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2025 , Vol. 7 >Issue 3: 69 - 88

DOI: https://doi.org/10.12133/j.smartag.SA202502023

综合研究

电化学传感器应用于植物活性小分子检测综述

  • 张乐 ,
  • 李爱学 ,
  • 陈立平
展开
  • 北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097
李爱学，博士，研究员，研究方向为农业传感器。E-mail：

张 乐，硕士，研究方向为电化学传感器。E-mail：

收稿日期: 2025-02-27

  网络出版日期: 2025-05-16

基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFD2002301)

国家自然科学基金地区联合基金(U23A20173)

收起

Electrochemical Sensors for Plant Active Small Molecule Detection: A review

  • ZHANG Le ,
  • LI Aixue ,
  • CHEN Liping
Expand
  • Intelligent Equipment Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
LI Aixue, E-mail:

ZHANG Le, E-mail:

Received date: 2025-02-27

  Online published: 2025-05-16

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2022YFD2002301)

National Natural Science Foundation of China Regional Joint Fund(U23A20173)

Copyright

copyright©2025 by the authors
Fold

摘要

【目的/意义】 植物活性小分子在调节植物生长及抵御环境胁迫等方面起到关键作用，对其进行精准检测对于实现农业的精准管理、推动智慧农业发展具有重要意义。多种检测方法已被用于植物活性小分子检测。其中，电化学传感器以其灵敏、便携及低成本等特点而备受关注。 【进展】 通过检索相关文献，本文深入分析了电化学传感器在植物活性小分子检测领域的研究现状，详细分析了每种传感器的感知原理、信号放大策略及应用潜力等，探讨了传感器从离体检测到活体、原位检测的发展趋势，纳米材料在感知过程中的重要作用，与柔性电子、人工智能技术的结合情况等。 【结论/展望】 总结了目前电化学传感器在植物活性小分子检测领域所面临的技术挑战，并分析了下一步的发展方向，包括传感性能的提升、电解质材料的优化，以及传感器与微电子、人工智能技术的融合等。本研究可为植物小分子电化学传感器的技术研发和应用提供参考。

关键词： 电化学传感器; 植物活性小分子; 离体检测; 活体检测; 人工智能; 传感器

本文引用格式

张乐 , 李爱学 , 陈立平 . 电化学传感器应用于植物活性小分子检测综述[J]. 智慧农业, 2025 , 7(3) : 69 -88 . DOI: 10.12133/j.smartag.SA202502023

Abstract

[Significance] Plant active small molecules play an indispensable role in plants. They form the basis of the core physiological mechanisms that regulate the plant growth and development and enhance resilience to environmental stress. Achieving highly precise quantitative analysis of these active small molecules is therefore vital for promoting precise management practice in the agricultural and accelerating the development of smart agriculture. Currently, various technologies exist for the detection and analysis of these small molecules in plants. Among them, electrochemical sensing platforms have attracted extensive attention due to their significant advantages, including high sensitivity, excellent selectivity, and low cost. These advantages enable them to effectively detect trace levels of various active small molecules in plant samples. They also have the potential for real-time and in-situ detection. [Progress] Based on a comprehensive review of relevant academic literature, this article systematically summarizes the current research progress and status of electrochemical sensors applied in detecting plant active small molecule. Based on this, the article further analyzes the core sensing mechanisms of different electrochemical sensors types, signal amplification technologies for enhancing detection performance, and their huge potential in practical applications. Furthermore, this paper explores a notable development direction in this field: Sensor technology is evolving from the traditional in vitro detection mode to more challenging in vivo detection and in-situ real-time monitoring methods. Meanwhile, the article particularly emphasizes and elaborates in detail the indispensable and significant role of nanomaterials in key links such as constructing high-performance sensing interfaces and significantly enhancing detection sensitivity and selectivity. Finally, it prospectively discusses the innovative integration of electrochemical sensors with cutting-edge flexible electronic technology and powerful artificial intelligence (AI)-based data analysis, along with their potential for broad application. [Conclusions and Prospects] This article comprehensively identifies and summarizes the core technical challenges that electrochemical sensors currently face in detecting plant active small molecule. In terms of environmental detection, due to the influence of the complex matrix within plants, the response signal of the sensor is prone to drift, and its stability and sensitivity show a decline. Regarding electrolytes, the external application of liquid electrolytes dilutes the target molecules concentration in plant samples, lowering the detection accuracy. Furthermore, the transition from principle development to mature productization and industrialization of electrochemical sensors is relatively lengthy, and there are few types of sensors available for the detection of plant physiological indicators: Limiting their application in actual agricultural production. On this basis, the article prospectively analyzes the key directions of future research. First, continuously improving sensor performance indicators such as sensitivity, selectivity and reliability. Second, exploring and optimizing electrolyte material systems with stronger adaptability to significantly improve detection accuracy and long-term stability. Third, promoting deeper integration and innovation of sensor technology with advanced micro-nano electronic technology and powerful AI algorithms. The core objective of this review is to provide a theoretical guidance framework for in-depth research and systematic performance optimization of electrochemical sensing technology for plant active small molecules, as well as practical guidance for the actual application of related sensors in complex plant substrate environments.

Key words： electrochemical sensor; plant active small molecules; in vitro detection; in vivo detection; artificial intelligence; sensor

