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微(wei)納(na)3D打(da)印(yin)：微(wei)針(zhen)傳感器(qi)陣(zhen)列(lie)實現對(dui) L-色氨(an)酸(suan)的實時連續監測

更(geng)新(xin)時間：2025-12-29

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在(zai)精(jing)準(zhun)醫(yi)療(liao)與(yu)智(zhi)慧農業快(kuai)速發展(zhan)的今(jin)天，對(dui)生物體(ti)內(nei)關(guan)鍵(jian)分(fen)子(zi)的實時連續監測需(xu)求日(ri)益迫(po)切。L-色氨(an)酸(suan)作為(wei)人體(ti)必需(xu)氨基酸(suan)和植(zhi)物生(sheng)長激(ji)素前(qian)體(ti)，其濃度波(bo)動(dong)與情(qing)緒調節(jie)、代謝狀(zhuang)態及(ji)植(zhi)物生(sheng)長發(fa)育(yu)密(mi)切相(xiang)關(guan)。然而，傳統檢(jian)測方(fang)法(fa)如高(gao)效液相(xiang)色譜(pu)和(he)質譜技術(shu)只(zhi)能(neng)提供離(li)散(san)的離(li)線(xian)測量，無(wu)法滿(man)足(zu)實時動態監測的需(xu)求。

近期(qi)，國(guo)立(li)陽(yang)明(ming)交(jiao)通(tong)大(da)學(xue)的研(yan)究(jiu)團(tuan)隊以“Real-time and continuous L-Tryptophan monitoring by electrochemical aptamer-enabled microneedle sensor array"為題(ti)在(zai)《Sensors and Actuators: B. Chemical》期(qi)刊(kan)上(shang)發表(biao)了(le)壹(yi)項(xiang)突(tu)破(po)性研(yan)究(jiu)成(cheng)果——基於微(wei)針(zhen)陣(zhen)列(lie)的電化(hua)學(xue)適(shi)體(ti)傳感器(qi)，實現了(le)對(dui)L-色氨(an)酸(suan)的實時連續監測。

L-色氨(an)酸(suan)在(zai)哺乳(ru)動物體(ti)內(nei)是(shi)神經遞質的前(qian)體(ti)，在(zai)植(zhi)物中則是(shi)生(sheng)長(chang)素(su)吲哚(duo)-3-乙酸(suan)的前(qian)體(ti)。傳統檢(jian)測方(fang)法(fa)雖然靈(ling)敏度高(gao)，但無(wu)法實現實時連續監測，且操作復(fu)雜(za)、成(cheng)本(ben)高(gao)昂(ang)。研(yan)究(jiu)團(tuan)隊旨(zhi)在(zai)開(kai)發(fa)壹(yi)種能(neng)夠(gou)進行(xing)皮下(xia)組織附著(zhe)並實現動(dong)態追蹤(zong)的微(wei)針(zhen)傳感器(qi)，為臨床代謝監測和(he)農業應用(yong)開(kai)辟(pi)新(xin)的可(ke)能(neng)性(xing)。

圖1.（a）集(ji)成(cheng)微(wei)針(zhen)傳感器(qi)陣(zhen)列(lie)的示(shi)意圖：由(you)14根針(zhen)組成(cheng)的壹(yi)圈(quan)排列(lie)，其中包括6個工作電極(ji)和(he)8個參考/對(dui)照電極(ji)。（b）基(ji)於ETPTA的微(wei)針(zhen)的三(san)維(wei)激(ji)光共(gong)聚(ju)焦圖(tu)像。（c）電化(hua)學(xue)輔(fu)助的適(shi)配(pei)體(ti)檢(jian)測機(ji)制：金塗(tu)層微(wei)針(zhen)上(shang)的自(zi)組裝適(shi)配(pei)體(ti)在(zai)與(yu) L-色氨(an)酸(suan)結(jie)合(he)時會(hui)發生構(gou)象(xiang)變化(hua)，從(cong)而改(gai)變MB報(bao)告(gao)劑(ji)與電極(ji)表(biao)面之(zhi)間的距(ju)離(li)，進而調節(jie)法拉第電流(liu)。（d）體(ti)內(nei)實時嚙齒動物皮(pi)下(xia) ISF 測量的示(shi)意圖。（e）體(ti)內(nei)連(lian)續植物中的示(shi)意圖測量。

