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植入式有機電化學電晶體生物感測器,實時監測植物健康

[導讀]:

將生化訊號轉換為電子讀數的生物電子裝置可實現高時空解析度的生物感測。這些技術已主要應用於生物醫學,而在植物中的感測則主要基於侵入性方法,該方法需要組織取樣,阻礙體內檢測並且時空解析度差。在這裡,作者開發了基於有機電化學電晶體(OECT)的酶生物感測器,用於體內和實時監測樹木維管組織中糖的波動。葡萄糖和蔗糖OECT生物感測器被植入到樹木的血管組織中,並透過低成本的行動式裝置執行48小時。該工作包括一項概念驗證研究,其中植入式OECT生物感測器不僅可以實時監測植物中的代謝產物,而且還揭示了晝夜糖穩態的新見解。預計這項工作將有助於建立生物電子技術,使其成為植物科學,農業和林業中功能強大的微創工具。

林雪平大學的研究人員開發了生物感測器,可以實時監測植物組織深處的糖水平,而以前這是不可能的。當世介面臨氣候變化時,來自感測器的資訊可以幫助農業適應生產。

Chiara Diacci是有機電子實驗室的博士研究生,也是該論文的第一作者,將感測器插入了幼樹中。

"在未來幾十年中,我們將必須確保我們的糧食供應。我們必須使用與今天相同甚至更少的資源來進行此操作。這就是為什麼瞭解植物如何對環境變化做出反應以及它們如何適應的重要性。"林雪平大學科學與技術繫有機電子實驗室副教授Eleni Stavrinidou說。

糖感測器

由Eleni Stavrinidou領導的林雪平大學研究小組,與Umeå植物科學中心的TotteNiittylä及其小組一起,開發了基於可植入植物的有機電化學電晶體的糖感測器。生物感測器可以連續兩天實時監測樹木的糖含量。來自感測器的資訊可能與生長和其他生物過程有關。植物使用糖作為能源,糖也是重要的訊號物質,會影響植物的生長及其對周圍環境變化的響應。

糖感測器基於有機電化學電晶體。

雖然用於監測人體糖水平的生物感測器尤其是糖尿病人使用的血糖儀已廣泛使用,但該技術以前尚未應用於植物。

"這些感測器現在用於基礎植物科學研究,但是將來可以在農業中使用,以最佳化生長條件或監測產品質量。" 從長遠來看,這些感測器還可以用於指導可以在非最佳條件下生長的新型植物的生產。" Eleni Stavrinidou說。

圖:使用基於OECT的生物感測器對樹木進行體內糖監測

(A)實驗裝置的示意圖。首先,將OECT生物感測器放置在目標組織(樹的成熟木質部)內。

(B)樹木血管組織的插圖。韌皮部是負責蔗糖運輸的主要組織。蔗糖從韌皮部解除安裝到木質部(黑色箭頭),然後透過蒸騰流(藍色箭頭)運輸。

基於OECT的糖感測器

使用透明方法部分中所述的標準微細加工技術,在厚度為125μm的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基板上製造基於OECT的葡萄糖和蔗糖感測器。Ti / Au用於源極,漏極,柵電極,以及用於佈線,而通道基於導電聚合物聚(3,4-乙基-二烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)。柵電極塗有PEDOT:PSS薄膜,以增加其電容,以有效調製通道電導,然後再用酶和PtNPs進行功能化。將PtNPs電沉積在門上,同時藉助滴鑄到門上的殼聚糖基質固定酶。

基於PEDOT:PSS的OECT在耗盡模式下執行,通道最初處於高電導狀態。當在柵極上施加正偏壓時,來自電解質的陽離子將滲透到溝道中,補償PSS聚合物摻雜劑,從而導致PEDOT去摻雜和溝道電流減小(Khodagholy等人,2013)。當分析物存在於溶液中時,酶反應將在澆口處發生,這將導致H 2 O 2的產生。然後,H 2 O 2將在柵極上的PtNPs上被氧化,這與電子轉移有關,該電子轉移改變了有效柵極電勢,從而導致溝道電流進一步減小(Bernards等人,2008年)(圖 A)。典型轉移曲線和OECT的跨導示於圖B中的跨導被認為OECT感測器裝置的品質因數為描述過在柵極電勢,改變在漏極電流中的變化克米 = Δ我d / Δ V g ^。因此,器件在高跨導狀態下的操作將導致柵極電勢的小變化,從而引起溝道電流的大變化。酶電化學感測器可能檢測到的分析物受到可參與氧化還原反應的酶的可用性的限制。葡萄糖氧化酶是一種氧化還原酶,可催化β-D-葡萄糖氧化為過氧化氫和D-葡萄糖1,5-內酯。另一方面,蔗糖沒有相應的氧化還原酶。為了透過酶檢測蔗糖,我們透過在殼聚糖基質中成功整合三種酶克服了這一侷限性,從而在有限的空間內發生了一系列的反應。首先,轉化酶將蔗糖水解為果糖和α-D-葡萄糖,圖 A.