0 引 言

随着气候变化加剧，干旱、洪涝等各种极端气候环境严重影响作物的生长及产量，世界人口的增长更加剧了对粮食的需求。为提高作物产量，保障粮食安全，传统农业正加速向智慧农业转型，以实现农业的精准化、智能化管理，提高农业资源利用率。作物的生长生理状态与其产量密切相关，对其进行精准监测能够为农业的精准管理提供数据支撑，推动智慧农业的快速发展。
植物在生命活动中会产生系列具有生物活性的小分子，参与植物组织器官的形成、籽粒果实的产量形成以及环境适应等过程，维持植物的正常生长发育。这类小分子主要包括植物激素、糖类、氨基酸、有机酸、维生素、酚类、生物碱、萜类及活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）分子等［1］。其中，植物激素是在植物体内合成的、对植物的生命活动产生显著调节作用的微量有机物，目前已发现的植物激素包括生长素、水杨酸（Salicylic Acid, SA）、脱落酸（Abscisic Acid, ABA）、细胞分裂素、赤霉素（GibberellinA3, GA3）、乙烯（Ethylene, C2H4）、茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）、油菜素甾醇及独脚金内酯等［2］；糖类包括葡萄糖、果糖等，主要为植物生命活动提供能量［3］；有机酸包括柠檬酸（Citric Acid）、苹果酸等，参与植物能量的循环［4］；氨基酸主要包括赖氨酸、色氨酸（Tryptophan, Trp）、谷氨酸等20种，参与植物体内酶、蛋白质的合成和细胞构成［5］；维生素主要包括维生素B、维生素E、维生素C、维生素H等，影响植物的生长、细胞分裂、开花及衰老的过程［6］；酚类、生物碱和萜类属于植物次生代谢产物［7］，虽然不是植物生存的必需物质，但对于植物适应环境、防御胁迫起着关键作用［8］；ROS是植物细胞内一类氧衍生分子，由光合作用、呼吸作用和氧化等代谢行为产生，具有较高的化学活性，主要包括过氧化氢（Hydrogen Peroxide, H2O2）、羟基自由基（OH-）和超氧阴离子（O2-）等［1］。ROS在植物体内扮演着“双刃剑”角色，一方面，ROS是重要的第二信使之一，参与植物的生长发育和胁迫响应。另一方面，高浓度的ROS能够导致植物大分子的氧化损伤，例如脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA损伤等［9］。
基于植物活性小分子在植物生命中的重要作用，获取不同时空分辨率上小分子的含量信息对于了解植物的生理状态、研究其生理调控机制具有重要意义。植物小分子的浓度较低，一般在µmol/L或nmol/L数量级甚至更低［10］，这给它们的精确检测带来挑战。目前已经建立的测定方法主要有生物测定法［11］、光谱法［12］、色谱法（包括气相色谱法［13］、高效液相色谱法［14］、液相色谱-质谱联用法［15］、气相色谱-质谱联用法［16］等）、免疫法（酶联免疫吸附法）［17］、电化学传感法等。其中，电化学传感器凭借着优异的灵敏度和选择性、较低的成本、易于集成和便携等特点而备受关注［18］。
随着纳米科技、微电子技术和人工智能（Artificial Intelligence, AI）技术的发展，植物小分子检测领域也出现了新的发展趋势：一是由离体检测向原位、活体检测过渡。传统的检测方法是将植物的离体样本带回实验室进行检测，而传感器的微型化和智能化使得对植物进行原位、活体检测成为可能；二是基于新材料的新型传感原理和方法不断涌现。石墨烯、碳纳米管、二维过渡金属硫化物等新型材料不断应用于传感器敏感膜的制备中，显著提升了传感器的检测性能。另外，柔性电子材料更适合贴合于植物表面，正逐步代替传感器的刚性基底材料，各种可穿戴传感器蓬勃发展，有利于传感器的原位、连续监测；三是与AI的结合越来越紧密。通过各种智能模型和算法的应用，显著提高了传感器的准确性及抗干扰性能，而AI与可穿戴传感器的融合对于智能分析植物生理信息有着重要意义，推进了“植物互联网”概念的实现。为阐明各类电化学传感器的感知原理和技术突破，推动电化学传感器在植物活性小分子检测领域的应用，本文从离体检测和活体检测两方面分析了近年来电化学传感器在植物小分子检测领域的研究现状，详细介绍了植物小分子检测领域出现的各种新原理和新方法，及与AI的结合情况，并展望了植物小分子检测传感器发展面临的挑战及未来发展方向。图1展示了本文的框架路线图。
图1 本研究框架路线图

Fig. 1 Framework roadmap of this research

1 电化学传感器离体检测植物小分子

离体检测是指将植物样本从植物体上采集下来后离开植物本体，经过研磨、离心、抽提等操作，进而对获得的植物汁液通过一定检测手段进行的检测。目前大多数的电化学传感器都应用于离体检测，能够检测的植物活性小分子主要包括：植物激素中的吲哚-3-乙酸（3-Indoleacetic Acid, IAA）、水杨酸、脱落酸、赤霉素（Gibberellin A3, GA3）、茉莉酸甲酯及细胞分裂素等；糖类中的葡萄糖、果糖等；氨基酸中的色氨酸、脯氨酸、丝氨酸、缬氨酸及苯丙氨酸等；有机酸中的柠檬酸等；维生素中的维生素C、维生素B2（Riboflavin, RF）等；酚类中的没食子酸（Gallic Acid, GA）、咖啡酸（Affeic Acid）等；类黄酮中的槲皮素（Quercetin, Qu）、木犀草素（Luteolin, Lu）等；萜类的熊果酸（Ursolic Acid, UA）；以及活性氧中的H2O2等。

1.1　直接型电化学传感器

对于具有电化学活性的植物小分子，在电极表面可以发生特异性的催化反应，根据其特异的氧化还原电位可以实现其直接检测，此类传感器被称为直接型电化学传感器。这类传感器只能应用于具有电化学活性的小分子。

1.1.1　传统传感器

随着材料科学和纳米技术的发展，多种具有良好导电性、大比表面积及生物相容性的新型纳米材料被应用到传感器的制备中，有效增强了传感器对目标分子的电催化性能，从而获得更高的电化学信号［19］。为了叙述方便，本文中将只通过纳米材料修饰电极（未采用其他感知策略，如比率型传感器等）、用于检测单一物质的传感器归为传统传感器。
生长素是最早发现的植物激素，可以促进植物根茎生长、开花和衰老，提高植物的胁迫耐受性等［20］，可细分为吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丁酸及4-氯-IAA等多种，其中用于IAA测定的电化学传感器的研究较多。Prajapati等［21］以钯掺杂氧化锌（Pd-ZnO）和二维六方氮化硼（h-BN）修饰玻碳电极（Glassy Carbon Electrode, GCE），Pd-ZnO/h-BN具有丰富的活性位点和快速的电荷转移能力，对IAA具有协同催化作用，从而实现了绿豆和小麦幼苗提取物中IAA检测。目标分析物在电极上的富集水平与传感器的检测性能密切相关，Rabie等［22］制备的氧化锌纳米颗粒具有较高的活性比表面积，在pH较低的电解液中，传感界面的正电荷基团（ZnOH2+）对IAA有明显的吸附特性，增加了IAA在传感界面的富集，实现了IAA在豆类、小麦种子等多种农作物果实中的痕量测定。电化学传感器与物联网联用具有巨大的潜力。Shao等［23］采用水热法将三维还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide, RGO）与金纳米颗粒制备成复合纳米材料（Au-3DRGO），氧化还原石墨烯互连多孔的网状结构具有更高的比表面积，可以为金纳米颗粒提供丰富的附着点。复合材料有着更高的导电率及活性表面积，利用二者的协同效应对丝网印刷碳电极（Screen-Printed Carbon Electrode, SPCE）进行改性，提高了传感器的灵敏度，进一步采用便携式电化学检测仪，通过蓝牙传输将豆芽样品的IAA水平实时显示在手机上（图2a），可用于远程监控及管理。
图2 用于吲哚-3-乙酸和水杨酸检测的电化学传感器构建示意图

Fig. 2 Schematic diagram of the construction of an electrochemical sensor for the detection of indole-3-acetic acid and salicylic acid