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊首(shou)先使(shi)用(yong)摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)的nanoArch^® S140 （精(jing)度：10 μm）3D打(da)印(yin)系(xi)統制作初(chu)級微(wei)針(zhen)主模(mo)具(ju)。14個針(zhen)頭(tou)采(cai)用(yong)切向環形排列，間距為2000 μm，確(que)保(bao)了(le)PDMS鑄(zhu)造(zao)的均(jun)勻(yun)性和(he)皮膚(fu)接(jie)觸(chu)的壹(yi)致(zhi)性，成(cheng)功制(zhi)備出(chu)高度約1500 μm、基部(bu)直(zhi)徑225 μm、半錐角(jiao)18°的微(wei)針(zhen)結(jie)構(gou)。

隨後，所(suo)得微(wei)針(zhen)陣(zhen)列(lie)經(jing)過(guo)化(hua)學(xue)鍍(du)銀(yin)和濺(jian)射鍍(du)金的兩(liang)步(bu)金屬(shu)化(hua)工(gong)藝(yi)，形成(cheng)均(jun)勻(yun)的金屬(shu)塗(tu)層(ceng)，為(wei)適體(ti)固(gu)定(ding)提供(gong)導電界(jie)面(mian)。適體(ti)功(gong)能(neng)化是(shi)關鍵(jian)步(bu)驟(zhou)，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊在(zai)金塗(tu)層微(wei)針(zhen)表(biao)面自組裝硫醇(chun)化DNA適(shi)體(ti)，形成(cheng)密(mi)集的適(shi)體(ti)單(dan)層(ceng)，從(cong)而實現對(dui)L-色氨(an)酸(suan)的特異性識(shi)別(bie)。

圖2. （a）不(bu)同(tong) L-Trp 濃度下(xia)的奈奎斯特圖(tu)。（b）通(tong)過電化(hua)學(xue)阻抗(kang)譜(pu)測量得出(chu)的等(deng)效電路(lu)的擬(ni)合(he)參數表明(ming)，濃度依(yi)賴性的變化(hua)主要受(shou)電荷(he)轉(zhuan)移電阻（Rct）、溶(rong)液電阻（Rs）、雙(shuang)層電容(rong)（Cdl）和(he)沃格(ge)伯格(ge)擴(kuo)散(san)阻抗(kang)（Zw）的影響(xiang)（n=3，平均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha)）。（c）在(zai) 10 μM L-Trp 溶(rong)液中，SWV 電流(liu)增(zeng)益（%）與頻率(lv)的關(guan)系(xi)：在(zai) 100 Hz 時正增(zeng)益（+22.4%），在(zai) 10 Hz 時負增(zeng)益（–19.3%），交叉(cha)頻(pin)率(lv)（fc）約為 42.7 Hz，此時信號(hao)開(kai)啟(qi)和信(xin)號關(guan)閉相(xiang)交（n=3，平均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha)）。不(bu)同(tong) L-Trp 濃度下(xia)的 SWV 響(xiang)應(ying)曲(qu)線。（d）在(zai)信(xin)號關閉(bi)（10 Hz）時，電流(liu)隨(sui)濃度的增(zeng)加而降低(di)。（e）在(zai)信(xin)號開(kai)啟(qi)（100 Hz）時，電流(liu)隨(sui)濃度的增(zeng)加而增(zeng)加。（f）在(zai) 10 μM L-Trp 和(he)高濃度幹擾(rao)物（L-Arg、L-Cys、L-Phe、L-Tyr、AA、UA、AP：0.5 - 1 mM）下(xia)選擇(ze)性(xing)分(fen)析(xi)。所(suo)有(you)幹擾(rao)物與(yu) L-Trp 相比(bi)響應變化(hua)均(jun)小(xiao)於(yu) 10%，表(biao)明(ming)具(ju)有(you)出色的分(fen)子(zi)特異性和抗(kang)幹擾(rao)能(neng)力（n=3，平均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha)）。

