清华大学深圳国际研究生院：研究用于精准农业的微创、实时、无损、物种无关的植物激素生物传感器

研究背景

为跟上人口增长的步伐，必须实施精准农业技术，以可持续地增加农业产出。这些技术的影响可以通过监测植物激素，如水杨酸。

 

创新之处

提出了一种植物可穿戴的电化学传感器，用于原位检测水杨酸。该传感器使用基于微针的电极，该电极由一层水杨酸选择性磁性分子印迹聚合物功能化。该传感器对植物激素的检测能力在体外和体内均得到验证，检测限为2.74 μM，检测范围可达150 μM。此外，通过对常见植物激素的检测，验证了传感器的选择性。最后，我们展示了该传感器能够在接种后5分钟检测到烟草中真菌侵染的开始。这项工作表明，该传感器可以作为现场连续无损监测的一个有前途的平台，并与便携式恒电位仪相结合，作为一种基础研究工具。

 

关键图表

 

图1.所提出装置的工作原理概述

(A)该器件是由磁性分子印迹聚合物(MIP)功能化的工作电极和用于对电极和参比电极的裸金属电极制造的。(B)将该装置应用于叶片上，使微针(MN)穿透表皮。(C)使用可重新配置的便携式恒电位仪进行必要的电化学测试以检测水杨酸(SA)。(D)恒电位器将测量数据无线下载到智能手机。

图2.传感器的制造原理图

(A)(I)使用双光子聚合立体光刻术制造主模板。(II)模板涂覆一层对二甲苯C层，以使缝合线平滑并将模板锚定到衬底上。(III)将PDMS压印在主模板上以形成负模。(VI)负模用于参考电极和对电极上的标准聚酰亚胺变种微模，以及工作电极上的磁性清漆。(V)在释放的装置上溅射一层钛/铂，在接头上涂上阴罩，以防止电极短路。(VI)在工作电极上滴铸磁性MIP，并使用银导电浆将导线连接到每个电极。(B)溅射和滴注后电极特征的图像。(I)在溅射之前和之后暴露的电极，显示阴罩留下的印记。光学显微镜和扫描电子显微镜图像证实，(II、III、IV)磁性分子印迹聚合物选择性地覆盖工作电极。

图3.磁性聚合物的表征

(A)磁性MIP和(B)磁性非印迹聚合物(NIP)的动态光散射(DLS)尺寸分布图。扫描电子显微镜(SEM)在两个放大尺度(C)、(D)下观察磁性分子印迹聚合物的图像。(E)经基线校正的MIP包覆磁铁矿(Fe3O4)纳米颗粒的X射线粉末衍射(XRD)曲线，并注明了衍射面。插图显示了用于分析的聚焦的MIP粉末。

图4.功能化分子印迹聚合物层的优化与表征

(A)0.1赫兹的阻抗曲线图，与阻抗的百分比变化一起随时间绘制。实线是与实验数据拟合的对数趋势线的曲线图。传感器与磷酸盐缓冲盐水(PBS)和不同浓度SA在0.1M PBS中孵育后的Bode(B)和Nyquist(C)图。(D)涂有MIP和NIP的传感器在不同浓度的SA中孵育后，在0.1赫兹处阻抗变化百分比的条形图。误差条由n=5确定。MIP涂层MN横截面的扫描电子显微镜照片在两个尺度(E)、(F)。

图5.传感器的电化学表征

(A)MIP涂层传感器在PBS和不同浓度SA中孵育后的循环伏安曲线。(B)MIP涂层传感器在PBS和不同浓度SA在0.1M PBS中的基线校正方波伏安曲线。(C)SA股票的计时安培曲线，单位为0.1M PBS。(D)SA氧化稳态电流密度与浓度的函数关系图。误差条由n=10确定。用于估计传感器灵敏度的两个点的计算斜率如图所示。(E)被评估的植物激素和PBS在+1.1V的氧化电流。误差条由n=5确定。(F)使用定制恒电位仪获得的SWV曲线图。

 

总结

通过利用SA(水杨酸)选择性的分子印迹聚合物来功能化修饰MNS(微针)的IDE(叉指电极)，可以高灵敏地测定体内植物激素的浓度。以跨物种保守的植物激素为目标，消除了为不同物种量身定做化验的需要。此外，进行实时测量不仅为精准农业提供了快速响应的可能性，也为基础研究提供了工具。跟踪水杨酸动态的能力可以用来检测过多的植物病原体，这些病原体会提高水杨酸水平，从而减轻潜在的作物损失。MnS的坚固特性和磁性电极与聚合物之间的紧密结合允许传感器在现场环境中与便携式可重新配置的恒电位器结合时重复使用。该传感器的微创特性可以为各种PF应用提供连续的作物监测

来源：Adan-Lab