水杨酸在植物抗病性及防御胁迫等方面发挥关键作用［24, 25］。Cosnier等［26］报道了基于水杨酸羟化酶对水杨酸催化机制的酶电化学传感器，但受酶活性的限制，传感器较难获取稳定的响应。而纳米材料不仅具有优异的催化特性，而且具有更优的导电性、生物相容性及稳定性，可用来直接对水杨酸进行催化氧化。Kashyap和Kumar［27］通过电还原法得到电还原氧化石墨烯（Electroreduced Reduced Graphene Oxide, ERGO），利用ERGO修饰的SPCE对水杨酸具有良好的催化能力，并使用该传感器检测了橙汁样品中水杨酸。Li等［28］以激光直写技术（Laser-Induced Porous Graphene, LIPG）在聚酰亚胺上构建了一次性LIPG电极，如图2b所示，该电极在多次弯曲和拉伸中能够保持出色的稳定性，并实现水杨酸的灵敏检测，进一步通过人工智能算法显著提升传感器的线性R 2值，表明机器学习模型能够对水杨酸的定量分析进行更好的线性拟合。
赤霉素及细胞分裂素的电活性较弱，但多种高催化特性的纳米材料为实现它们的直接检测提供了可能。非离子聚合物聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl Pyrrolidone, PVP）有利于电子快速转移，与具有电催化特性的5-乙基-5-苯基巴比妥酸（EPBA）协同对铅笔石墨电极（Pencil Graphite Electrode, PGE）进行修饰，GA3在EPBA/PVP/PGE电极上的氧化电流约为裸电极的20倍，能够实现nmol/L水平的灵敏检测，并成功用于小麦胚芽、大米样品分析［29］。细胞分裂素主要包括异戊烯腺嘌呤、玉米素、二氢玉米素及激动素（Kinetin, KT）等。其中，关于激动素的直接型电化学传感器研究较多。激动素对于植物幼苗分化有决定性作用，Zhang等［30］采用电化学剥离的方式制备了石墨烯（eGr），有效改善了玻碳电极的比表面积和导电性，增加了激动素的预富集，该传感器检测限低至150 nmol/L。由于实际植物体内的激动素水平普遍更低，甚至达到pmol/L级，目前直接型电化学传感器还无法实现该层级激动素的直接测定，仍需探究相关的信号增强策略。如Li等［31］将细胞分裂素氧化酶（Cytokinin Oxidase, OsCKX4）表达在大肠杆菌表面并修饰在电极上，当加入异戊烯腺嘌呤（N6-（2-Isopentenyl）Adenosine, IPA）后，OsCKX4的FAD辅因子的还原峰下降，从而进行绿豆芽样品中IPA的检测，检测限为0.7 µM。但是细胞分裂素氧化酶的作用底物不只有IPA，含有不饱和n6侧链的细胞分裂素都易被细胞分裂素氧化酶切割，所以仍需探寻进一步提升选择性的方法。
葡萄糖是植物体内核心的单糖分子，不仅是光合作用、呼吸作用和分解代谢等生理行为的参与者，而且是多种生物大分子的前体物质。电化学酶传感器是检测葡萄糖的常用类型，主要原理为葡萄糖在葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase, GOx）的催化反应中产生H2O2，H2O2在电极表面发生氧化还原反应，产生响应信号。Wu等［32］在具有泡沫状纳米孔结构的铂电极（NPPt）上电沉积3D结构的氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO），较高的比表面积和丰富的吸附位点有利于提升NPPt/GO表面的GOx负载量，能够实现番茄和黄瓜中葡萄糖的快速、灵敏检测。而随着多种具有类酶活性的纳米材料的发展，非酶传感器在葡萄糖检测中表现出更高的稳定性。Solangi等［33］利用芥菜叶提取液调控镍钴双金属氧化物的表面性质，保留形貌的同时减小其尺寸，提升纳米材料的活性面积，将其沉积到玻碳电极上后，显著增强了电极对葡萄糖的催化性能。
维生素是人体所需的有机化合物，通常需从水果、蔬菜中获取，其中，L-抗坏血酸（L-Ascorbic Acid, AA），即维生素C是植物体内重要的水溶性抗氧化剂之一，参与植物细胞的生长发育和逆境响应，当植物体内ROS水平较高时，它们可以通过供氢反应中和ROS，降低氧化损伤。为实现AA的灵敏检测，Magar等［34］基于磺酰胺衍生物的羟醛缩合反应合成了一种新型单体材料，并使用自由基介导的接枝聚合方法制备了用聚磺酰胺衍生物水凝胶接枝的明胶（Gel-g-PS），与裸丝网印刷电极（Screen-Printed Electrodes, SPE）相比，Gel-g-PS可以显著提升SPE对维生素C的电化学催化活性，检测限（Limit of Detection, LOD）低至0.03 μg/L，并成功用于柠檬、橙子和芒果提取液中维生素C的检测。
氨基酸是植物生命活动的核心分子，不仅参与植物的代谢调控、逆境响应和信号传递等过程，而且还是蛋白质的组成单元。其中，缬氨酸能够提高种子发芽率和促进根系发育，丝氨酸参与细胞组织分化，苯丙氨酸不仅对植物繁殖、生长发育和防御胁迫具有关键作用，而且是多种代谢物的前体，如花青素、酚酸和木质素等。为实现该三种氨基酸的检测，Tayyab等［35］通过电沉积法将氧化铁/六氰基铁导电材料修饰在SPCE电极表面，采用循环伏安法实现了0.1~0.5 M范围内的缬氨酸、0.1~0.5 mM范围内的丝氨酸以及0.1~0.4 mM范围内的苯丙氨酸的检测。
柠檬酸是一种天然存在于植物中的有机酸，主要存在于液泡或果实、叶片等一些特定器官，广泛参与植物的代谢过程，并在抗逆性等方面发挥重要作用。如图3a所示，Rahman等［36］利用共沉积技术将氧化锌（ZnO）和氧化铜（CuO）进行复合，形成ZnO/CuO NCs纳米复合材料，用其修饰的玻碳电极成功用于橙子、柠檬、黄瓜、苹果和番茄等多种果汁中柠檬酸的检测。
图3 用于植物小分子检测的直接型电化学传感器构建示意图

Fig. 3 Schematic diagram of the construction of a direct electrochemical sensor for the detection of small molecules in plants

