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Nature Communications | 新加坡国立大学吴昌盛开发植物吐水无创监测平台

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2026年10月1日,新加坡国立大学吴昌盛团队联合Tedrick Thomas Salim Lew等完成了题为《A multiplexed wearable microfluidic platform for non-invasive sweat-inspired monitoring of plant guttation biomarkers》的研究。气候变化让非生物胁迫更频繁和严重,作物早期诊断仍困难,他们开发了Plantonics,一种集成叶片微流控电化学平台,可实时无创监测植物吐水中的钾、钠、葡萄糖和叶片微环境。


研究团队把猪笼草唇部自驱动液体运输的特征引入芯片,设计出楔形微通道,内表面超亲水、外表面超疏水,靠表面能梯度和拉普拉斯压差把微量吐水快速送向传感池。4°楔角在水平与倾斜条件下兼顾速度和稳定性,液体在0.6 s内通过通道,完全逆重力时仍有7.9 mm/s流速,反向注入时几乎没有回流。该通道把吐水与传感池持续连通,让传感器表面不断刷新,并让多余液体从出口排出。超亲水和超疏水界面在45天存放及吹气、冷藏、浸泡、加热和紫外照射后仍保持润湿性,集成钠传感器对0.1 mM NaCl的响应约1 s,对照通道约50 s。

研究团队用355 nm紫外激光在聚酰亚胺上刻蚀石墨烯电极,做出可共享参比电极的多通道阵列,并分别修饰钾、钠、葡萄糖敏感层和温湿度敏感层。钾和钠传感器灵敏度为61.9和54.1 mV/dec,葡萄糖传感器在0.34 mM前后呈分段线性,灵敏度为6.15和25.88 mV/dec,三者检测限为8.99 µM、1.82 µM和0.10 µM。实测吐水与ICP-OES和HPLC-RI结果相关,R²分别为0.98、0.95和0.93;温湿度传感器提供实时补偿,减少环境波动对电化学信号的干扰,这些校准参数被写入系统,用于实时漂移补偿。


无线柔性电路板直径18 mm、质量0.16 g,通过BLE以2 s间隔传输数据,12 h运行漂移有限并与台式工作站一致。番茄叶片连续贴附7天无明显形态变化,PSII量子产率稳定;大麦根区20 mM KCl处理后约2 h吐水K+升高并在24 h内回落,连续10和20 mM NaCl造成延迟且更强的Na+升高。光强从22降至10、4、1 W/m²时,吐水葡萄糖随光强下降而降低,K+也呈协同变化,黄瓜和番茄多日钾胁迫实验重复出相似趋势。连续七天监测中,设备记录了正常生长下的基线波动、第6天20 mM KCl处理后的上升和第7天恢复浇水后的变化。平台适合产吐水植物,在低根压或高蒸腾条件下样本量可能不足。

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