在精準醫療與智慧農業快速發展的今天，對生物體內關鍵分子的實時連續監測需求日益迫切。L-色氨酸作為人體必需氨基酸和植物生長激素前體，其濃度波動與情緒調節、代謝狀態及植物生長發育密切相關。然而，傳統檢測方法如高效液相色譜和質譜技術只能提供離散的離線測量，無法滿足實時動態監測的需求。
近期，國立陽明交通大學的研究團隊以“Real-time and continuous L-Tryptophan monitoring by electrochemical aptamer-enabled microneedle sensor array"為題在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上發表了一項突破性研究成果——基于微針陣列的電化學適體傳感器，實現了對L-色氨酸的實時連續監測。L-色氨酸在哺乳動物體內是神經遞質的前體，在植物中則是生長素吲哚-3-乙酸的前體。傳統檢測方法雖然靈敏度高，但無法實現實時連續監測，且操作復雜、成本高昂。研究團隊旨在開發一種能夠進行皮下組織附著并實現動態追蹤的微針傳感器，為臨床代謝監測和農業應用開辟新的可能性。
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個工作電極和8個參考/對照電極。（b）基于ETPTA的微針的三維激光共聚焦圖像。（c）電化學輔助的適配體檢測機制：金涂層微針上的自組裝適配體在與 L-色氨酸結合時會發生構象變化，從而改變MB報告劑與電極表面之間的距離，進而調節法拉第電流。（d）體內實時嚙齒動物皮下 ISF 測量的示意圖。（e）體內連續植物中的示意圖測量。
研究團隊首先使用摩方精密的nanoArch® S140 （精度：10 μm）3D打印系統制作初級微針主模具。14個針頭采用切向環形排列，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°的微針結構。隨后，所得微針陣列經過化學鍍銀和濺射鍍金的兩步金屬化工藝，形成均勻的金屬涂層，為適體固定提供導電界面。適體功能化是關鍵步驟，研究團隊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，從而實現對L-色氨酸的特異性識別。
圖2. （a）不同 L-Trp 濃度下的奈奎斯特圖。（b）通過電化學阻抗譜測量得出的等效電路的擬合參數表明，濃度依賴性的變化主要受電荷轉移電阻（Rct）、溶液電阻（Rs）、雙層電容（Cdl）和沃格伯格擴散阻抗（Zw）的影響（n=3，平均值±標準誤差）。（c）在 10 μM L-Trp 溶液中，SWV 電流增益（%）與頻率的關系：在 100 Hz 時正增益（+22.4%），在 10 Hz 時負增益（–19.3%），交叉頻率（fc）約為 42.7 Hz，此時信號開啟和信號關閉相交（n=3，平均值±標準誤差）。不同 L-Trp 濃度下的 SWV 響應曲線。（d）在信號關閉（10 Hz）時，電流隨濃度的增加而降低。（e）在信號開啟（100 Hz）時，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±標準誤差）。
研究團隊開發了雙頻方波伏安法與動能差測量校正技術相結合的方法，有效解決了長期監測中的基線漂移問題。通過系統測試5-200 Hz的頻率范圍，確定10 Hz（信號關閉）和100 Hz（信號開啟）為工作頻率。KDM校正模型將長期監測中的漂移從52.7%降低到僅7.3%，顯著提高了傳感器的穩定性和準確性。這一技術創新使得傳感器能夠在復雜生物環境中保持穩定的性能表現。該微針傳感器在1 nM至1 mM的濃度范圍內表現出優異的檢測性能，在生理濃度窗口（5-100μM）內具有高度線性（R2=0.997）。檢測限達到12 nM，遠優于傳統檢測方法。