酚类是植物体内一类重要的次生代谢物，主要分为酚酸、类黄酮、木质素、单宁等。没食子酸是一种酚酸类代谢物，广泛存在于富单宁植物和药用植物中，在植物生长调节、抗逆性（如抗氧化、抗紫外、抗病菌等）等方面发挥着重要作用，且具有较高的电化学活性。Krishnan等［37］先用氧化石墨烯修饰玻碳电极，提升了电极表面的比表面积，为后续电沉积亚甲基蓝提供丰富的吸附位点，改性后的传感器能够用于商用大戟药材提取物中没食子酸水平的测定。咖啡酸是另一种具有较强电活性的酚酸，广泛分布于咖啡豆、苹果皮、葡萄、胡萝卜及一些药用植物中，是植物抗菌、抗病毒等抗逆活动的重要参与者，而且对于人体，过量的摄入咖啡酸具有致癌的风险，所以实现水果中咖啡酸水平的准确检测有着重要意义。Ma等［38］将锌金属有机框架（ZnO-L-BPDC）、RGO和球形石墨（Spherical Graphite, SG）组成ZnO-L-BPDC/RGO/SG复合材料修饰电极，通过富集性测试可以发现咖啡酸与电极表面有着极强的互作，提升了传感器的灵敏度、重现性和选择性，并用于樱桃、蓝莓、葡萄和番茄样品中咖啡酸检测。槲皮素、木犀草素是类黄酮次生代谢物中电活性较高的两种物质。槲皮素广泛分布于洋葱皮、苹果、银杏叶等植物中，具有强抗氧化性，并具有较高的药用价值，如抗衰老、抗炎和抗癌辅助治疗。Zhong等［39］合成的镍钴层状双氢氧化物（Nickel Cobalt Layered Double Hydroxides, NiCo-LDH）为立方中空结构，具有较高的比表面积和更多的离子扩散通道，并通过静电自组装法和Mxenes（Ti3C2Tx）组成复合材料（NiCo-LDH/Ti3C2Tx Mxenes）（图3b），NiCo-LDH可以扩大Mxenes的层间距，提升电子传输速率，增强传感器的响应速度，且其亲水性可以使电极充分接触待测液，有利于溶液中槲皮素的完全氧化，该材料改性的玻碳电极成功用于洋葱、黄柏、藜麦等植物样品中槲皮素检测。木犀草素广泛存在于芹菜、欧芹、洋甘菊、柑橘类果皮及多种药用植物中，尤其在叶片和花朵中含量较高，常以糖苷形式存在，能够促进花粉管伸长及种子萌发。Wang等［40］构建了一种木犀草素检测的Co@NCF/MoS2-MWCNTs/玻碳电极传感器（图3c），其中，Co@NCF由沸石咪唑酯骨架（ZIF-67）和Co纳米颗粒复合制备，Co具有较强的电催化活性，可以弥补ZIF-67低导电率的限制，而MoS2和MWCNTs两种材料的复合进一步提高了电极比表面积和电子转移速率，传感器呈现较高的灵敏度和稳定性，并用于菊花、花生壳和金银花提取物木犀草素的分析。Xu等［41］在玻碳电极上逐层修饰多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）和牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin, BSA）的混合溶液、漆酶和二氧化钛（TiO2）的混合溶液，利用漆酶的催化作用，制备的传感器成功应用于蒲公英等提取物中木犀草素的高选择性检测。
熊果酸是一种三萜类化合物，在植物抗氧化、抗菌、抗虫害等抗逆反应中发挥重要作用，并且，熊果酸可以作为碳源物质存储在叶片、果皮中，供植物进行能量代谢。Oancea等［42］评估了石墨和碳纳米颗粒制备的G-CN电极、壳聚糖（Chitosan, CHIT）改性的CHIT/G-CN电极和四苯基卟啉钴（Ⅱ）（Co（II）TPP）改性的Co（II）TPP/G-CN电极三种安培型微传感器对熊果酸的检测能力，实现对云杉三个不同部位样品（云杉树脂、云杉果、云杉果和芽的混合物）提取的精油进行了熊果酸的检测。
H2O2是植物活性氧中具有电活性的代表物质，可直接发生电化学氧化还原反应。Zhang等［43］构建了一种H₂O₂电化学传感器，该传感器采用多壁碳纳米管-碳化钛-钯（MWCNT-Ti3C2Tx-Pd）纳米复合材料修饰玻碳电极，Ti3C2Tx和Pd对H2O2具有强催化能力，结合物化特性稳定的MWCNT，能够实现H2O2的灵敏检测，若将盐胁迫处理的拟南介叶片放入PBS中进行检测，能够评估8小时内H2O2的波动。Mihailova等［44］通过水热法制备了CuO（以铜线为基底）和Co3O4（以铁丝为基底）两种纳米结构的电极，均匀、坚固的纳米结构表现了出色的催化能力，两个电极的同时使用可以显著提升检测精度。利用两种电极分别对盐和草甘膦胁迫下黑麦的H2O2水平进行评估，H2O2呈上升趋势，同时采用光学方法检测了相应的叶绿素水平，发现随着H2O2的上升叶绿素呈下降趋势，证实了植物中H2O2水平的升高会引起植物生命功能的下降。
借助于纳米材料的强催化能力，这类电化学传感器在对具有电活性的植物小分子的检测分析中展示了强大的应用潜力。该类传感器的感知性能主要取决于电极的基底特性和纳米材料的特性，所以开发新型的电极基底材料及具有高导电性、高催化能力及生物相容性的纳米材料是提高传感器检测性能的核心途径。

1.1.2　比率型传感器

比率传感策略是一种提高传感器检测精度的有效方法。区别于传统的单信号输出，比率型传感器向传感体系中引入具有电氧化还原性质的探针分子，在获取靶分子响应信号的同时获取参考探针信号，通过计算二者信号的比值来作为总输出信号。该策略的优势在于当传感器受到复杂介质、电路扰动及外部环境影响时，通过该方式可以校正背景噪声，从而提供更精确的测定结果，提高传感器的重复性及鲁棒性。比率型电化学传感器目前已用于生长素、水杨酸、槲皮素及维生素B2等植物小分子的检测。
Yu等［45］报道了一种用于槲皮素检测的比率型电化学传感器，使用玻碳电极直接在含有噻吩（Thiophene, TH）和槲皮素的样品溶液中进行检测，分别在-0.22 V和0.18 V处呈现噻吩和Qu的氧化特征峰，最后以IQu/ITH为响应信号，实现了槲皮素的可靠检测。Wang等［46］通过在纳米花状锆基金属有机骨架（UiO-66）表面直接生长银纳米粒子（AgNPs），制备AgNPs@UiO-66复合材料（图4），以Ilu/IAgNPs@UiO-66作为响应信号，实现了0.07至40 μM范围内木犀草素的快速、可靠检测。维生素B2又称核黄素，在植物能量代谢、抗病、抗氧化等方面发挥重要作用，Wu等［47］通过噻吩与1，3，5-三（对甲酰基苯基）苯的胺-醛缩合反应制备了电活性共价有机框架纳米带（COFTFPB-Thi），并垂直生长在三维多孔碳（3DKSC）上，COFTFPB-Thi在检测中出现两个特征峰，分别为还原峰和共轭结构的还原峰，当RF在0.6 V电位下被氧化为RF（RFox），然后RF（RFox）将COFTFPB-Thi氧化成COFTFPB-Thi（ox），再次电化学扫描后，COFTFPB-Thi（ox）和RFox在-0.08和-0.45 V处发生还原，COFTFPB-Thi共轭结构的还原峰在-0.23 V处保持不变，从而获取j-0.45/j-0.23和j-0.08/j-0.23两种比率信号，通过双信号测量能够进一步增加结果的准确性。
图4 比率型电化学传感器（AgNPs@UiO-66/GCE）的构建示意图及其在木犀草素检测中的应用［46］

Fig. 4 The construction of the ratio electrochemical sensor （AgNPs@UiO-66/GCE） and its application in luteolin detection［46］

比率型电化学传感器有效提升了检测分析的可靠性，但检测结果受探针分子稳定性的影响较大，仍然需要通过纳米材料的掺杂或交联包裹等技术提升电极的稳定性，下一步可探索、设计双探针分子，提高传感器的容错率，但需避免多种探针分子的特征峰与靶分子特征峰间的干扰等。

1.1.3　多组分传感器

植物的生长发育和抵抗生物、非生物胁迫等行为并不是单一小分子发挥作用，而是多种小分子的协同作用，实现小分子的多组分检测能够同步追踪多种植物小分子的时空动态变化，突破传统单参数检测的局限性，揭示植物分子互作网络，同时也提高了传感器应用的灵活性。目前，电化学传感器实现多组分传感的形式主要分为单电极多输出和多电极多输出两种形式。单电极多输出的形式依赖于电活性靶分子的氧化还原电位的差异性，通过较宽的扫描电位来识别各物质的特征峰。而对于多电极多输出的形式，多采用阵列、集成型的传感器结构，通过设置多个具有特异性检测的工作电极来实现物质的捕获和检测。
目前在植物小分子检测领域，多采用单电极多输出的形式。如图5a所示，Cao等［48］在低pH下通过水热法制备的石墨烯水凝胶（Graphene Hydrogel, GH）是由多层完整的石墨烯纳米片堆叠的高密度的网状结构，相比于传统的氧化石墨烯，GH具有更高的导电性能，将GH用于改性传统的玻碳电极，IAA和水杨酸在GH/GCE表面的电化学行为要明显强于GO/GCE，该传感器被用于芹菜、番茄叶片样品中IAA和水杨酸的同时测定。丹参酮I和隐丹参酮是丹参中关键的两种萜类化合物，主要积累于根部皮层和木质部，二者在防御胁迫（如真菌、虫害）、抗氧化保护以及同其他环境生物的相互作用（如抑制周围杂草种子萌发）中发挥重要作用，且它们具有重要的药理活性和药用价值。Pan等［49］采用柠檬酸钠还原法合成了具有网状结构的金钯复合网络材料（AuPd-NW），将AuPd-NW通过电化学沉积固定在碳纤维超微电极（Carbon Fiber Microelectrode, CFME）表面，用于丹参酮I和隐丹参酮的同步检测，能够实现0.02至0.8 μmol/L范围内丹参酮Ⅰ的检测，以及0.1至4 μmol/L范围内隐丹参酮的检测。为进一步提高传感器的可靠性和鲁棒性，Hu等［50］将比率传感策略和多组分传感相结合，以二茂铁（Fc）的氧化电流作为参照信号，用低成本的炭黑（CB）和多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotube, MWNT）的复合材料提高玻碳电极的活性面积和催化活性，所构建的传感器可以同时实现水杨酸和IAA的检测，传感器同时获取IFc、IIAA、ISA信号，以IIAA/IFc和ISA/IFc作为传感器的输出信号，从而提高传感器准确性（图5b）。
图5 用于植物小分子多组分检测的电化学传感器构建

