过氧化氢传感器 “哨兵植物“可通过叶片中的压力传感器拯救作物

发布时间：2024-10-06 17:10:34

"哨兵植物"可通过叶片中的压力传感器拯救作物

当植物受到压力时，叶片会产生被称为信号分子的化学物质，从而引发植物的适应性反应。例如，如果一种植物被昆虫吃掉，它的叶子就会产生一种信号分子，触发植物的其他部分产生一种驱赶昆虫的化学物质。

经过特殊标记的"哨兵植物"很快就能对作物问题（如虫害或细菌感染）发出预警。这些植物将利用两个"发光"传感器，对叶片中与压力有关的化合物做出反应。最常用的两种信号分子是过氧化氢和水杨酸。

四年前，麻省理工学院的迈克尔-斯特拉诺教授及其同事创造了一种叶片集成传感器，它能在过氧化氢存在时发出荧光。这种"传感器"实际上由许多单壁碳纳米管组成，每根碳纳米管都包裹着一条被称为寡聚体的合成 DNA 链。

当把含有这些"电晕相分子识别"（CoPhMoRe）纳米传感器的载体溶液涂抹在叶片背面时，这些微小的物体就会穿过叶片表面被称为气孔的微小开口。纳米传感器最终进入叶肉中层，叶肉中层是叶片的内层，大部分光合作用都在叶肉中进行。

当该层随后产生过氧化氢时，过氧化氢会与纳米传感器结合，使其发出荧光。这种荧光很容易用红外摄像机检测到。

虽然过氧化氢的产生本身就能表明某些植物胁迫因素的存在，但如果能同时检测到水杨酸，那就更有用了。有鉴于此，斯特拉诺的团队改变了该技术中使用的低聚物结构，创造出了第二种CoPhMoRe纳米传感器，这种传感器在与水杨酸而不是过氧化氢结合时会发出荧光。

在研究中，用水杨酸传感纳米传感器（蓝色）、过氧化氢传感纳米传感器（红色，右图）和惰性对照纳米传感器（绿色）处理单个植物叶片的不同部分。

在对白菜植物进行的实验室测试中，将含有两种不同类型纳米传感器的溶液涂抹在同一片叶子的不同部位。然后让这些植物承受强光、高温、细菌感染和昆虫叮咬等压力。

研究发现，前三种压力会在几分钟内产生过氧化氢，然后在两小时内的某个时间段产生水杨酸。不过，水杨酸出现的确切时间却因压力源的类型而有一致的差异。

这意味着，如果用红外摄像机对经过 CoPhMoRe 增强的植物进行持续监测，农民就可以根据植物叶片从开始产生过氧化氢到随后产生水杨酸之间的时间间隔，判断植物是否处于光、热或细菌胁迫的早期阶段。

如果只产生过氧化氢，那就意味着昆虫叮咬是罪魁祸首。当然，如果两种信号分子都没有产生，那就意味着植物没有问题。

"这两个传感器结合在一起，可以准确地告诉用户植物正在承受什么样的压力。"Strano 教授说："在植物内部，你可以实时看到化学变化的起伏，每一种变化都是不同胁迫的指纹。我们正在将这项技术应用到诊断中，它能比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，足以让他们进行干预。"

有关这项研究的论文最近发表在《自然通讯》杂志上。

"我在体内植入了一个芯片，能测量很多东西" 真相是……

出品：科普中国

作者：外密子

监制：中国科学院计算机网络信息中心

现代互联网社会中，网络名人的一举一动总能牵动亿万网民的心。昨天，某位大佬植入"检测芯片"的新闻又引起了社交媒体上的广泛讨论。

1． 真相是？

从现有的信息来看，所谓皮下植入芯片的事，应该是这位业外人士的理解和实际情况出现了一定的偏差。据春雨医生微信号介绍，他购买的应该并不是他自己所说的"能检测多种参数"的芯片，而是2017年刚刚被美国FDA批准上市的雅培瞬感扫描式血糖仪 。

其实，与其说这是一种植入体内的芯片，倒不如说它更接近一种可穿戴式血糖监测设备。

该型血糖仪主要由敷贴传感器和数据读取器两部分构成。

其中，敷贴式传感器是这一设备的主要工作部件，它由一个纽扣状的电信号分析与发射元件和一根长约6毫米的细小电化学探针构成。而这套系统的奥秘，就藏在它的探针里面。这根细小的探针， 本质上是由半透膜包裹着的一组葡萄糖电化学感应电极。由于它的尺寸很小，就比较容易在不引起剧烈疼痛的情况下穿透表皮层与真皮层 （如探针过短，无法扎透表皮层，则测量不到有意义的信号），进入皮下组织中，并与组织间液亲密接触。

在一段时间的浸泡之后，组织间液中的葡萄糖等小分子，就会渗透通过探针上起保护作用的半透膜，接触到感应电极，并在电极上包被的葡萄糖氧化酶的作用下，被氧化成葡萄糖酸。而在这一过程中，也会产生易于分解，放出电子的副产物（过氧化氢），从而被探针上电极检测到。这个原理与现在常见的电化学指尖血糖检测技术并无太大差异。

