在精準(zhǔn)醫(yī)療與智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的今天，對(duì)生物體內(nèi)關(guān)鍵分子的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)需求日益迫切。L-色氨酸作為人體必需氨基酸和植物生長(zhǎng)激素前體，其濃度波動(dòng)與情緒調(diào)節(jié)、代謝狀態(tài)及植物生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。然而，傳統(tǒng)檢測(cè)方法如高效液相色譜和質(zhì)譜技術(shù)只能提供離散的離線測(cè)量，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。
近期，國(guó)立陽(yáng)明交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)以“Real-time and continuous L-Tryptophan monitoring by electrochemical aptamer-enabled microneedle sensor array"為題在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究成果——基于微針陣列的電化學(xué)適體傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)L-色氨酸的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。L-色氨酸在哺乳動(dòng)物體內(nèi)是神經(jīng)遞質(zhì)的前體，在植物中則是生長(zhǎng)素吲哚-3-乙酸的前體。傳統(tǒng)檢測(cè)方法雖然靈敏度高，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，且操作復(fù)雜、成本高昂。研究團(tuán)隊(duì)旨在開(kāi)發(fā)一種能夠進(jìn)行皮下組織附著并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)追蹤的微針傳感器，為臨床代謝監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用開(kāi)辟新的可能性。
圖1.（a）集成微針傳感器陣列的示意圖：由14根針組成的一圈排列，其中包括6個(gè)工作電極和8個(gè)參考/對(duì)照電極。（b）基于ETPTA的微針的三維激光共聚焦圖像。（c）電化學(xué)輔助的適配體檢測(cè)機(jī)制：金涂層微針上的自組裝適配體在與 L-色氨酸結(jié)合時(shí)會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化，從而改變MB報(bào)告劑與電極表面之間的距離，進(jìn)而調(diào)節(jié)法拉第電流。（d）體內(nèi)實(shí)時(shí)嚙齒動(dòng)物皮下 ISF 測(cè)量的示意圖。（e）體內(nèi)連續(xù)植物中的示意圖測(cè)量。
研究團(tuán)隊(duì)首先使用摩方精密的nanoArch® S140 （精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)制作初級(jí)微針主模具。14個(gè)針頭采用切向環(huán)形排列，間距為2000 μm，確保了PDMS鑄造的均勻性和皮膚接觸的一致性，成功制備出高度約1500 μm、基部直徑225 μm、半錐角18°的微針結(jié)構(gòu)。隨后，所得微針陣列經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍銀和濺射鍍金的兩步金屬化工藝，形成均勻的金屬涂層，為適體固定提供導(dǎo)電界面。適體功能化是關(guān)鍵步驟，研究團(tuán)隊(duì)在金涂層微針表面自組裝硫醇化DNA適體，形成密集的適體單層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)L-色氨酸的特異性識(shí)別。
圖2. （a）不同 L-Trp 濃度下的奈奎斯特圖。（b）通過(guò)電化學(xué)阻抗譜測(cè)量得出的等效電路的擬合參數(shù)表明，濃度依賴性的變化主要受電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）、溶液電阻（Rs）、雙層電容（Cdl）和沃格伯格擴(kuò)散阻抗（Zw）的影響（n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）。（c）在 10 μM L-Trp 溶液中，SWV 電流增益（%）與頻率的關(guān)系：在 100 Hz 時(shí)正增益（+22.4%），在 10 Hz 時(shí)負(fù)增益（–19.3%），交叉頻率（fc）約為 42.7 Hz，此時(shí)信號(hào)開(kāi)啟和信號(hào)關(guān)閉相交（n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）。不同 L-Trp 濃度下的 SWV 響應(yīng)曲線。（d）在信號(hào)關(guān)閉（10 Hz）時(shí)，電流隨濃度的增加而降低。（e）在信號(hào)開(kāi)啟（100 Hz）時(shí)，電流隨濃度的增加而增加。（f）在 10 μM L-Trp 和高濃度干擾物（L-Arg、L-Cys、L-Phe、L-Tyr、AA、UA、AP：0.5 - 1 mM）下選擇性分析。所有干擾物與 L-Trp 相比響應(yīng)變化均小于 10%，表明具有出色的分子特異性和抗干擾能力（n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）。
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了雙頻方波伏安法與動(dòng)能差測(cè)量校正技術(shù)相結(jié)合的方法，有效解決了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的基線漂移問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試5-200 Hz的頻率范圍，確定10 Hz（信號(hào)關(guān)閉）和100 Hz（信號(hào)開(kāi)啟）為工作頻率。KDM校正模型將長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的漂移從52.7%降低到僅7.3%，顯著提高了傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這一技術(shù)創(chuàng)新使得傳感器能夠在復(fù)雜生物環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。該微針傳感器在1 nM至1 mM的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的檢測(cè)性能，在生理濃度窗口（5-100μM）內(nèi)具有高度線性（R2=0.997）。檢測(cè)限達(dá)到12 nM，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法。