Fig.5 The construction of an electrochemical sensor for multi-component detection of small molecules in plants

但是，由于植物样品基质的复杂性，多种活性物质的氧化还原电位接近，存在信号互扰甚至掩盖痕量目标信号的现象，较为依赖于传感材料、信号处理等多方面的交叉创新，限制了单电极多输出方式的广泛采用。除该方式外，多电极多输出的方式已被广泛用于人体生理标志物的多组分检测，如汗液中的乳酸、尿酸和离子等，利用丝网印刷、喷墨打印等技术可以高效地构建针式或片式的电极阵列，每个电极采用特异性敏感层进行改性，实现一对一的信号获取，若同时辅以微流控芯片，利用微通道内的层流效应或电泳分离目标物，再通过下游电极阵列检测，可以进一步提升传感器的选择性和集成性，这些策略可以为植物小分子的多组分检测提供参考。
直接型电化学传感器的制备相对简单，技术发展较为成熟，但在应用中也存在一些问题。一方面直接型传感器的选择性较低，容易受到复杂样品中非目标分子的干扰；另一方面，对比其他类型传感器，直接型电化学传感器的灵敏度较低，对低浓度目标分子的分析能力较弱。因此，需要进一步开发类酶活性的纳米材料、识别分子功能化的纳米材料，并结合新型的信号放大策略，来提高传感器的特异性和灵敏度。

1.2　间接型电化学传感器

对于电活性较低或没有电活性的植物小分子，直接型传感器难以采集到可用于分析的响应信号，为克服这一问题，研究者们在检测体系中引入目标物的特异性识别分子，实现与目标物的特异性结合，进一步引入电化学探针分子，以探针分子引起的电流或阻抗变化来间接反应目标物的浓度变化，这种类型的传感器被称为间接型电化学传感器。而对于电活性较高的植物小分子，使用该类型传感器也可以进一步提高检测的特异性。此类识别分子主要包括传统的单克隆抗体、分子印迹聚合物和适配体等。

1.2.1　电化学免疫传感器

电化学免疫传感器是通过免疫抗体来识别和结合特定的抗原分子，因而该类型传感器具有较高的选择性。长春新碱（Vincristine, VCR）是一种防御性生物碱，对许多昆虫和哺乳动物具有毒性，阻止食草动物的啃食，且可以抑制病原微生物。Das和Sahu［51］以多壁碳纳米管修饰玻碳电极，使用N-（3-二甲基氨基丙基）-N’-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺通过碳二亚胺偶联反应将VCR单克隆抗体（Ab）共价固定在MWCNTs上，建立了一种检测VCR的电化学免疫传感器，以溶液中的铁氰化钾为探针，采用电化学阻抗法建立浓度和电子转移电阻的线性关系，用于长春花样品中VCR的测定。对于电化学免疫传感器，传感界面上抗体的负载量是影响免疫传感器检测性能的重要因素。Li等［52］首先利用金纳米颗粒增加抗体的负载量，并通过半胱胺和戊二醛固定树枝状大分子（Polyamindoamine, PAMAM），而PAMAM上具有64个氨基功能基团，可以进一步提高电极负载抗体的能力（图6a），实现了10 pg/ml至10 µg/ml范围内IAA的检测。为提高脱落酸抗体固载量，董宏图等［53］采用羧基化石墨烯和海藻酸钠修饰电极表面（图6b），二者表面丰富的羧基可以与抗体进行缩合反应，有效提高了抗体的负载量，实现了脱落酸的痕量检测。
图6 用于植物小分子检测的电化学免疫传感器构建示意图

Fig. 6 Schematic diagram of the construction of an electrochemical immunosensor for small molecules detection in plants

传统的免疫传感器通常采用在电解液中引入外部氧化还原探针的方式，而将探针直接修饰在电极表面可以提高传感体系的整体性，简化操作步骤。Xing等［54］先采用二茂铁与羧基化碳纳米管、羧基化氧化石墨烯制备复合材料，二茂铁可为传感器提供氧化还原信号，避免了外源性探针分子的加入，而两种碳纳米材料不仅增加了电极的导电性和比表面积，还具有丰富的羧基基团，为茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate, MeJA）抗体提供丰富的固定位点，该传感器的线性检测范围为100 fmol/L至100 µmol/L（图6c）。但这种类型的传感器常有探针泄漏的问题，进而影响传感器稳定性。为解决这一问题，Xing等［55］将制备出的Cu-MOFs与羧基化石墨烯形成复合物修饰在电极表面（图6d），利用Cu-MOFs中Cu2+自身的氧化还原信号作为电信号，既避免了外界探针分子的引入，简化了修饰步骤，还提高了传感器的稳定性，传感器可以实现MeJA的高灵敏测定，检测限达到0.35 pM。Su等［56］将金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）和甲苯胺蓝（Topuidine Blue, TB）形成复合物，利用MOFs独特的空腔结构包裹、固定TB，再将TB@MOFs复合材料修饰到传感器表面，实现了IAA的稳定检测。
电化学免疫传感器在实际应用中仍存在多种问题。一方面，传统抗体在复杂植物基质中容易失活，亟需开发新型的识别元件。另一方面，免疫反应多为不可逆，传感器使用后，抗原-抗体解离困难，降低了传感器寿命，需探索可逆共价结合的方式。

1.2.2　分子印迹型传感器

虽然抗体具有高度的专一性，但它们是生物分子，易于失活，从而容易导致传感器性能下降。而分子印迹聚合物（Molecular Imprinted Polymer, MIP）一般由功能单体与交联剂将目标分子（模板分子）通过共价或非共价作用力聚合在聚合物基质中，后将目标分子提取（洗脱）出来，并形成与其形状、大小、结构一致的空穴，因而MIP可以在复杂介质中高选择性地识别目标分子，具有更高的灵活性及稳定性。Ma等［57］以水杨酸为模板，4-乙烯基吡啶为功能单体，结合乙二醇二甲基丙烯酸酯与偶氮二异丁腈成功制备出识别水杨酸的MIPs，并采用金纳米颗粒、石墨烯和壳聚糖的复合材料增强电极的导电能力，从而使构建的传感器可以实现灵敏的水杨酸测定。Liang等［58］通过一步还原法制备了介孔硅结构，在其表面同时形成用于IAA识别的分子印迹聚合物Meso-MIECS，Meso-MIECS修饰后的玻碳电极不仅提高了电子转移率，而且提供了更高的电化学活性面积和更多的活性位点，增强了IAA传感器的电化学性能。芹菜素（Apigenin, API）是一种广泛分布于多种植物（如柑橘、苹果、欧芹和甘菊等）中的黄酮类化合物，尤其在芹菜中含量最高，在植物防御机制中发挥重要作用。Yayla等［59］以芹菜素为模板分子、色氨酸甲基丙烯酸酯（TrpMA）为单体、甲基丙烯酸羟乙酯为碱性单体、二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂、2-羟基-2-甲基苯丙酮为引发剂，利用光聚合技术制备API/ZnONPs/TrpMA@MIP-GCE传感器，采用铁氰化钾作为探针，间接检测了植物样品（芹菜和欧芹）中芹菜素水平。Hurkul等［60］以TrpMA为功能单体，槲皮素为模板分子，在玻碳电极上进行光聚合（TrpMA@QUE/MIP-GCE），用于植物提取物中槲皮素的选择性测定，LOD低至0.235 pM。
联合不同的识别方式也可以进一步提高分子印迹传感器的选择性，该策略已经应用在其他领域的传感器上，例如采用抗体与分子印迹聚合物的联合，或是采用适配体与分子印迹聚合物的联合等，该类策略可以进一步推动植物小分子的选择性检测。

