一种基于Cu/ZIF-8的柔性传感器，用于实时监测环境压力下植物中的原儿茶酸含量

《Talanta》：A Cu/ZIF-8-based flexible sensor for real-time monitoring of protocatechuic acid in plants under environmental stress

　　

摘要

了解植物在环境压力下内源代谢物的动态调节机制，对于阐明植物的适应机制及提升作物抗逆性至关重要。然而，传统的分析方法往往具有破坏性、耗时且无法实现实时监测，这限制了对植物体内生化动态过程的研究。尤其是对原儿茶酸这类小分子调控因子的原位无创检测仍面临较大挑战。在此，我们报道了一种基于Cu/ZIF-8改性柔性印刷电极的可穿戴电化学传感平台，可用于实时原位监测植物叶片中的原儿茶酸含量。将铜元素引入ZIF-8结构中，不仅能提升材料的导电性和电催化活性，还能保持其多孔结构，从而实现原儿茶酸的敏感检测。通过结合反向离子电渗技术，该平台可实现从活体植物组织中无创提取并持续监测原儿茶酸。研究系统分析了绿茶植株在光照不足和干旱胁迫下的原儿茶酸动态变化，结果发现其在不同胁迫条件下均会出现明显的浓度下降趋势，凸显了其在植物应激适应和代谢调控中的关键作用。这项工作为实时追踪植物内源代谢物提供了一种通用策略，也为理解植物在环境压力下的生理响应带来了新见解。所开发的平台在植物科学、精准农业以及培育耐逆作物方面具有广阔应用前景。

引言

多酚是源自植物的代谢物，在植物的生长、发育及环境适应过程中发挥着重要作用[1]。其中，酚酸类物质以及吲哚-3-乙酸、水杨酸、脱落酸等传统植物激素共同构成了一个复杂的调控网络，负责调控植物的生理过程及应激反应[2]、[3]。原儿茶酸作为一种典型的多酚类化合物，因其在植物体内的重要生物学功能而受到越来越多的关注。作为内源信号分子及应激反应的关键介质，原儿茶酸参与调控植物的生长、免疫防御以及叶片生理平衡[4]、[5]。在常见植物中，原儿茶酸的浓度范围为0.1至100微克/克。在低浓度状态下，它可促进种子萌发、根系伸长及幼苗生长；而在高浓度时，则会通过干扰激素信号通路和细胞分裂发挥化感抑制作用。值得注意的是，在干旱、盐碱及重金属暴露等非生物胁迫条件下，植物体内原儿茶酸的积累会显著增加，它可通过螯合金属离子、调节渗透压及保护细胞膜等方式帮助植物抵御胁迫。尽管原儿茶酸是植物应激适应过程中的关键信号分子，但其在活体植物中的动态变化机制至今仍不完全清楚[6]、[7]、[8]。

过去，人们通常采用气相色谱、液相色谱、质谱分析以及这些方法的组合等标准表征技术，对植物内源代谢物进行离体或离位分析，以此量化植物代谢物的含量[9]、[10]、[11]。但这些方法往往需要破坏性取样、复杂的样品前处理流程、高端的仪器设备以及繁琐的操作步骤，严重限制了其在实时监测中的应用。电化学分析则具有响应速度快、选择性高且成本较低等优点，因此在众多领域得到了广泛应用[12]、[13]，在植物代谢物分析中也展现出巨大潜力。由于植物代谢反应具有高度动态性和空间异质性，因此亟需能够持续追踪活体组织中内源代谢物的无创传感技术[14]。不过，用于活体植物分析的电化学平台的开发仍然面临诸多挑战[15]、[16]、[17]。