傳感器對(duì)類似氨基酸和常見(jiàn)干擾物表現(xiàn)出高度特異性，響應(yīng)變化均小于10%。圖3. (a) 微針傳感器陣列在1 nM至1 mM L-色氨酸范圍內(nèi)的濃度依賴性KDM響應(yīng)，符合Hill-Langmuir等溫線模型，在生理濃度范圍(5–100 μM)內(nèi)呈現(xiàn)高度線性(R2 = 0.997) (n=4，均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)。KDM = 3.739 + (177.857 ? 3.739) × [Target]1.338 / ((2.793×10^?5)1.338 + [Target]1.338)。(b) 長(zhǎng)期方波伏安監(jiān)測(cè)顯示10 Hz和100 Hz通道存在明顯漂移。KDM補(bǔ)償可穩(wěn)定電流響應(yīng)，大幅降低基線漂移。(c) 不同頻率模式下漂移程度的定量比較。KDM處理將漂移幅度降低至7.3% (n=3，均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)。(d) PBS溶液中60分鐘測(cè)試（基線為10分鐘），隨后持續(xù)暴露于35 μM L-色氨酸環(huán)境（后50分鐘）。經(jīng)KDM校正的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，準(zhǔn)確反映設(shè)定濃度。曲線以初始時(shí)間點(diǎn)為零點(diǎn)歸一化(n=3，均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)。(e) 自制流動(dòng)分析平臺(tái)示意圖。(f) 皮下組織間液動(dòng)態(tài)流動(dòng)模擬：分別在30、60、90、120和150分鐘將L-色氨酸濃度調(diào)整為20、40、60、20和0 μM。微針傳感器能快速響應(yīng)濃度變化，在濃度降低時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的恢復(fù)能力，證實(shí)了其穩(wěn)定可逆的工作特性(n=3，均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)。在離體豬皮膚模型中，傳感器經(jīng)過(guò)三次連續(xù)插入仍保持93.2%-98.8%的信號(hào)響應(yīng)，證明了其良好的機(jī)械耐久性和功能涂層穩(wěn)定性。連續(xù)60分鐘的監(jiān)測(cè)顯示，經(jīng)過(guò)KDM校正的信號(hào)保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了傳感器在組織環(huán)境中的長(zhǎng)期可靠性。圖4. (a) 微針傳感器陣列刺入脫細(xì)胞豬皮膚的光學(xué)照片（通過(guò)組織染色觀察）。清晰的穿刺痕跡證實(shí)其成功穿透表皮（A：0.8倍放大；B：5倍局部放大）。(b) 連續(xù)三次穿刺后經(jīng)KDM校正的方波伏安響應(yīng)（100 Hz）。第二次和第三次穿刺分別保持初始KDM響應(yīng)的93.2%和98.8%（n=3，均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）。(c) 在處理后豬皮膚樣本中連續(xù)60分鐘的方波伏安監(jiān)測(cè)（10 Hz與100 Hz每分鐘交替采集）。原始電流信號(hào)隨時(shí)間呈現(xiàn)漸進(jìn)性漂移，經(jīng)KDM差分校正后實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定，證明該方法在生物組織內(nèi)具備可靠的長(zhǎng)期漂移補(bǔ)償與濃度變化檢測(cè)能力（n=3，均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）。在大鼠皮下組織間液和萵苣莖部的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，傳感器成功追蹤到L-色氨酸的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，皮質(zhì)酮注射后L-色氨酸濃度顯著下降，而植物監(jiān)測(cè)則揭示了不同生長(zhǎng)階段L-色氨酸的濃度變化規(guī)律。圖5. (a) 對(duì)照組（大鼠1號(hào)與2號(hào)）：t = 30分鐘時(shí)皮下注射生理鹽水后ISF L-色氨酸濃度隨時(shí)間變化曲線；(b) 注射前后平均濃度對(duì)比。(c) 實(shí)驗(yàn)組（大鼠3號(hào)與4號(hào)）：t = 60分鐘時(shí)皮下注射皮質(zhì)酮（10 mg/kg）后ISF L-色氨酸濃度隨時(shí)間變化曲線；(d) 皮質(zhì)酮給藥前后平均濃度對(duì)比。(e) 皮質(zhì)酮處理下L-色氨酸波動(dòng)示意圖。所有數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示（n=2只大鼠；讀數(shù)次數(shù)：注射前=6次，注射后=18次），采用配對(duì)t檢驗(yàn)， p ≤ 0.01，* p ≤ 0.001。
圖6. (a) 生菜生命周期中L-色氨酸波動(dòng)示意圖。(b) 生菜不同生長(zhǎng)階段L-色氨酸濃度的動(dòng)態(tài)變化連續(xù)監(jiān)測(cè)。在莖-葉柄連接處每3天測(cè)量一次，30天內(nèi)共采集10個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示（n=3）。
這項(xiàng)研究成果展示了微針適體傳感器在生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力，為臨床診斷和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了新的技術(shù)手段。摩方精密的微納3D打印技術(shù)在這一突破性研究中證明了其在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。隨著精準(zhǔn)醫(yī)療和智能農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。摩方精密的高精度制造能力將為更多創(chuàng)新生物傳感器的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
熱門搜索：
摩方精密3D打印
2微米高精度微納3D打印系統(tǒng)
microArch S240A10μm高精度微納3D打印
器官芯片3d打印
nanoArch P14010μm精度微納3D打印系統(tǒng)
nanoArch S1302μm精度微納3D打印系統(tǒng)
微納陶瓷3D打印服務(wù)
nanoArch S14010μm精度微納3D打印系統(tǒng)
nanoArch P15025μm高精密3D打印系統(tǒng)
3D打印微針
microArch S240A光固化陶瓷3D打印機(jī)
微流控芯片3D打印
10微米高精度微納3D打印系統(tǒng)
精密連接器3D打印
nanoArch S1403d打印精密醫(yī)療內(nèi)窺鏡
光固化3D打印
更新時(shí)間：2025-12-29
點(diǎn)擊次數(shù)：129
當(dāng)前位置：