1.2.3　电化学适配体传感器

核酸适配体是一小段经体外筛选得到的寡核苷酸序列或者短的多肽，能与相应的配体进行高亲和力和强特异性的结合。相比较抗体检测，筛选获得的适配体易于体外大量合成，重复性好、稳定性高且易于贮存，因此广泛应用于电化学传感器的构建中。电化学适配体传感器通常将适配体固定在电极表面，利用适配体对目标分子的选择性结合实现快速、灵敏的检测分析。
色氨酸是植物体不可缺少的氨基酸，不仅直接参与植物蛋白质的合成，而且是生长素、褪黑素的前体，并在防御干旱胁迫、盐胁迫中发挥重要作用。Mohammadi等［61］基于AgNPs@UiO-66/Ti 3C 2（MXene）的纳米复合物设计了电化学适配体传感器，其中，Ti3C2（MXene）纳米片具有负电荷，可通过静电吸附作用吸附负电荷的UiO-66（锆金属有机骨架），促进色氨酸适配体的固定，构建的适配体传感器能够实现fM水平的色氨酸检测。
电化学适配体传感器具有高特异性的检测优势，但仍有多重问题阻碍了其发展。其中，最重要的问题在于适配体的稳定性和可重复利用性较低，受植物复杂基质及样品pH的影响，传感器的灵敏度会不断降低，急需发展相应的保护技术。

1.3　光电化学传感器

光电化学传感器（Photoelectrochemical Sensors, PEC）是一种结合光激发与电化学检测技术的分析工具，具备高灵敏度、快速响应、高特异性等特点。PEC的基本原理为：光活性材料吸收光能后产生电子-空穴对，光生电荷转移至电极表面引发氧化还原反应，形成电信号，待测物与电极表面结合后，干扰电荷传输路径或反应速率，导致电信号变化，从而实现对目标物的高灵敏度检测，常用的光活性材料有半导体、量子点，以及一些新型功能性纳米材料（金属有机框架和钙钛矿等）。单宁酸（Tannic Acid, TA）是一种酚类次生代谢物，广泛分布于橡树皮、茶叶、柿子等植物的根、叶、果实中，在抵御病虫害、抗氧化、抑制种子萌发和调节根系生长方面发挥重要作用。Dos Reis Lima等［62］将二氧化钛纳米粒子（TiO2）、5-甲基吩嗪硫酸甲酯（Phenazine Methosulfate, PMS）和羧基功能化的碲化镉量子点（CdTe QDs）共敏化作为光活性元件，并通过Nafion固定在掺氟氧化锡电极（F-doped Tin Oxide, FTO）上，开发了一种TiO2-PMS/CdTe QDs/Nafion光电化学传感器，在单宁酸检测中，TiO2-PMS/CdTe QD/Nafion材料吸收来自LED光的光子以产生电子和空穴，单宁酸分子可以充当电子供体以在复合材料中捕获空穴，从而改变光电传感器响应，可以有效测定药用植物提取物中的单宁酸。若将分子印迹技术与电化学发光技术的联用，则可以进一步降低背景信号。谢汉钊等［63］在玻碳电极表面滴涂掺杂Au的g-C3N4材料（g-C3N4/Au）后，以电聚合法获得用于赤霉素特异性识别的MIPs膜，并首次引入共振能量转移策略，当对电极施加电压时，玻碳电极表面的g-C3N4/Au变为激发态，溶液中的发光探针（Ru(bpy)3Cl2）通过空穴到达电极表面，g-C3N4/Au的能量转移到Ru(bpy)3Cl2，从而增强电化学发光（Electrochemiluminescence, ECL）信号，所构建的传感器的检测限为1.64×10-14 mol/L，低于目前用于赤霉素检测的传感器。Mohammadi等［64］以氨基粘土（Aminoclay, AC）和对苯二甲醛（Terephthalaldehyde, TPA）为原料合成了亚胺连接的共价有机聚合物（Covalent Organic Polymers, COP），该COP不仅具有光致发光特性，而且具有较高的比表面积，有利于色氨酸适配体的固定，增强了传感器的选择性和灵敏度，LOD低至0.03 fM，超过了大多数其他报道的色氨酸传感器。
光电化学传感器在植物活性小分子检测领域有着巨大的应用潜力，但是光活性材料容易发生光腐蚀等现象，光能利用率低，而且受到复杂基质的影响，微弱的光电流信号易被噪声掩盖，降低检测灵敏度。为缓解上述问题，需要进一步探索信号放大策略，如通过纳米材料掺杂光活性材料，提升电荷转移效率。

1.4　总结

表1总结了植物活性小分子离体检测的电化学传感器。目前，离体检测是电化学传感器在植物小分子检测领域的主要检测方式。这主要是因为离体检测可以将植物样品采集后，转移至方便、稳定的检测环境中，避免了野外复杂环境对测试的干扰；另外，传感器不需要微型化，制备过程相对简单。但是，离体检测要将植物样本采集下来，必然会对植物造成一定损伤，对植物生长有着短期甚至永久的影响，并造成一定生物信息的丢失。
表1 植物活性小分子离体检测的电化学传感器及性能

Table 1 Electrochemical sensors for in vitro detection of plant active small molecules and performance

