为SC-ISE可能会出现与离子选择性膜/固态接触（ISM/SC）界面处水层形成相关的电位漂移。在植物组织应用中，来自复杂汁液环境中生物大分子和其他基质组分的非特异性吸附可能会进一步加剧电位漂移[23]。第三，在组织穿刺过程中维持膜粘附性和机械完整性仍然具有挑战性，因为界面摩擦和穿刺引起的应力可能会损坏、变形或导致传感膜剥离，从而影响测量可靠性[24]。综上所述，这些局限性使得在活的植物组织内部直接可靠地监测协同多离子响应仍然面临挑战。

为应对这些挑战，我们开发了一种四通道全固态微针电位测量阵列，用于对小麦茎秆中Na⁺、K⁺、H⁺和Ca²⁺选择性电动力响应进行实时体内监测。在每一支传感电极中，石墨烯/聚吡咯/Fe(CN)₆作为固态接触层，碳质材料/PVDF作为分散改性剂掺入离子选择性膜中，PU/PEG形成外层保护涂层。通过互补的电化学、水层、表面暴露和机械评估考察了膜改性及保护涂层的效果，随后在小麦茎提取物和混合离子环境中进行分析验证。随后，利用该集成阵列表征了盐胁迫下不同小麦品种幼苗的多离子EMF动力学差异。

章节摘要

材料与试剂

使用钠离子载体X（4-叔丁基杯[4]芳烃四乙酸四乙酯，94.7%）、钾离子载体（缬氨霉素，≥95%）、N,N,N′,N′-四环己基-3-氧杂戊烷二酰胺（ETH 129，≥98%）和三十二烷基胺（TDDA，≥95%）分别作为Na⁺、K⁺、Ca²⁺和H⁺离子选择性膜的离子载体。聚氯乙烯（PVC，K值60–62）、2-乙基己酸癸二酯（DOS，≥97%）、四苯基硼酸钾（KTPB，≥98%）、四(五氟苯基)硼酸钾（KTFPB，≥97%）以及

碳质材料/PVDF改性离子选择性膜的结构表征与负载依赖性性能

在将柠檬酸衍生碳质材料掺入离子选择性膜之前，通过TEM、HRTEM和拉曼光谱对其形貌和碳结构进行了表征。分离所得材料的TEM图像显示了互连的纳米级聚集体（图S1A）。HRTEM揭示了晶格条纹，d间距分布集中在0.248 nm（图S1B, D），与局部有序石墨质sp²碳畴的存在一致。拉曼光谱呈现了D

结论

在本研究中，我们开发了一种四通道全固态离子选择性微针阵列，用于在盐胁迫下对小麦幼苗茎秆中Na⁺、K⁺、H⁺和Ca²⁺选择性EMF响应进行体内追踪。石墨烯/聚吡咯/Fe(CN)₆层作为固态接触层，碳质材料/PVDF复合材料以各自优化的负载量分散于四种离子选择性膜配方中。复合材料的引入在电位测量中产生了依赖于离子类型的变化

CRediT作者贡献声明

王卓：审阅与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。陈畅：审阅与编辑。张流登：审阅与编辑。王志豪：审阅与编辑。林育宾：审阅与编辑。范立峰：审阅与编辑、监督指导、经费获取、数据整理、概念构思。王忠义：审阅与编辑、监督指导、经费获取、数据整理、概念构思。王晓东：

资金支持

本研究获得国家重点研发计划（2022YFD2002300）的资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

王卓|陈畅|张流登|王志豪|林育宾|范立峰|王忠义|王晓东|罗斌|李爱雪|黄兰