ACS Nano主編、NTU陳曉東院士，最新Science子刊：實現(xiàn)植物電生理的長期無損監(jiān)測

新型可適應電極實現(xiàn)植物電生理的長期無損監(jiān)測

隨著全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提升的迫切需求，實時監(jiān)測植物健康狀況變得至關重要。植物電生理信號能夠快速響應環(huán)境脅迫，為作物健康評估提供獨特優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有的長期監(jiān)測技術多依賴侵入式電極，會對植物造成永久損傷；而非侵入式電極則因脫水或貼合性差等問題，通常只能工作數(shù)小時，難以實現(xiàn)持續(xù)數(shù)日以上的穩(wěn)定監(jiān)測。開發(fā)一種既能長期穩(wěn)定工作，又不對植物造成傷害的柔性電極，成為植物傳感領域的一大挑戰(zhàn)。

近期，南洋理工大學陳曉東院士和合作者提出了一種基于電容耦合原理的可適應電極，成功實現(xiàn)了對多種植物長達一個月的連續(xù)、無損電生理信號監(jiān)測。該電極使用熱響應水凝膠在植物表面形成一層高貼合性的耦合層，通過電容耦合方式采集信號，在保持高信噪比的同時，最大限度地減少了對植物生理活動的干擾。相關論文以“Adaptable thermoresponsive polymer for long-term electrical coupling in plant electrophysiology monitoring”為題，發(fā)表在Science Advances上。

研究人員首先展示了這種電容耦合電極在植物上的組裝過程。該電極由柔性導體和一層可適應的耦合層構(gòu)成，耦合層由涂覆于植物表面的熱響應水凝膠脫水形成。該水凝膠在低溫下為溶液狀態(tài)，施加到植物表面后可在約40秒內(nèi)凝膠化，并在一天內(nèi)脫水形成穩(wěn)固的耦合層。等效電路模型表明，信號通過耦合層和植物表皮進行電容式傳導。實驗證明，該電極能夠緊密貼附在煙草等植物多毛、超疏水或垂直的莖葉表面，復制其復雜形貌，且長期佩戴對植物的氣孔開度和葉綠素含量均無顯著影響，顯示出良好的生物相容性。

圖1：用于長期植物電生理監(jiān)測的電容耦合電極在植物上的組裝示意圖。 （A）電容耦合電極的示意圖和等效電路模型（Ccoupling和Rcoupling：可適應耦合層的電容和電阻；Cepi和Repi：植物表皮的電容和電阻；Rplant：植物內(nèi)部電阻）。底部顯示了電極組裝過程：熱響應水凝膠以溶液狀態(tài)（低溫儲存）施加于植物上，并在40秒內(nèi)凝膠化（在室溫平衡后）。當熱響應水凝膠在1天內(nèi)脫水形成可適應耦合層時，電容耦合電極即完全組裝完成。（B）傳統(tǒng)濕電極和干電極的示意圖及等效電路模型，顯示了它們在長期監(jiān)測中的局限性（Ci和Ri：導體/凝膠界面的雙層電容和電荷轉(zhuǎn)移電阻；Rgel：凝膠電阻；Cc和Rc：導體/植物界面的接觸電容和電阻）。（C）電容耦合電極在煙草植株多毛葉片（上圖）和垂直莖干（下圖）上貼合應用的照片。（D）從多毛煙草葉片上剝離下來的獨立可適應耦合層的截面掃描電子顯微鏡圖像。復制的多毛形貌證明了耦合層的高貼合性。（E）電容耦合電極與金標準瓊脂凝膠電極在31天內(nèi)可比的信噪比（每次測量前都新鮮涂覆瓊脂凝膠）。平均值±標準差；N=6株植物。

在性能對比中，電容耦合電極展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的濕電極（如瓊脂凝膠電極）相比，它在7小時內(nèi)的信號漂移最小，穩(wěn)定性更高；與干電極相比，它在機械擾動下運動偽影更小，在長期監(jiān)測中能獲得更清晰、低噪聲的信號；與侵入式電極相比，它能無損地貼附在柔軟葉片上，成功捕獲到侵入式電極難以測量的光觸發(fā)瞬變電位信號，為研究葉片的光合相關生理過程提供了可能。