目标分子 工作电极 检测范围 LOD 检测样品 参考文献
吲哚-3-乙酸 Pd-ZnO/h-BN/GCE 0.5—50.0 μM 0.13 μM 绿豆 ［21］
吲哚-3-乙酸 ZnO NRs/CPE 0.3—5.0 μM 0.017 μM 豆类、小麦 ［22］
吲哚-3-乙酸 Au-3DGR/SPCE 1.25—120.00 μmol/L，135—500 μmol/L 0.15 μmol/L 绿豆 ［23］
吲哚-3-乙酸 AuNPs-anti/GA/PAMAM/GA/AET/Au 10 pg/mL—10 μg/mL 4.62 pg/mL 向日葵幼苗茎部 ［52］
水杨酸 ERGO-SPCE 0.05—25.00 μM —— 橙汁 ［27］
水杨酸 LIPG/PI 0.5—500.0 μM 0.16 μM 生菜、西瓜汁 ［28］
水杨酸 PADs（Pencils-carbon tape/ITO） 1—100 μM 0.1 μM 番茄 ［65］
赤霉素 EPBA/ PVP/ PGE 15—225 nmol/L 4.97 nmol/L 小麦、大米 ［29］
赤霉素 MIP-ECL 0.04—70.00 pmol/L 0.016 4 pmol/L —— ［63］
激动素 eGr/GCE 0.5—100.0 μM 150 nmol/L 生菜 ［30］
异戊烯腺嘌呤 FCA-AHK4-BSA-GA 50—400 nM 1.5 nM 绿豆芽 ［31］
葡萄糖 NPPt/ GO/Gox/ Nafion 0.1—20.0 mmol/L 13 μmol/L 番茄、黄瓜 ［32］
葡萄糖 NiCo2O4-nafion-GCE 0.1—10.0 mM 1 nM 芥菜叶 ［33］
维生素C Gel-g-PS/SPE 0.2—5.0 μg/L和20—600 μg/L 0.03 μg/L 柠檬、橙子等 ［34］
缬氨酸 Iron modified SPEs 0.1—0.5 M 1 mM —— ［35］
丝氨酸 0.1—0.5 mM 2.3 mM
苯丙氨酸 0.1—0.4 mM 2 mM
柠檬酸 ZnO/CuO NCs/GCE 0.15—1.05 mM 21.78 μM 橙子、黄瓜等 ［36］
没食子酸 MB-GOF-GC 50—1 000 μM 49.2 μM 大戟 ［37］
咖啡酸 ZnO-L-BPDC/RGO/SG-2@GCE 0.008—40.000 μM 0.96 nM 樱桃、蓝莓等 ［38］
槲皮素 NiCo-LDH/ Ti3C2 Tx Mxenes/GCE 0.1—20.0 μM 23 nM 洋葱、黄柏 ［39］
槲皮素 GCE 0.1—15.0 μM 3.1 nM 苹果汁、梨汁等 ［45］
槲皮素 TrpMA@QUE/MIP-GCE 1—25 pM 0.235 pM 野草莓等 ［60］
木犀草素 Co@NCF/MoS2-MWCNTs/GCE 0.1 nM—1.3 μM 0.071 nM 菊花、花生壳、金银花 ［40］
木犀草素 Chi/TiO2-Lac/MWCNTs-BSA /GCE 80 nM—6 μM 11 nM 蒲公英 ［41］
木犀草素 AgNPs@UiO-66/GCE 0.07 μM—40.00 μM 0.017 μM 花生壳 ［46］
熊果酸 G-CN、CHIT/G-CN、（Co（II）TPP）/G-CN —— —— 云杉 ［42］
过氧化氢 MWCNT-Ti3C2 Tx-Pd/GCE 0.05—18.00 mM 3.83 μM 拟南介 ［43］
丹参酮I AuPd-NW/CFME 0.02—0.80 μmol/L 20.324 nmol/L 丹参 ［49］
隐丹参酮 0.1—4.0 μmol/L 8.261 nmol/L
长春新碱 BSA/Ab/MWCNTs/GCE 0.2—50.0 nM 0.08 nM 长春花 ［51］
脱落酸 BSA/ ABA-Ab / GR-COOH-SA /SPE 10 pmol/L—1 µmol/L 10 pmol/L 脐橙 ［53］
茉莉酸甲酯 BSA/Anti-MeJA/Fc-GR-MWNT/SPE 100 fM—100 µM 31.26 fM 葡萄、橙子 ［54］
茉莉酸甲酯 BSA/anti-MeJA/Cu-MOFs–COOH-GO/SPE 10 pM—100 μM 0.35 pM 葡萄 ［55］
芹菜素 API/ZnONPs/TrpMA@MIP-GCE 0.1 pM—1.0 pM 0.0247 pM 芹菜、欧芹 ［60］
色氨酸 BSA/apt/graphene-COP/GCE 0.1 fM—500.0 nM 0.03 fM 苹果汁 ［64］
单宁酸 TiO2-PMS/CdTe QDs/Nf 0.2—200.0 µmol/L 60 nmol/L —— ［62］

注：——代表无内容。

2 电化学传感器活体检测植物小分子

相比离体检测，活体、原位检测省去了样品的采集和提取等步骤，在降低时间成本的同时也避免了前处理过程中关键信息的流失，在农业中具有较大的应用前景。随着微电子技术的发展，传感器越来越微型化和集成化，使得研究者们可以对植物小分子进行活体、原位检测。植物样本无需被从植物体上采摘下来，在其本来部位实施检测，植物体不会遭受大的损伤，也无需经过样本的研磨、抽提等步骤，大大节省了操作步骤和时间。因而原位、活体检测方式受到了越来越多研究者的青睐。植物的地上部位主要包括茎、叶、花、果等，不同组织部位具有不同的大小、形貌和结构，需要根据检测部位的具体特征制备不同类型的电极来进行活体检测。目前，对于植物茎部，已实现吲哚-3-乙酸、水杨酸及H2O2等植物小分子的检测；对于叶片，已实现吲哚-3-乙酸、水杨酸、H2O2、脯氨酸及葡萄糖等植物小分子的检测；对于植物果实，已实现脱落酸、乙烯及色氨酸等植物小分子的检测。而植物的根位于地下，较难实现活体检测，目前尚未发现对植物根部的活性小分子进行活体检测的报道。

2.1　茎部小分子的活体检测

茎是植株体内水分、无机盐，以及有机物的输送通道，也是部分营养物质的贮藏器官。所以茎是活体检测的关键部位之一。大部分植物的茎呈杆状，因而常采用微型的针式电极对该部位进行检测。微传感器在活体检测时，植株体内的复杂成分及电化学产物等因素都可能导致传感器的污染，影响其稳定性及寿命。为解决这一问题，Li等［66］以三根低成本的不锈钢丝（直径0.25 mm）为基底制备了一次性电极（图7a），通过阳极化在工作电极表面上形成蜂窝状的纳米孔，再依次电沉积金纳米粒子、铂纳米粒子和RGO提高了电极对IAA的催化能力，最后在电极表面聚合臧红T加强对IAA的富集，实现高灵敏的IAA检测，并因其低成本，可以一次性使用，提高了传感器活体检测的准确性。Yang等［67］使用氧化石墨烯和金纳米颗粒依次修饰铂丝，凭借AuNPs的高催化活性和GO的高表面积能够实现H2O2的灵敏检测，检测范围为10至1 000 µM，将其插入发生创伤后的番茄茎中进行H2O2分析，发现越靠近创伤部位，H2O2水平越高。为提升传感检测的智能化，Wu等［68］在碳纤维微电极（Carbon Fiber Microelectrode, CFME）表面依次修饰Au@Cu2O核壳结构和氮掺杂碳纳米管（N-doped Carbon Nanotubes, N-CNTs）来提高CFME的催化性能及活性表面积。将传感器插入白菜茎中，选取五个时间点，实现12小时内茎部IAA水平的监测（图7b），与智能分析系统相连接，可将工作站采集的电流信号传输至云平台，采用人工神经网络模型（Artificial Neural Network, ANN）对IAA浓度进行智能分析，R 2、均方根误差及平均绝对误差均比传统模型更优。从传感器采集数据到智能数据分析的整个过程耗时不到1 min，说明人工智能在电化学传感器领域具有巨大的应用潜力。
图7 用于植物茎部小分子检测的电化学传感器构建示意图

Fig. 7 Schematic diagram of the construction of an electrochemical sensor for the detection of small molecules in plant stems

