电活性可生物降解微针用于微创实时原位植物生理监测与工业NH3传感

《Collagen and Leather》：Electroactive biodegradable microneedles for minimally invasive real-time, in-situ plant physiological monitoring and industrial NH3 sensing

　　

摘要
实时、原位监测植物生理参数及工业有毒气体排放对推进精准农业和保障环境安全至关重要。本研究开发了一种电活性可生物降解微针（PPG-MN）传感器，可实现组织间隙葡萄糖、环境温度、湿度及环境氨（NH₃）气体泄漏的微创监测。传感器基质由聚乙烯醇（PVA）网络与导电聚苯胺（PANI）互穿，并掺杂植酸（PA）构建，同时固定葡萄糖氧化酶（GOx）以确保特异性。所得微针阵列具备足够的机械强度以穿透植物表皮，并通过水凝胶溶胀建立稳定的电极–组织界面。该传感器表现出优异的环境友好性，病原体抑制率超过97%，并在35天内于土壤中完全生物降解。通过将酶促传感与温湿度补偿机制（有效范围为25–50 °C和25%–50%相对湿度（RH））相结合，PPG-MN实现了快速响应时间（<30 s）和宽线性检测范围（1–100 mM）。此外，对绿萝（*Epipremnum aureum*）叶片进行长达14小时的连续原位监测，成功追踪了由光合作用和呼吸作用驱动的动态葡萄糖波动。进一步地，利用PA掺杂PANI网络的可逆掺杂/去掺杂机制，水凝胶基底可作为高灵敏度化学电阻式气体传感器。PPG-MN对NH₃在10至500 ppm的宽浓度范围内表现出强线性响应（R2 = 0.986），有效覆盖了皮革脱灰过程中常见的有毒排放水平。上述结果表明，PPG-MN传感器在农业物联网（IoT）系统及皮革加工等行业危险气体预警方面具有广阔的应用前景，是一种生态友好型工具。

论文解读：电活性可生物降解微针传感器用于植物生理监测与工业氨气 sensing 的研究

研究背景与问题提出
在全球气候变化与人口持续增长的双重压力下，发展智慧农业技术已成为保障粮食安全的战略需求。联合国粮食及农业组织（FAO）指出，到2050年全球粮食产量需增加60%才能满足日益增长的需求，而当前农业集约化已导致34%±5%的耕地出现有机质 depletion。植物在生长过程中常遭受干旱、高温、低温、盐碱、洪涝和光照强度变化等非生物胁迫，严重抑制作物生长发育。实时原位监测植物生理参数作为精准农业的核心技术支柱，其突破预计可直接提升水肥利用效率15%–30%。葡萄糖是植物体内分布最广的单糖之一，植物组织液中的生理浓度通常约为1–50 mM，且随物种和昼夜节律变化。现有植物葡萄糖监测方法主要包括比色法、拉曼光谱法和荧光法，但这些方法均存在抗干扰能力弱、灵敏度受限或需破坏性预处理等问题。电化学技术因具有高灵敏度、操作简便和响应快速等优势，在葡萄糖检测中显示出显著潜力，但针对植物原位葡萄糖监测的研究仍较少。同时，微针技术因其微创、高空间分辨率和快速响应特性，在生物医学领域已取得广泛应用，为植物生理监测提供了新途径。然而，专门用于植物原位葡萄糖检测的电化学微针系统仍较有限，将可生物降解电活性水凝胶微针与酶传感单元进行一体化集成的研究尚需深入。另一方面，在皮革制造等工业场景中，传统脱灰工艺依赖铵盐，会释放大量有毒氨气（NH₃），对工人健康构成严重威胁，亟需可靠的气体泄漏预警系统。聚苯胺（PANI）凭借其对氨气的优异化学电阻响应被广泛认可，但此前研究多集中于单一应用场景。因此，本研究旨在开发一种集成电活性、可生物降解、双功能传感平台，同时满足植物微创葡萄糖监测与工业NH₃泄漏预警的需求。

研究内容概述
研究人员构建了一种由聚乙烯醇（PVA）、聚苯胺（PANI）和植酸（PA）组成的可生物降解导电水凝胶微针（PPG-MN）传感器。该传感器将葡萄糖氧化酶（GOx）电极与温湿度补偿机制耦合，实现了对植物叶片组织间隙葡萄糖长达14小时以上的微创原位电化学监测。同时，水凝胶基质可作为环境贴片，用于高灵敏检测NH₃泄漏。整个系统可在约35天内于土壤中完全生物降解。这项研究发表在《Collagen and Leather》期刊上。