圖2：電容耦合電極相較于傳統(tǒng)電極的優(yōu)越信號獲取性能。 （A）濕電極、干電極、侵入式電極和電容耦合電極之間各項性能對比的雷達圖，評分標準見表S1。（B）電容耦合電極測量的植物葉片電位，與濕電極（EPC水凝膠和瓊脂凝膠電極）相比，在7小時內(nèi)漂移最小。陰影代表標準差。（C）7小時內(nèi)電位漂移幅度的量化（平均值±標準差）。（D）光學顯微鏡圖像顯示干電極（CNT導體條）在多毛煙草葉片上貼合性差。（E）機械擾動期間葉片上電極的電位讀數(shù)，顯示電容耦合電極的運動偽影更小。干電極使用膠帶固定在葉片上。（F）長期在體測量顯示，干電極的信號比電容耦合電極噪聲更大。信噪比（平均值±標準差）根據(jù)6天內(nèi)對開燈事件的響應計算得出。灰色背景表示夜晚，白色背景表示白天。（G）使用莖干內(nèi)的侵入式電極和葉片上的電容耦合電極記錄的長期在體信號。放大圖顯示了葉片電極測量到的更高強度的光觸發(fā)電生理信號。所使用的參比電極與記錄電極相同，固定在莖干上/內(nèi)。（H）顯示侵入式電極導致葉片廣泛組織損傷的照片。

為了深入理解其工作機制，團隊通過電化學阻抗譜分析了電極-植物界面在一個月內(nèi)的變化。阻抗演變揭示了三個階段的轉(zhuǎn)變：水凝膠本體脫水、電阻性向電容性傳導過渡、以及耦合層/植物界面的老化。電路模型擬合證實了電極與植物組織間存在電容耦合。盡管界面阻抗隨時間略有上升，但電極系統(tǒng)仍能保持高于45 dB的高信噪比，滿足長期監(jiān)測需求。

圖3：植物上基于可適應耦合層的電容耦合。 （A）葉片上設置（N=8株植物）和夾層設置（N=5）在0.1 Hz頻率下的阻抗，Zon-leaf和Zlaminate，隨時間（31天）的變化。t=0為熱響應水凝膠溶液首次施用于植物時。（B）電極在植物上31天內(nèi)三個轉(zhuǎn)變階段的示意圖：電極組裝期間的本體脫水、電阻性向電容性轉(zhuǎn)變（此時電容耦合電極完全組裝）、以及耦合層/植物界面的老化（解釋長期變化）。（C）前4小時內(nèi)水凝膠含水量和厚度的大幅下降，表明本體脫水。（D）前4小時內(nèi)一個代表性樣品的Zlaminate奈奎斯特圖，顯示本體脫水期間凝膠本征阻抗的下降。（E）一個代表性樣品的Zlaminate奈奎斯特圖，顯示從電阻性傳導向電容性傳導的轉(zhuǎn)變。h，小時；d，天。（F）第7天一個代表性植株的Zon-leaf奈奎斯特圖及等效電路模型，證實了電極與植物間的電容耦合（CPEepi和Repi：植物表皮的常相位元件和電阻；CPEon和Ron-leaf：可適應耦合層的常相位元件和電阻）。CPE用于表示非理想電容。（G）具有不同耦合層可降解性和植物葉片狀態(tài)組合下的長期Zon-leaf（N=3），顯示耦合層降解和植物葉片萎蔫均導致Zon-leaf增加。（H）一個月內(nèi)植物電生理信號的信噪比與對應的電極-植物系統(tǒng)阻抗的關系，表明盡管信噪比隨阻抗增加而下降，但仍能維持高信噪比（>45 dB）（符號形狀代表單株植物）。

研究進一步探討了選擇熱響應聚合物作為耦合層材料的優(yōu)越性。與常見的丙烯酸膠帶、硅橡膠（如PDMS、Ecoflex）或其他水溶性聚合物（如PVA、PEG）溶液相比，熱響應水凝膠在應用時具有獨特的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變特性，能在非水平表面實現(xiàn)穩(wěn)固的電極組裝，且粘附強度更高。它不會像PDMS前體那樣滲入植物組織，也不會像某些抗脫水水凝膠那樣因添加高鹽分而對植物造成傷害，在確保信號質(zhì)量與穩(wěn)定性的同時，兼顧了應用便利性和植物安全性。