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊開(kai)發(fa)了(le)雙(shuang)頻方波伏(fu)安(an)法(fa)與(yu)動(dong)能差測量校(xiao)正(zheng)技術(shu)相(xiang)結(jie)合(he)的方(fang)法(fa)，有(you)效解決了長期(qi)監(jian)測中的基(ji)線(xian)漂(piao)移問(wen)題(ti)。通(tong)過(guo)系(xi)統測試(shi)5-200 Hz的頻(pin)率(lv)範(fan)圍，確(que)定(ding)10 Hz（信號(hao)關(guan)閉(bi)）和100 Hz（信號(hao)開(kai)啟(qi)）為工(gong)作頻(pin)率(lv)。KDM校(xiao)正(zheng)模(mo)型(xing)將長(chang)期(qi)監(jian)測中的漂(piao)移(yi)從(cong)52.7%降低(di)到僅7.3%，顯著提高(gao)了傳感器(qi)的穩(wen)定(ding)性和(he)準(zhun)確(que)性(xing)。這壹(yi)技術(shu)創新(xin)使(shi)得傳感器(qi)能夠(gou)在(zai)復(fu)雜(za)生物環境中保(bao)持(chi)穩定(ding)的性(xing)能(neng)表(biao)現。

該(gai)微(wei)針(zhen)傳感器(qi)在(zai)1 nM至(zhi)1 mM的濃度範(fan)圍內(nei)表(biao)現出(chu)優(you)異的檢(jian)測性(xing)能(neng)，在(zai)生(sheng)理濃度窗口(kou)（5-100μM）內(nei)具(ju)有(you)高度線(xian)性(xing)（R²=0.997）。檢(jian)測限(xian)達到12 nM，遠優於傳統檢(jian)測方(fang)法(fa)。傳感器(qi)對(dui)類似氨基(ji)酸(suan)和常(chang)見幹擾(rao)物表(biao)現出(chu)高(gao)度特異性，響應(ying)變化(hua)均(jun)小(xiao)於(yu)10%。

圖3. (a) 微(wei)針(zhen)傳感器(qi)陣(zhen)列(lie)在(zai)1 nM至(zhi)1 mM L-色氨(an)酸(suan)範(fan)圍內(nei)的濃度依(yi)賴性KDM響(xiang)應(ying)，符(fu)合(he)Hill-Langmuir等(deng)溫線模(mo)型(xing)，在(zai)生(sheng)理濃度範(fan)圍(5–100 μM)內(nei)呈(cheng)現高(gao)度線(xian)性(xing)(R² = 0.997) (n=4，均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha))。KDM = 3.739 + (177.857 − 3.739) × [Target]^1.338 / ((2.793×10^−5)^1.338 + [Target]^1.338)。(b) 長期(qi)方(fang)波(bo)伏(fu)安(an)監(jian)測顯示10 Hz和100 Hz通道(dao)存(cun)在(zai)明(ming)顯漂移。KDM補償(chang)可(ke)穩(wen)定(ding)電流(liu)響(xiang)應(ying)，大(da)幅降(jiang)低(di)基(ji)線(xian)漂移(yi)。(c) 不(bu)同(tong)頻率(lv)模(mo)式下(xia)漂移程度的定(ding)量比(bi)較(jiao)。KDM處理將漂(piao)移幅度降(jiang)低(di)至(zhi)7.3% (n=3，均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha))。(d) PBS溶(rong)液中60分(fen)鐘測試(shi)（基(ji)線為(wei)10分(fen)鐘），隨後持(chi)續暴(bao)露(lu)於35 μM L-色氨(an)酸(suan)環境（後50分(fen)鐘）。經KDM校(xiao)正(zheng)的數(shu)據(ju)保(bao)持(chi)穩定(ding)，準(zhun)確(que)反(fan)映設(she)定(ding)濃度。曲(qu)線以初(chu)始(shi)時間點(dian)為(wei)零點(dian)歸壹(yi)化(hua)(n=3，均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha))。(e) 自制(zhi)流(liu)動(dong)分(fen)析(xi)平臺示意圖。(f) 皮(pi)下(xia)組織間液動(dong)態流(liu)動(dong)模(mo)擬(ni)：分(fen)別(bie)在(zai)30、60、90、120和(he)150分(fen)鐘將L-色氨(an)酸(suan)濃度調整為(wei)20、40、60、20和0 μM。微(wei)針(zhen)傳感器(qi)能快(kuai)速響應(ying)濃度變化(hua)，在(zai)濃度降(jiang)低(di)時表現出(chu)優(you)異的恢(hui)復(fu)能(neng)力，證實了(le)其穩定(ding)可逆的工(gong)作特性(xing)(n=3，均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha))。

