新加坡A*STAR罗贤俊南洋理工陈晓东Adv. Mater.: 基于热敏水凝胶的可变形离子电极用于对多毛植物的非侵入式电生理研究

【引言】

内源性电信号对于植物感测和响应环境至关重要。环境刺激可以触发广泛的膜电位变化，继之以基因表达的系统性改变，从而进一步调节生理活动。这些电信号被认为是快速响应的长距离信号通路，对植物的生存至关重要。因此，研究植物电生理学为通过先进的电子技术进行植物监测和干预提供了坚实的基础，对于可持续的食物供应和环境保护具有潜在的好处。由于非侵入式植物电生理学在不损害植物的情况下获得的信号的真实性，其优于侵入式的测试方法。但是，植物表面的凹凸不平和不规则造成了与电极紧密接触的巨大障碍。特别是，大多数植物会形成各种形态和密度不同的毛状体，这对于包括凝胶电极在内的常规电极很难适应和粘附。尽管使用软性和粘合性水凝胶可改善与生物组织的接触，但预先形成的固体水凝胶的平坦表面和明确定义的几何形状阻碍了它们与毛状植物表面的保形接触。这种缺乏顺应性会降低粘附力并降低信号传输的稳定性和保真度。另一方面，以液体形式施加到植物上并连接到金属丝的琼脂凝胶和琼脂粘性溶液可以提供改善的顺应性。然而，由于粘附力弱，它们不能适应植物的运动，因此需要严格的固定和小心操作以避免电极脱离。总而言之，基于水凝胶的常规电极在动态测试中缺乏对毛状形貌和植物运动的适应性，而要同时实现贴合性和粘合性是一项挑战。

【成果简介】

植物电生理学为智能植物监测和干预奠定了基础。然而，常规电极的动态形状适应性不足，无法稳定贴合在具有毛发状形态的植物表面，使得稳定和高保真度的非侵入性电生理研究难以实现。A*STAR罗贤俊&南洋理工大学陈晓东使用基于热敏水凝胶的可变形离子电极克服此问题，该电极可从粘性液体逐渐转变为粘弹性凝胶。这种转变使该电极锁定在毛状表面不规则处，并建立了保形和粘合的界面。它的阻抗低至传统水凝胶电极在有毛叶子上的阻抗的十分之一，是其粘合强度的4-5倍。由于提高了导电性和机械强度，可变形电极可在多毛植物上记录一个数量级以上更高的信噪比，并且在植物运动时也可保持高保真记录，从而实现了优于常规水凝胶电极的性能。报道的可变形电极是用于多毛植物电生理学的有效工具，可应用于具有不同纹理的植物以进行高级感测和调节。该成果以题为“A Morphable Ionic Electrode Based on Thermogel for Non-Invasive Hairy Plant Electrophysiology”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.基于热敏水凝胶的可变形电极概述，用于与毛状植物的保形和粘合界面

a）当用于有毛植物电生理学研究时，基于水凝胶的常规电极的示意图 b）在有毛植物上使用可变形电极的示意图 c）EPC热胶凝溶液在0至50°C的温度梯度下的流变学表征，显示其溶胶-凝胶转变 d）在毛状植物上施用的EPC热凝胶的照片显示其与致密毛的保形接触以及倒置时的自立行为 e）EPC热凝胶在剪切试验过程中的照片，表明其机械强度

Figure 2.EPC溶液的流体特性及其与毛状植物的保形接触

a-b）11％EPC热胶凝溶液在0–50°C范围内的粘度和tanδ c-d）比较各种凝胶和溶液在各自应用温度下的粘度和tanδ，显示出EPC热胶凝溶液的低粘度和液体特性，有利于保形接触 e）直方图显示了盐水，EPC溶液和琼脂溶液的液滴在不同表面上的接触角，表明EPC聚合物的表面活性很强 f）应用于大岩桐叶片上的凝胶的横截面扫描电子显微镜图像，显示了EPC热凝胶的高度顺应性 g）叶片表面和凝胶之间的间隙宽度的箱形图

Figure 3.EPC热凝胶的粘合和电学性能

a）直方图显示EPC热凝胶，琼脂凝胶和PAAm水凝胶在Ag/AgCl板和大岩桐有毛叶子上的剪切粘合强度 b）烟草茎上基于凝胶的电极的剪切试验的实验装置示意图 c）剪切试验的代表性载荷-位移曲线，表明基于EPC热凝胶的电极的剪切力比对照组高得多 d-f）在烟草茎上使用基于不同水凝胶的平板电极的快照 g-h）示意图和照片，显示了用于测量多毛叶子上的凝胶电极的阻抗的装置 i）毛状叶片上各种凝胶基电极的平均阻抗和相角 j）直方图比较了在这项研究中与植物电生理相关的三种频率下多毛叶片上的凝胶电极的阻抗

Figure 4.可变形电极对多毛植物中伤害诱发的电位信号的非侵入性监测

a）示意图显示了信号引发和监测的实验设置 b）照片显示电极分别通过EPC热凝胶和PAAm水凝胶粘附在毛状向日葵茎上，描绘了两种凝胶的对比适形性 c）从EPC热凝胶和PAAm水凝胶在向日葵茎上读取的信号幅度的箱形图，这意味着EPC热凝胶的信号强度更高 d）烟草茎上的可变形电极和琼脂凝胶-Ag/AgCl线电极的照片e）火焰实验中来自d中显示电极的信号 f）照片显示在与侵入式Ag/AgCl线进行对比的实验中变形电极的施加过程 g）在火焰测试中从侵入式Ag/AgCl线形电极和可变形电极读取的信号

【小结】

作者展示了一种基于热敏水凝胶的可变形离子电极，该电极利用了两亲柔性聚合物的原位溶胶-凝胶转变，并可以在毛状植物上建立粘合和共形，机械和电的界面，从而实现了高保真的电生理记录。这种可变形电极不仅为基础植物研究提供了有用的工具，而且为植物-电器联通提供了有效的解决方案，为结合了软材料的生物电子学提供了灵感。

文献链接：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供稿编辑。

团队在该领域的相关工作：

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