Electroactive biodegradable microneedles for minimally invasive real-time, in-situ plant physiological monitoring and industrial NH3 sensing
Huie Jiang · Tianqi Zhao · Lijuan Chen 等 7 人
开发了一种可生物降解的电活性微针传感器，用于植物生理监测和工业氨气检测。
利用PVA/PANI/PA水凝胶和葡萄糖氧化酶构建微针阵列，实现电化学和化学电阻
传感器可实时监测植物葡萄糖、温湿度，对氨气响应快、线性好，且可生物降解。
可探索该微针传感器在更多作物和田间环境下的长期监测，以及多参数集成和无线传输的优化。
研发可降解微针传感器，实现植物生理实时监测与工业氨气预警，兼具农业与环境应用价值。
实时、原位监测植物生理参数和工业有毒气体排放对于推进精准农业和保障环境安全至关重要。为此，我们开发了一种电活性可生物降解微针（PPG-MN）传感器，能够实现微创监测组织间葡萄糖、环境温度、湿度以及环境氨气（NH₃）泄漏。传感器基质采用聚乙烯醇（PVA）网络与导电聚苯胺（PANI）互穿，并掺杂植酸（PA）制备而成，同时固定葡萄糖氧化酶（GOx）以确保特异性。所得微针阵列具有足够的机械强度，可穿透植物表皮，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天内完全土壤生物降解。通过将酶传感与温湿度补偿机制（在25–50 °C和25%–50%相对湿度（RH）范围内有效）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）叶片进行连续14小时的原位监测，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典型的毒性排放水平。上述结果表明，PPG-MN传感器是一种兼具农业物联网（IoT）系统应用和皮革加工等行业危险气体预警功能的有前景的环保工具。