要说特殊之处，主要是使用了一种被称为"有线酶技术（wired enzyme technology）"特殊的氧化酶固定方法。使用这种方法固定在金属电极上的氧化酶，有着比传统方法更好的电子传输效率和化学稳定性，能在体内环境下维持正常活性十余天而不发生失活变性。就是这项化学技术突破，使得在体内环境下的连续血糖监测成为可能。

▲"有线酶技术"的原理，葡萄糖分子与氧化酶接触后，产生的电信号可由聚合物链式传到至电极上（图片来自公开的会议报告）

相比于敷贴式探针所具备的科技含量，这套监测系统内附带的数据读取器，其实并没有太多黑科技， 它的功效主要就是接收从敷贴式传感器上无线发来的信号，并把这个信号转化为一般人可以理解的血糖示数。

行笔至此，大家就会发现，这种设备并不是真正意义上的植入式芯片。

2. 植入式芯片是幻想吗？不是，确实已经有了

可大家也不必失望，真正的植入式血糖监测芯片也已经初露真容了。

▲皮下植入式血糖传感芯片示意图，光化学传感器将血糖信号传输至中转器，最终通过手机软件无线读取（图片来自eversense 官方宣传片）

就在四个月前，美国的Eversense公司发布了一款真正可植入皮下的可持续血糖监控（CGM）芯片。

与雅培的电化学检测方案不同，Eversense采用了荧光方法进行血糖检测。简单来说，植入体内的微传感器上，用来与组织间液接触的部分不再是电极探针，而是一种对葡萄糖浓度敏感的荧光高分子聚合物 （具体材料并未公开）。在葡萄糖浓度较高的情况下，这种荧光聚合物会有较高的量子效率（quantum yield）。反之，在血糖浓度较低时，这种材料的量子效率也会降低。由于荧光信号需要外界光源激发，这种芯片里也内置了一枚小型的特定波长LED光源。而被激发后产生的荧光信号，则通过芯片内集成的微型光敏元件转化为电信号。

也就是说，在激发光强度大致相同的情况下，传感器接收到的荧光信号强度，与血糖浓度大致呈正比。当体内植入的芯片读出了血糖水平后，它会将这一示数通过蓝牙发送至离他仅有几毫米之隔的贴皮式信号中转器，并通过它输出到用户的手机上。

与雅培的产品相比，Eversense声称它们的这一产品拥有更长时间（约三个月）的体内寿命 ，如果这一参数可靠，它的使用时限将能达到雅培产品的六倍。但值得注意的是，由于上市时间很短，该产品的可靠性，尚未得到美国医疗监管部门的认可。 在此之外，有机荧光材料也常常会出现光致褪色的情况，导致信号强度较初始值降低。这个问题来源于分子本身的光化学性质，很难规避。个人认为，该产品在使用一段时间之后的性能，仍需谨慎观察。

3. 能"测很多东西"的植入式芯片还在路上呢

虽说可植入式生物传感器，至今已经取得了巨大的进展，但现有的产品在技术上仍然有一些不足之处。

其中最要紧的问题，就是它们相对较短的寿命。哪怕是设计寿命三个月的皮下芯片，也需要在一年内更换数次 。谁会希望在植入一个芯片后几个月，再进行一次手术将其取出？这听起来就很痛苦啊！

其次，出于技术水平的限制，无论是雅培的产品，还是Eversense的新技术，它们都无法做到货真价实的连续监测。 为了不使血糖敏感材料过快失活，它们都采取了每隔十几分钟检测一个数据点的方案，这在检测瞬时血糖变化时仍然稍显不足。

为了解决这些问题，科学家们正在进行多种方向的技术攻关。近些年来由于材料和化学科学的快速发展，基于半导体纳米线，量子点，石墨烯，荧光共振能量转移等技术的葡萄糖检测方法层出不穷，日新月异。

笔者衷心地希望，这些技术进展能最终带来更有吸引力的产品。

（这是中科院之声之前报道过的一个新闻）

一个典型的植入式颅内传感器，图片来自论文

除了监测血糖的植入式血糖传感芯片外，大家可能更关注监测其它参数的植入式生物传感器 。

这些年，它们也在飞速发展。其中进展最快的，是脑脊液/腹水的多参数检测芯片。 这类技术主要着眼于对颅内压，颅内温度，脑脊液葡萄糖浓度，疾病标志物浓度，各类离子浓度等进行实时监测。这类技术对急性脑损伤，开颅手术患者的疗效和生命体征监测有着至关重要的意义。除此以外，由于急性感染反应起病急，预后凶险，包括作者在内的多个研究组也在着手开发能实时检测数个感染免疫指标的可植入式传感芯片。

不过，我在这里要给大家泼一盆冷水，由于这两种传感器的功能，较葡萄糖传感器复杂很多，世界上暂时还没有能进入市场的产品。 不过我愿意相信，随着技术的不断进步，这类较为复杂的植入式传感芯片，也会很快出现在大家的视野里。

（本文中标明来源的图片均已获得授权）

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