在(zai)離(li)體(ti)豬(zhu)皮膚(fu)模(mo)型(xing)中，傳感器(qi)經過(guo)三(san)次(ci)連(lian)續插入仍(reng)保(bao)持(chi)93.2%-98.8%的信(xin)號(hao)響(xiang)應，證(zheng)明(ming)了(le)其良好的機(ji)械耐(nai)久性(xing)和(he)功能(neng)塗(tu)層穩定(ding)性。連(lian)續60分(fen)鐘的監(jian)測顯示，經過KDM校(xiao)正(zheng)的信(xin)號(hao)保(bao)持(chi)穩定(ding)，驗證(zheng)了(le)傳感器(qi)在(zai)組織環境中的長(chang)期(qi)可(ke)靠性。

圖4. (a) 微(wei)針(zhen)傳感器(qi)陣(zhen)列(lie)刺(ci)入(ru)脫(tuo)細胞豬(zhu)皮膚(fu)的光(guang)學(xue)照片(pian)（通過(guo)組織染色觀(guan)察(cha)）。清(qing)晰(xi)的穿(chuan)刺(ci)痕(hen)跡證實其成(cheng)功穿(chuan)透(tou)表皮(pi)（A：0.8倍(bei)放大(da)；B：5倍(bei)局(ju)部(bu)放(fang)大(da)）。(b) 連續三次(ci)穿(chuan)刺(ci)後經KDM校(xiao)正(zheng)的方(fang)波(bo)伏(fu)安(an)響(xiang)應(ying)（100 Hz）。第二次(ci)和(he)第三次(ci)穿(chuan)刺(ci)分(fen)別(bie)保(bao)持(chi)初(chu)始(shi)KDM響(xiang)應的93.2%和(he)98.8%（n=3，均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha)）。(c) 在(zai)處理後豬(zhu)皮膚(fu)樣本(ben)中連續60分(fen)鐘的方(fang)波(bo)伏(fu)安(an)監(jian)測（10 Hz與(yu)100 Hz每(mei)分(fen)鐘交替采集(ji)）。原(yuan)始(shi)電流(liu)信(xin)號(hao)隨時間呈(cheng)現漸(jian)進性漂移，經(jing)KDM差(cha)分(fen)校(xiao)正(zheng)後實現有(you)效穩(wen)定(ding)，證明(ming)該(gai)方(fang)法(fa)在(zai)生(sheng)物組織內(nei)具(ju)備(bei)可(ke)靠的長(chang)期(qi)漂(piao)移(yi)補償(chang)與(yu)濃度變化(hua)檢(jian)測能(neng)力（n=3，均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha)）。