圖:基於OECT的蔗糖和葡萄糖感測器

(A)基於OECT的蔗糖感測器的示意圖。用三種酶對門(面積= 300μm* 300μm)進行功能化,以便將蔗糖轉化為H 2 O 2,然後可以在柵電極上的PtNP上將其氧化。

(B)在V SD = -0.4V且V SG從-0.2V至1V的情況下,用PtNPs功能化後,OECT器件的典型傳輸曲線和跨導。

(C)PBS緩衝液中的蔗糖感測器(橙色)和葡萄糖感測器(青色)校準曲線。虛線表示適合於S形函式。誤差棒代表標準誤差,對於蔗糖感測器,n = 8個裝置,對於葡萄糖感測器,n = 5個裝置。

(D)100μM和300μM蔗糖溶液插入樹中48小時後的蔗糖感測器響應(藍色誤差棒代表n = 3時的標準誤差)。以橙色顯示蔗糖感測器校準曲線以進行比較。T檢驗顯示在植入48小時之前和之後,感測器的反應均無統計學意義(p> 0.05)。

裝置整合和行動式測量設定

接下來,開發了基於低成本Arduino平臺的行動式OECT測量單元設定,使能夠在植物的生長環境中執行感測實驗。在這種情況下,測量是在溫室內部進行的,而這些裝置也可以在生長室甚至野外條件下執行(圖A和B )。由於平臺使用單極性模數轉換器和數模轉換器,因此該平臺採用通用漏極配置(即漏極接地)進行操作,以避免產生負電壓(圖C)。使用兩個相同但分離的電路來提供柵極和源極電壓(VGd一世ñ 和V小號d一世ñ),並同時測量柵極和源極電流(I G和 I S)。

圖:行動式測量設定

(A)行動式Arduino測量單元

(B)透過ZIF聯結器連線的OECT,並插入到混合白楊樹莖中。

(C)Arduino測量單元電路原理圖。V GD和V DS涉及到V GS和V DS至V GD = V GS N - DS和V SD = - V DS。

OECT插入和傷口反應

為了使用OECT感測器執行有意義的體內測量,重要的是最小化由感測器插入引起的傷口反應。受傷的反應可能會透過改變目標生理過程來干擾測量。

插入部位及創口效果

(A)將OECT插入雜種白楊樹莖中,顯示木質部組織中該裝置的有效區域(藍色箭頭表示成熟木質部),比例尺為1毫米。

(B)顯示OECT創傷效果的莖橫斷面的光學顯微鏡影象。插入1、2和5天后的對照和雜種白楊樹反應。比例尺200 µm。

植物代謝

調節植物新陳代謝的機制以及糖水平的變化如何影響生長的機制仍相對未知。先前的實驗通常使用依賴於分離植物部分的方法。但是,由研究小組開發的感測器可以在不損害植物的情況下提供資訊,並且可能為植物新陳代謝的工作方式帶來進一步的困惑。

生物感測器可以提供有關糖水平的資訊,而不會損害植物。

"我們發現以前從未觀察到的樹木中糖含量的變化。未來的研究將集中在瞭解植物在壓力下植物糖水平如何變化。" Eleni Stavrinidou說。

這項研究主要由歐盟的Horizo​n 2020研究與創新計劃資助。

結論:

在這項工作中,開發了可植入的基於OECT的酶生物感測器,該感測器可在體內複雜體內執行環境中持續48小時,並實時監控樹木維管組織中的糖分變化。透過開發生物功能化策略擴充套件了可以用OECT酶法檢測的分析物範圍,該策略可以將多種酶固定在同一裝置中並催化鏈反應。此外,設計了一種廉價的基於Arduino的源測量單元,該單元可以在植物的生長環境中操作該裝置,並展示其在野外條件下的應用潛力。技術的主要侷限性之一是我們只能進行定性觀察,因為體內未知的初始分析物協調阻礙了定量環境。然而,生物學中的相對變化非常重要,首次報道成熟木質部中的蔗糖表現出晝夜依賴性,這表明木質部中的蔗糖轉運與代謝或生理過程相關。

OECT技術的原理可用於評估許多代謝物,以及發育和環境線索或非生物和生物脅迫對代謝物水平的影響。感測器是無創動態監測技術的一個例子,它將有助於更好地瞭解樹木的生長動態。該技術還可以在相關領域找到應用,例如研究木質部樹液餵養昆蟲的行為。

由於感測器的操作不依賴於基因改造,它們可以很容易地應用於農業和林業,而不受道德或社會限制。儘管OECT技術的發展在很大程度上受到生物醫學應用的推動,但我們的工作證明了生物電子技術在植物中的用途和適用性,以闡明目前用常規方法和工具無法解決的基本問題。

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