近年来，可穿戴技术的快速发展为植物生理过程的原位实时监测提供了新的途径[18]、[19]。可穿戴电化学传感器在植物健康评估和环境监测领域得到了广泛研究，其灵活性、便携性以及连续信号采集能力等优势使其具有独特价值[20]、[21]、[22]。在开发用于检测植物内源代谢物和信号分子的功能性电化学界面方面也取得了显著进展[23]、[24]。例如，吴等人开发了一种基于BSA/Anti-GABA/PDA/Fc-Gr-MWCNT/Au改性丝网印刷碳电极的电化学传感器，可用于原位检测植物叶片中的γ-氨基丁酸[25]。佩尔多莫等人则将葡萄糖选择性传感器与反向离子电渗系统相结合，实现了对植物体内葡萄糖的快速无损提取及定量分析[26]。尽管已有这些进展，但目前的研究主要针对的生长素、脱落酸、葡萄糖及活性氧等少数几种植物激素和代谢物。据我们所知，目前尚无可穿戴电化学平台用于对活体植物组织中的原儿茶酸进行无创实时监测。此外，原儿茶酸是通过质子耦合的电子转移过程发生电化学氧化的，这就要求传感界面具备高效的电荷传输能力、丰富的催化活性位点，以及足够的灵活性以便与连续的代谢物提取系统相结合。因此，开发出高导电性且具有强催化活性的柔性传感界面，对于在原位植物监测条件下实现原儿茶酸的敏感可靠电化学检测至关重要。金属有机框架，尤其是ZIF-8，由于其超高的比表面积、可调控的孔结构以及出色的分子吸附能力，受到了广泛关注[27]、[28]。不过，它们本身较低的导电性限制了其在电化学传感领域的直接应用。将过渡金属元素（如文献[29]中提到的铜）引入ZIF-8结构中，已成为一种有效策略，可用于调控其电子结构并引入催化活性位点[30]。正是这些特性，使得Cu/ZIF-8成为构建能够实现活体植物中原儿茶酸敏感无创监测的可穿戴传感器的理想电化学界面[31]。

在此，我们报道了一种基于Cu/ZIF-8改性柔性印刷电极的可穿戴平台，该平台可用于对植物叶片中的原儿茶酸进行原位无创监测。Cu/ZIF-8纳米结构不仅提升了材料的电催化活性，还保持了其多孔结构，便于分子进入检测区域[32]。该可穿戴平台采用了反向离子电渗技术，无需破坏生物组织即可高效提取叶片汁液样本。结合反向离子电渗技术后，该平台能够在活体条件下实现对原儿茶酸的电化学检测。基于该系统，我们系统研究了绿茶植株在光照不足和干旱胁迫下的原儿茶酸动态变化，发现了明显的胁迫依赖性响应模式。这项工作不仅为实时监测植物代谢物提供了有力工具，也为深入理解植物应激生理机制带来了新见解，有望在精准农业和作物胁迫管理领域得到应用。

章节节选

化学试剂

相关化学试剂的具体信息详见补充材料。

Cu/ZIF-8的合成

Cu/ZIF-8是通过基于先前报道方法的改良湿化学法合成的[31]。具体而言，将0.5毫摩尔的Zn(NO?)?·6H?O和0.5毫摩尔的Cu(NO?)?·3H?O溶解在10毫升甲醇中，并在持续搅拌条件下形成均匀的金属前驱体溶液。为了在保持ZIF-8晶体结构的同时最大化催化活性铜位点的负载量，Cu与Zn的摩尔比被设定为1:1。另外，

Cu/ZIF-8的形态学表征

双金属Cu/ZIF-8纳米结构是通过简单的一锅法溶液反应制备的，在此反应中，ZIF-8结构中的金属节点会以特定的摩尔比被Cu2?阳离子部分取代。在合成过程中，由于Zn2?离子可通过其4s和4p轨道与其它原子形成配位键，因此Cu/ZIF-8中锌离子和铜离子的分布较为均匀。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示，该材料的结构呈菱形分布

结论

综上所述，我们开发了一种基于Cu/ZIF-8复合材料的柔性可穿戴传感平台，可用于对完整植物叶片中的原儿茶酸进行原位监测。将铜元素引入ZIF-8结构中，不仅保持了金属有机框架的结构完整性，还提升了其导电性和电催化活性，进而增强了其对原儿茶酸的电化学响应能力。通过将Cu/ZIF-8纳米材料与柔性印刷电极相结合

作者贡献说明

郭正：文章撰写与修改、研究指导、资金申请、概念设计。范宇奇：数据正式分析、数据整理。黄行久：文章撰写与修改。刘忠刚：文章撰写与修改、研究指导、资金申请、概念设计。赵从义：文章撰写与修改、实验方法设计、数据整理。刘胜岩：文章撰写与修改、初稿撰写、实验方法设计、数据整理

数据可用性

相关数据可在提出请求后提供。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

我们衷心感谢以下机构的资金支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2021YFB3201400、2021YFB3201401、2020YFC1908602），国家自然科学基金委员会（项目编号：21904001、61774159），以及安徽省自然科学基金（项目编号：2008085QF288）。

刘胜岩|赵从义|范宇奇|刘忠刚|郭正|黄行久

中国安徽省合肥市安徽大学物理科学与信息技术学院光电子信息获取与保护技术国家重点实验室，邮编：230601