圖4：熱響應聚合物相較于其他電容耦合材料在植物電生理學中的優(yōu)勢。 （A）以下電極的電位讀數(shù)：分別使用厚丙烯酸膠帶（0.4 mm）、薄丙烯酸膠帶（0.1 mm）和熱響應聚合物的CNT導體薄膜電極，以瓊脂凝膠-Ag/AgCl電極為基準，顯示丙烯酸膠帶的信號保真度差。電極在葉片上交換位置以最小化位置差異，信號通過灼傷相鄰葉片產(chǎn)生。（B）從煙草葉片上剝離丙烯酸膠帶時造成機械損傷的照片。（C）熱響應聚合物層從煙草葉片上干凈剝離的照片。（D）去除表面PDMS后拍攝的浸潤了聚二甲基硅氧烷（PDMS）的葉片照片。（E）原始葉片和經(jīng)PDMS處理（表面PDMS已去除）葉片的傅里葉變換紅外光譜，通過-Si-CH3峰確認了PDMS成分的滲入。（F）分別使用Ecoflex和熱響應聚合物耦合的CNT導體薄膜電極的電位讀數(shù)，以瓊脂凝膠-Ag/AgCl電極為基準，顯示Ecoflex耦合層的信號穩(wěn)定性差。（G）Ecoflex相較于熱響應聚合物的水蒸氣透過率差。（H）熱響應水凝膠和PEG溶液在垂直煙草莖干上應用過程的照片，突出了熱響應水凝膠實現(xiàn)穩(wěn)固電極組裝的能力。（I）熱響應水凝膠相較于瓊脂凝膠、PEG和聚乙烯醇（PVA）溶液具有更高的剪切粘附強度。（J）熱響應聚合物在干燥狀態(tài)下相較于瓊脂的粘附強度更高。

利用該電極，團隊開展了為期28天的連續(xù)監(jiān)測，觀察到了植物電生理信號對光/暗周期轉(zhuǎn)換的響應模式變化。在為期14天的干旱脅迫與恢復模擬實驗中，電極成功捕獲到與植物水分狀態(tài)相關的特異性電信號特征。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱初期，光誘導電位變化的幅度會增大，這與葉片內(nèi)鈣離子和活性氧水平的升高有關；而在可見萎蔫發(fā)生后，該幅度則下降。此外，長期信號分析還揭示了脅迫下植物在白天的平均電位降低、在夜間則升高的相反趨勢，反映了生物鐘對干旱適應的調(diào)控作用。相比之下，在鹽脅迫實驗中，并未觀察到類似干旱脅迫的早期電信號變化，表明兩種脅迫的生理響應機制存在差異。

圖5：電容耦合電極監(jiān)測的植物長期電生理信號與干旱脅迫的相關性。 （A）干旱脅迫與恢復實驗流程及測試中植物的照片。干旱前期定義為植物出現(xiàn)萎蔫癥狀的前一天。（B）經(jīng)歷9天逐步干旱的植物（紅色）與水分充足對照植物（灰色）的光誘導電位變化幅度對比，顯示在萎蔫前增加、萎蔫后下降的趨勢。a.u.，任意單位。（C）同一葉片在抑制鈣離子通道前后的光誘導電位變化。N=3。（D）同一葉片在抑制活性氧產(chǎn)生前后的光誘導電位變化。N=3。（E）干旱模擬期間葉片內(nèi)鈣離子（上圖）和質(zhì)外體活性氧（下圖）的共聚焦圖像，右側(cè)顯示了感興趣區(qū)域的平均熒光強度定量。BF，明場。Fluo-3 AM和2',7'-二氯二氫熒光素二乙酸酯（H2DCFDA）：分別用于可視化鈣離子和活性氧的染料。比例尺，50 μm。CK，對照植物；DR，干旱脅迫植物。（F）在光期和暗期條件下的植物電生理信號，各樣本每天的起始電位已對齊。N=6。（G）根據(jù)（F）中的信號計算的開燈或關燈后1小時的平均電位，顯示在光期和暗期條件下隨時間呈現(xiàn)相反的變化趨勢。暗期平均電位在第七天出現(xiàn)視覺癥狀前已發(fā)生變化。（C）、（D）和（F）中的實線為平均值，陰影代表標準差。（B）、（E）和（G）中的箱線圖顯示第一四分位數(shù)、中位數(shù)和第三四分位數(shù)。須線繪制在1.5倍四分位距處。平均值由空心方塊表示。P < 0.05；**P < 0.001；****P < 0.0001；n.s.，不顯著。雙樣本t檢驗。

這項研究提出的電容耦合電極策略，成功地將植物表面電生理監(jiān)測的穩(wěn)定工作時長從數(shù)小時延長至一個月以上，并兼具優(yōu)異的貼合性、信號質(zhì)量和生物相容性。它不僅為植物生物學研究提供了一個強大的長期原位監(jiān)測工具，能夠揭示此前難以捕捉的生理動態(tài)與脅迫響應機制，也為未來智能農(nóng)業(yè)中的植物健康持續(xù)診斷預警提供了創(chuàng)新的技術基礎。展望未來，通過進一步優(yōu)化耦合層的介電性能和機械延展性，并開發(fā)配套的高級數(shù)據(jù)分析方法，這類傳感器有望在作物育種、精準農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中發(fā)揮更大作用，為應對糧食安全與氣候變化挑戰(zhàn)貢獻新的見解與解決方案。