新加坡A*STAR羅賢俊南洋理工陳曉東Adv. Mater.: 基于熱敏水凝膠的可變形離子電極用于對多毛植物的非侵入式電生理研究

【引言】

內源性電信號對于植物感測和響應環境至關重要。環境刺激可以觸發廣泛的膜電位變化，繼之以基因表達的系統性改變，從而進一步調節生理活動。這些電信號被認為是快速響應的長距離信號通路，對植物的生存至關重要。因此，研究植物電生理學為通過先進的電子技術進行植物監測和干預提供了堅實的基礎，對于可持續的食物供應和環境保護具有潛在的好處。由于非侵入式植物電生理學在不損害植物的情況下獲得的信號的真實性，其優于侵入式的測試方法。但是，植物表面的凹凸不平和不規則造成了與電極緊密接觸的巨大障礙。特別是，大多數植物會形成各種形態和密度不同的毛狀體，這對于包括凝膠電極在內的常規電極很難適應和粘附。盡管使用軟性和粘合性水凝膠可改善與生物組織的接觸，但預先形成的固體水凝膠的平坦表面和明確定義的幾何形狀阻礙了它們與毛狀植物表面的保形接觸。這種缺乏順應性會降低粘附力并降低信號傳輸的穩定性和保真度。另一方面，以液體形式施加到植物上并連接到金屬絲的瓊脂凝膠和瓊脂粘性溶液可以提供改善的順應性。然而，由于粘附力弱，它們不能適應植物的運動，因此需要嚴格的固定和小心操作以避免電極脫離。總而言之，基于水凝膠的常規電極在動態測試中缺乏對毛狀形貌和植物運動的適應性，而要同時實現貼合性和粘合性是一項挑戰。

【成果簡介】

植物電生理學為智能植物監測和干預奠定了基礎。然而，常規電極的動態形狀適應性不足，無法穩定貼合在具有毛發狀形態的植物表面，使得穩定和高保真度的非侵入性電生理研究難以實現。A*STAR羅賢俊&南洋理工大學陳曉東使用基于熱敏水凝膠的可變形離子電極克服此問題，該電極可從粘性液體逐漸轉變為粘彈性凝膠。這種轉變使該電極鎖定在毛狀表面不規則處，并建立了保形和粘合的界面。它的阻抗低至傳統水凝膠電極在有毛葉子上的阻抗的十分之一，是其粘合強度的4-5倍。由于提高了導電性和機械強度，可變形電極可在多毛植物上記錄一個數量級以上更高的信噪比，并且在植物運動時也可保持高保真記錄，從而實現了優于常規水凝膠電極的性能。報道的可變形電極是用于多毛植物電生理學的有效工具，可應用于具有不同紋理的植物以進行高級感測和調節。該成果以題為“A Morphable Ionic Electrode Based on Thermogel for Non-Invasive Hairy Plant Electrophysiology”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.基于熱敏水凝膠的可變形電極概述，用于與毛狀植物的保形和粘合界面

a）當用于有毛植物電生理學研究時，基于水凝膠的常規電極的示意圖 b）在有毛植物上使用可變形電極的示意圖 c）EPC熱膠凝溶液在0至50°C的溫度梯度下的流變學表征，顯示其溶膠-凝膠轉變 d）在毛狀植物上施用的EPC熱凝膠的照片顯示其與致密毛的保形接觸以及倒置時的自立行為 e）EPC熱凝膠在剪切試驗過程中的照片，表明其機械強度

Figure 2.EPC溶液的流體特性及其與毛狀植物的保形接觸

a-b）11％EPC熱膠凝溶液在0–50°C范圍內的粘度和tanδ c-d）比較各種凝膠和溶液在各自應用溫度下的粘度和tanδ，顯示出EPC熱膠凝溶液的低粘度和液體特性，有利于保形接觸 e）直方圖顯示了鹽水，EPC溶液和瓊脂溶液的液滴在不同表面上的接觸角，表明EPC聚合物的表面活性很強 f）應用于大巖桐葉片上的凝膠的橫截面掃描電子顯微鏡圖像，顯示了EPC熱凝膠的高度順應性 g）葉片表面和凝膠之間的間隙寬度的箱形圖

Figure 3.EPC熱凝膠的粘合和電學性能

a）直方圖顯示EPC熱凝膠，瓊脂凝膠和PAAm水凝膠在Ag/AgCl板和大巖桐有毛葉子上的剪切粘合強度 b）煙草莖上基于凝膠的電極的剪切試驗的實驗裝置示意圖 c）剪切試驗的代表性載荷-位移曲線，表明基于EPC熱凝膠的電極的剪切力比對照組高得多 d-f）在煙草莖上使用基于不同水凝膠的平板電極的快照 g-h）示意圖和照片，顯示了用于測量多毛葉子上的凝膠電極的阻抗的裝置 i）毛狀葉片上各種凝膠基電極的平均阻抗和相角 j）直方圖比較了在這項研究中與植物電生理相關的三種頻率下多毛葉片上的凝膠電極的阻抗

Figure 4.可變形電極對多毛植物中傷害誘發的電位信號的非侵入性監測

a）示意圖顯示了信號引發和監測的實驗設置 b）照片顯示電極分別通過EPC熱凝膠和PAAm水凝膠粘附在毛狀向日葵莖上，描繪了兩種凝膠的對比適形性 c）從EPC熱凝膠和PAAm水凝膠在向日葵莖上讀取的信號幅度的箱形圖，這意味著EPC熱凝膠的信號強度更高 d）煙草莖上的可變形電極和瓊脂凝膠-Ag/AgCl線電極的照片e）火焰實驗中來自d中顯示電極的信號 f）照片顯示在與侵入式Ag/AgCl線進行對比的實驗中變形電極的施加過程?g）在火焰測試中從侵入式Ag/AgCl線形電極和可變形電極讀取的信號

【小結】

作者展示了一種基于熱敏水凝膠的可變形離子電極，該電極利用了兩親柔性聚合物的原位溶膠-凝膠轉變，并可以在毛狀植物上建立粘合和共形，機械和電的界面，從而實現了高保真的電生理記錄。這種可變形電極不僅為基礎植物研究提供了有用的工具，而且為植物-電器聯通提供了有效的解決方案，為結合了軟材料的生物電子學提供了靈感。

文獻鏈接：A Morphable Ionic Electrode Based on Thermogel for Non-Invasive Hairy Plant Electrophysiology, Adv. Mater.,?2021, DOI:10.1002/adma.202007848

本文由tt供稿編輯。 ?

團隊在該領域的相關工作：

An On-demand Plant-based Actuator Created Using Conformable Electrodes. Nat. Electron. 2021, 4, 134-142.