武汉大学破解植物生理监测难题！阴极光电化学传感实现植物H2O2精准检测

活性氧（ROS）是生物体中至关重要的信号分子，能够调控多种生物过程。在植物体内，基础ROS水平不仅介导正常的生长发育，还通过精细调控的氧化还原网络通路，调控代谢、衰老及程序性细胞死亡等关键生理功能。此外，当植物遭受生物或非生物胁迫（如病原体侵袭、干旱或创伤）时，ROS会迅速积累，从而对作物产量产生不利影响。其中，H2O2被认为是主要的ROS，在细胞间和细胞内通讯中发挥关键信号转导作用。因此，植物中H2O2的监测对于揭示胁迫信号及相关生理机制至关重要。

近期，武汉大学的黄卫华教授联合湖北大学陈苗苗教授在《Advanced Functional Materials》国际期刊上在线发表题为“Tetraphenylethylene-equipped Graphene Quantum Dots Heterostructure with Enhanced Cathodic Photoelectrochemical Signal for Hydrogen Peroxide Detection in Plants"的原创性研究论文。该研究采用阴极光电化学（PEC）传感方法，并借助水凝胶微针，实现了对植物体内H2O2监测。

作者首先设计和制备了具有阴极响应的光电材料（图1）。其核心策略是将富含π电子的四苯基乙烯（TPE）分子与p型石墨烯量子点（GQDs）通过π-π堆积作用组装形成TEGQDs异质结。通过供体-受体协同作用，以及异质结内部建立的快速电子传输通道，有效解决了单一石墨烯量子点载流子复合严重的问题。

与纯GQDs修饰的ITO电极（GQDs/ITO）相比，TEGQDs修饰的ITO电极（TEGQDs/ITO）不仅保留了阴极光电流响应特性，而且其信号强度显著增强。这归因于TPE作为电子供体，能够有效捕获GQDs产生的光生空穴，从而抑制电子-空穴对的复合（图2）。

为了提高检测的灵敏度，向检测体系中引入了4-氯-1-萘酚（4-CN）。在H2O2存在下，TEGQDs继承GQDs的类过氧化物酶活性可催化4-氯-1-萘酚氧化，在传感电极表面生成不溶性沉淀物，从而降低光电流响应。基于上述策略，该PEC传感器对H2O2的检测线性范围宽，检测限低至70.2 nM，并展现出优异的选择性，可抵御多种植物内源分子干扰（图3）。

为将该方法推向实际应用，该研究进一步将PEC传感器与微创微针提取技术相结合，构建了一套稳定的分析系统（图4）。在微针设计上，作者采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm）制备了15 × 15微针模板，并在此基础上制备了水凝胶微针。该微针在提取叶片汁液时，将微针置于叶片表面，随后通过手指施加压力进行数秒的刺穿操作。之后剥离微针，叶片表面会保留完整的多孔阵列（15×15），表明微针插入率达到了100%。利用这一方法，该系统不仅成功用于多种植物叶片中H2O2的定量测定，还监测了番茄叶片在多种生物胁迫（灰葡萄孢菌）和非生物胁迫（机械损伤、高温）下的H2O2波动，检测结果与比色法高度一致。

总结：该研究通过π-π堆叠相互作用，制备了一种新型TEGQDs异质结构，成功构建了阴极PEC传感器。进一步结合微针提取技术，成功实现了植物体内H2O2的监测。这一研究为解析植物中活性氧（ROS）介导的胁迫信号传导提供了实用可靠的工具，在精准农业监测和作物管理中具有广泛应用的巨大潜力。尽管由于该传感器与采样微针分离，无法实现对植物ROS的原位在线监测。但作者提出将PEC传感器与微针集成，并结合便携式检测设备及无线通信网络，可实现原位测量与远程在线监测。该方法将进一步拓展PEC传感器在植物信号分子监测中的应用，推动植物健康与胁迫监测向智能化和信息化方向发展。