主要关键技术方法
研究人员采用了循环冻融交联法制备PVA三维网络，以PA为掺杂剂和交联剂，过硫酸铵（APS）为引发剂，在低温条件下使苯胺聚合形成PANI导电网络，并在前驱体溶液中加入GOx，注入聚二甲基硅氧烷（PDMS）微针负模具中经离心、冻融循环后脱模制得PPG-MN。使用扫描电子显微镜（SEM）、超景深显微镜、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）和水接触角测量对材料进行表征。力学性能通过万能试验机压缩测试评估，溶胀性能通过浸入PBS溶液称量测定，抗菌性能采用平板计数法对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行评价，电学性能采用四探针法及电化学工作站进行循环伏安法和计时电流法测试，土壤降解实验将微针埋入种植向日葵的土壤中定期拍照记录。植物实验采用成熟（>180天）绿萝（*Epipremnum aureum*），微针阵列插入叶片后连接电化学工作站进行原位测量。

研究结果
（1）微针的制备与表征
通过循环冻融交联构建PVA三维网络，PA作为掺杂剂提供酸性微环境并维持PANI的高导电性。XRD、FT-IR和拉曼光谱证实了PANI的成功聚合和GOx的固定。SEM显示PPG-MN表面粗糙多孔，超景深显微镜显示针尖长度1000 μm、针间距1000 μm、基底直径390 μm，具备良好的穿透能力和机械稳定性。苯胺含量从0%增至25%时，电导率从0.01 S/m提升至0.35 S/m。

（2）穿刺性能与体外抗菌活性
压缩测试显示PPG-MN每根针可承受0.8 N载荷而不断裂，参照含水可可叶片约0.8 N的穿刺力，微针阵列足以穿透植物叶片或茎。插入叶片后针尖保持完整，仅有轻微弯曲。抗菌实验表明，PPG-MN对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的存活率分别仅为2.83%和0.76%，抑菌率超过97%，这归因于PA螯合二价金属离子和释放H?形成局部酸性环境的作用。溶胀率测试显示PPG-MN达94.7%，高于PVA的53.8%；水接触角PPG-MN为50.7°，低于PVA的69.5°，表明其具有更好的亲液性和组织液吸收能力。叶片插入后传感器灵敏度保留约95.4%。

（3）传感性能
PPG-MN对温度（25–50 °C）和湿度（25%–50% RH）表现出良好的电阻响应：温度升高导致电阻下降，湿度升高也导致电阻下降。葡萄糖传感通过CV和计时电流法评估，PPG-MN在含葡萄糖的PBS溶液中出现明显氧化峰，而PVA-PANI无此峰，证实GOx的催化作用。传感器对葡萄糖的线性响应关系为y = 0.0218x + 3.8128，检测范围10–100 mM，响应时间<30 s。通过构建温度校正方程可消除温度对酶活的影响。选择性测试显示对乳酸、尿酸、抗坏血酸、多巴胺、果糖等干扰物无显著交叉响应。对于NH₃气体，PPG-MN在10、200、300、500 ppm浓度下分别产生约6%、19%、28%、37%的响应，且表现出良好可逆性，线性回归方程为y = 0.064x + 6.125，R2 = 0.98644，覆盖皮革脱灰工艺产生的典型有毒排放水平。

（4）植物原位监测
将PPG-MN插入绿萝叶片进行原位监测。标准加入回收实验显示回收率在98.5%–103.0%，相对标准偏差（RSD）低于3.5%，表明复杂植物基质不显著干扰传感器响应。在4天黑暗处理后，叶片葡萄糖降至初始水平的14.3%。在不同光质条件下，蓝光促进葡萄糖短期积累，红光促进淀粉合成为长期能量储存。高温（40 °C）抑制光合作用并加速呼吸作用导致葡萄糖下降；低温（10 °C）抑制呼吸作用导致净葡萄糖积累增加。连续14小时监测显示，上午8时葡萄糖较低，8–12时因光合作用积累上升，12–14时出现“光合午休”现象（气孔关闭导致葡萄糖短暂下降），15时左右达到峰值，之后随光合作用减弱逐渐下降，葡萄糖波动范围约为10–80 mM。土壤降解实验表明，35天后微针完全降解，不影响土壤健康和植物生长。

总结与结论
研究人员开发的PPG-MN传感器兼具植物生理监测和工业气体预警功能。其创新点在于将可生物降解导电水凝胶微针与酶传感单元一体化集成，既能微创穿透植物表皮建立稳定界面，又能通过PANI的可逆掺杂/去掺杂机制实现NH₃化学电阻检测。整个系统在35天内完全降解，抑菌率超过97%，体现出优异的环境友好性和生物安全性。研究结论指出，该传感器在农业物联网和皮革加工等工业危险气体预警方面具有广阔应用前景。当前工作的局限在于运行稳定性仅约14小时，限制了对多日表型的持续监测。未来工作将开发集成式微针三电极贴片、增强酶稳定性以延长使用寿命，并进一步优化平台以适应更多植物物种，集成无线物联网模块以推进连续工业气体泄漏监测系统的发展。