在(zai)大(da)鼠皮(pi)下(xia)組織間液和(he)萵苣莖(jing)部(bu)的實時監測實驗(yan)中，傳感器(qi)成(cheng)功追(zhui)蹤到(dao)L-色氨(an)酸(suan)的動(dong)態波動(dong)。動(dong)物實驗(yan)顯示，皮質酮註射後L-色氨(an)酸(suan)濃度顯著下(xia)降，而植(zhi)物監(jian)測則揭(jie)示(shi)了(le)不(bu)同(tong)生長(chang)階(jie)段L-色氨(an)酸(suan)的濃度變化(hua)規(gui)律。

圖5. (a) 對(dui)照組（大(da)鼠1號(hao)與(yu)2號(hao)）：t = 30分(fen)鐘時皮下(xia)註射生理鹽水後ISF L-色氨(an)酸(suan)濃度隨(sui)時間變化(hua)曲(qu)線；(b) 註射前(qian)後平均(jun)濃度對(dui)比(bi)。(c) 實驗(yan)組（大(da)鼠3號(hao)與(yu)4號(hao)）：t = 60分(fen)鐘時皮下(xia)註射皮質酮（10 mg/kg）後ISF L-色氨(an)酸(suan)濃度隨(sui)時間變化(hua)曲(qu)線；(d) 皮質酮給藥(yao)前(qian)後平均(jun)濃度對(dui)比(bi)。(e) 皮質酮處理下(xia)L-色氨(an)酸(suan)波動(dong)示意圖。所(suo)有(you)數據(ju)以均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤差(cha)表示(shi)（n=2只(zhi)大(da)鼠；讀(du)數(shu)次(ci)數(shu)：註射前(qian)=6次(ci)，註射後=18次(ci)），采(cai)用(yong)配(pei)對(dui)t檢(jian)驗(yan)， p ≤ 0.01，* p ≤ 0.001。

圖6. (a) 生(sheng)菜(cai)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)中L-色氨(an)酸(suan)波動(dong)示意圖。(b) 生(sheng)菜不(bu)同(tong)生長(chang)階(jie)段L-色氨(an)酸(suan)濃度的動(dong)態變化(hua)連(lian)續監測。在(zai)莖(jing)-葉柄(bing)連接(jie)處每3天(tian)測量壹(yi)次(ci)，30天(tian)內(nei)共(gong)采集(ji)10個時間點(dian)數(shu)據。數據以均(jun)值(zhi)±標(biao)準(zhun)誤表(biao)示（n=3）。

這(zhe)項(xiang)研(yan)究(jiu)成(cheng)果展(zhan)示了(le)微(wei)針(zhen)適(shi)體(ti)傳感器(qi)在(zai)生(sheng)物監(jian)測領(ling)域(yu)的巨(ju)大(da)潛(qian)力，為臨床診(zhen)斷(duan)和精(jing)準(zhun)農業提供(gong)了新(xin)的技術(shu)手(shou)段(duan)。摩方精(jing)密(mi)的微(wei)納(na)3D打(da)印(yin)技術(shu)在(zai)這(zhe)壹(yi)突(tu)破(po)性研(yan)究(jiu)中證明(ming)了(le)其在(zai)生(sheng)物醫(yi)學(xue)工(gong)程領域(yu)的應(ying)用(yong)價值(zhi)。隨(sui)著(zhe)精(jing)準(zhun)醫(yi)療(liao)和(he)智(zhi)能(neng)農業的不(bu)斷(duan)發展(zhan)，對(dui)實時監測技術(shu)的需(xu)求將持(chi)續增(zeng)長。摩方精(jing)密(mi)的高(gao)精(jing)度制(zhi)造(zao)能(neng)力將為(wei)更多(duo)創新(xin)生(sheng)物傳感器(qi)的開(kai)發(fa)提(ti)供(gong)技術(shu)支(zhi)持(chi)，推(tui)動(dong)相關行(xing)業的技術(shu)進步(bu)。

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