傳感器對類似氨基酸和常見干擾物表現出高度特異性，響應變化均小于10%。圖3. (a) 微針傳感器陣列在1 nM至1 mM L-色氨酸范圍內的濃度依賴性KDM響應，符合Hill-Langmuir等溫線模型，在生理濃度范圍(5–100 μM)內呈現高度線性(R2 = 0.997) (n=4，均值±標準誤差)。KDM = 3.739 + (177.857 ? 3.739) × [Target]1.338 / ((2.793×10^?5)1.338 + [Target]1.338)。(b) 長期方波伏安監測顯示10 Hz和100 Hz通道存在明顯漂移。KDM補償可穩定電流響應，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±標準誤差)。(d) PBS溶液中60分鐘測試（基線為10分鐘），隨后持續暴露于35 μM L-色氨酸環境（后50分鐘）。經KDM校正的數據保持穩定，準確反映設定濃度。曲線以初始時間點為零點歸一化(n=3，均值±標準誤差)。(e) 自制流動分析平臺示意圖。(f) 皮下組織間液動態流動模擬：分別在30、60、90、120和150分鐘將L-色氨酸濃度調整為20、40、60、20和0 μM。微針傳感器能快速響應濃度變化，在濃度降低時表現出優異的恢復能力，證實了其穩定可逆的工作特性(n=3，均值±標準誤差)。在離體豬皮膚模型中，傳感器經過三次連續插入仍保持93.2%-98.8%的信號響應，證明了其良好的機械耐久性和功能涂層穩定性。連續60分鐘的監測顯示，經過KDM校正的信號保持穩定，驗證了傳感器在組織環境中的長期可靠性。圖4. (a) 微針傳感器陣列刺入脫細胞豬皮膚的光學照片（通過組織染色觀察）。清晰的穿刺痕跡證實其成功穿透表皮（A：0.8倍放大；B：5倍局部放大）。(b) 連續三次穿刺后經KDM校正的方波伏安響應（100 Hz）。第二次和第三次穿刺分別保持初始KDM響應的93.2%和98.8%（n=3，均值±標準誤差）。(c) 在處理后豬皮膚樣本中連續60分鐘的方波伏安監測（10 Hz與100 Hz每分鐘交替采集）。原始電流信號隨時間呈現漸進性漂移，經KDM差分校正后實現有效穩定，證明該方法在生物組織內具備可靠的長期漂移補償與濃度變化檢測能力（n=3，均值±標準誤差）。在大鼠皮下組織間液和萵苣莖部的實時監測實驗中，傳感器成功追蹤到L-色氨酸的動態波動。動物實驗顯示，皮質酮注射后L-色氨酸濃度顯著下降，而植物監測則揭示了不同生長階段L-色氨酸的濃度變化規律。圖5. (a) 對照組（大鼠1號與2號）：t = 30分鐘時皮下注射生理鹽水后ISF L-色氨酸濃度隨時間變化曲線；(b) 注射前后平均濃度對比。(c) 實驗組（大鼠3號與4號）：t = 60分鐘時皮下注射皮質酮（10 mg/kg）后ISF L-色氨酸濃度隨時間變化曲線；(d) 皮質酮給藥前后平均濃度對比。(e) 皮質酮處理下L-色氨酸波動示意圖。所有數據以均值±標準誤差表示（n=2只大鼠；讀數次數：注射前=6次，注射后=18次），采用配對t檢驗， p ≤ 0.01，* p ≤ 0.001。
圖6. (a) 生菜生命周期中L-色氨酸波動示意圖。(b) 生菜不同生長階段L-色氨酸濃度的動態變化連續監測。在莖-葉柄連接處每3天測量一次，30天內共采集10個時間點數據。數據以均值±標準誤表示（n=3）。
這項研究成果展示了微針適體傳感器在生物監測領域的巨大潛力，為臨床診斷和精準農業提供了新的技術手段。摩方精密的微納3D打印技術在這一突破性研究中證明了其在生物醫學工程領域的應用價值。隨著精準醫療和智能農業的不斷發展，對實時監測技術的需求將持續增長。摩方精密的高精度制造能力將為更多創新生物傳感器的開發提供技術支持，推動相關行業的技術進步。
更新時間：2025-12-29
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