采用阵列式微针传感器能够有效提高响应信号。Zhang等［69］制备的氮掺杂石墨烯微电极（N-Doped Graphene, NDG）有较高的导电率以及电活性表面积，将其与钛管、铂丝按同心的方式组装成直径为1.5 mm的针状传感器，顶端直径可以低至0.3 mm，若进一步以四组该传感器组成阵列形式，则可以提高两倍的灵敏度，将其直接插入黄瓜幼苗的茎或果实中可以实现灵敏的水杨酸活体检测。Zhang等［70］以钽丝（Ta）条为基底（1.2 mm×0.2 mm×30 mm），通过电子辅助热丝化学气相沉积法制备一种硼氮共掺杂垂直石墨烯（Boron and Nitrogen Co-doped Vertical Graphene, BNVG）电极，以三根BNVG电极作为工作电极所组装的阵列式传感器可以使灵敏度提高4.47倍（图7c）。
对于植物的茎部多采用针式电化学传感器进行检测。需进一步开发阵列式集成的针式传感器，从而实现多组分及微环境的检测。

2.2　叶片小分子的活体检测

叶片是进行光合作用和呼吸作用的主要场所，因此对于叶片的活体检测非常重要，大部分植物的叶片呈薄而扁平的形貌，针式电极极易穿透叶片，进行活体检测的难度较大。为解决这一问题，Liu等［71］在叉指型电极阵列表面的微针上修饰Au@Cu2O核壳结构、石墨烯及聚多巴胺，将其与黄瓜幼苗的叶片贴合，采用计时电流法，在开花到结果期间选取八天进行检测，发现水杨酸水平逐渐上升，并同时分析了八天内早、中、晚的水杨酸水平变化。Bukhamsin等［72］构建了一种可附着在叶片上用于水杨酸检测的分子印迹型传感器（图8a），该传感器以叉指微电极（Interdigitated Electrode, IDE）为基底，依据叶片角质层的厚度制备微针，微针的轴长为300 µM，底半径为70 µM，通过压力测试确定损坏微针所需要的力为1.48±0.44 N，足以保证微针刺穿叶片角质层而不穿透叶片，然后在微针表面修饰一层用于水杨酸识别的分子印迹膜，从而为传感器提供高选择性，通过透气性胶带将传感器附着在拟南介、烟叶上，每隔15 min进行一次计时电流法检测，实现了为期6天的水杨酸监测，并分析了感染真菌和昼夜交替两种生理状态下叶片中水杨酸变化趋势。
图8 用于植物叶片小分子检测的电化学传感器构建示意图

Fig. 8 Schematic diagram of the construction of an electrochemical sensor for small molecule detection in plant leaves

SPCE类的片式结构能够顺应叶片的片式结构，并且其成本较低，可批量生产，也被用于叶片的活体检测。为实现黄瓜幼苗叶片中脯氨酸活体检测，Yan等［73］制备了一种电化学分子印迹传感器（MIPs/pThi/AuNPs/SPE），其中，电聚合的硫堇（pThi）可以作为内部探针分子，并由AuNPs提升其负载量，提供稳定的响应信号，以吡咯为单体电聚合的MIP能够特异性捕获脯氨酸分子，实现高选择性、高灵敏性检测。为提高传感检测的可靠性，Yang等［74］在SPCE电极上修饰了铜金属有机框架（Cu-MOFs）和炭黑（Carbon Black, CB）的复合材料，并且Cu-MOFs材料中Cu2+的电氧化信号可进一步作为参照信号，构建了水杨酸的比率型传感器，将传感器贴于黄瓜叶片后，在叶片上打孔以释放水杨酸到电极表面，实现了水杨酸的活体、原位检测。而对于较厚的植物叶片，可以采用将片式或针式电极直接插入的方式进行检测。Khazaee Nejad等［75］采用激光直写技术在聚酰亚胺上构建了水杨酸的电化学传感器，为降低由水杨酸氧化产物及其他干扰物在电极表面吸附对稳定性的影响，在电极表面修饰了Nafion，将电极直接插入芦荟叶片中，这种方式可以使电极直接接触植物汁液，避免了后续检测时为实现传感器与植物的连接而带来的二次伤害，但这种方式只适用于较厚及汁液丰富的叶片，且需要更高的电极制备工艺。为提高叶片汁液的利用率，Parrilla等［76］将中空微针阵列贴片（Hollow Micron Eedle Array, HMA）、滤纸与SPE逐层组合（图8b），当3D打印的HMA（微针高度为200 µM）由表面活性剂改性后，HMA的孔能够提取叶片中的植物液体，经滤纸收集供电极分析，当SPE电极经不同方式改性后可以实现葡萄糖、H2O2和pH的原位检测。
传统上的玻碳电极或铂丝等电极为刚性电极，而大部分植物的组织（如茎秆、叶片、根系）较为柔软，多具有不规则的形貌及一定的弯曲度等。当刚性电极插入或贴合在植物组织时，刚性电极无法适应植物组织不规则的形貌，不易固定。并且当植物器官随昼夜节律或环境变化发生弯曲、膨胀等生理变化时，刚性电极与组织间的相对运动会加剧植物创伤，影响着传感器的稳定性和准确性。柔性技术的发展促进了可穿戴传感器的发展，赋予了传感器出色的弯曲性和拉伸性，从而可以适应植物组织的不规则表面。Wei等［77］采用激光诱导石墨烯技术（Laser-Induced Graphene, LIG）制备了一种用于槲皮素检测的柔性电化学传感器（图8c），该传感器以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）为柔性基底，轻薄、柔韧的基底电极能够很好的适应草莓叶面，并以金纳米颗粒和黑磷的高导电性、强电催化能力实现槲皮素的灵敏检测。为实现植物中葡萄糖的非侵入性的活体检测，Perdomo等［78］将反离子电渗系统与酶促葡萄糖生物传感器相结合，构建了一种可穿戴式的葡萄糖传感器，该传感器可由阴极和阳极两部分夹在叶片上，其中，阴极由磁铁、医用胶带、离子电渗电极、GOx改性的丝网印刷传感电极、琼脂水凝胶（防止叶片损伤）和聚乙烯醇水凝胶（葡萄糖的存储器和运输支架）组成，阳极由磁铁、医用胶带、离子电渗电极、琼脂水凝胶组成，若在阳极和阴极之间施加可忽略的电流密度（0.2 mA/cm2），通过离子电渗系统，葡萄糖分子从阳极流向阴极，在不损坏叶片表面的状态下，含有葡萄糖的液体样品在10分钟内被提取，经GOx催化为H2O2后获取电信号，成功用于胁迫处理（光、温度）下的辣椒、非洲菊和莴苣叶片中葡萄糖浓度分析。
传统的电化学传感器依赖于单个信号输出，这使得它们容易受到环境因素和复杂样品基质的影响。多模式传感是一种新的策略，在采用电化学传感器检测的同时，采用比色、荧光等方式同步获取待测物的参数信息，在单个传感器平台上获取两种或多个不同的传导机制，不仅实现了检测分析的可视化，而且可以采用AI算法的方式实现两组或多组数据的相互校正，降低误报率，提高检测的选择性和可靠性。Su等［79］通过在碳毡上共电沉积聚合物和铜，制备了聚丙烯酰胺（Polyacrylamide, PAM）修饰铜电极（Cu-PAM），电极有着较高的活性面积和位点，其中PAM通过氢键能够富集更多的H2O2，提高了灵敏度，而Cu（II）和H2O2可以通过类Fenton反应将无色底物3，3′，5，5′-四甲基联苯胺（Tetramethylbenzidine, TMB）氧化为蓝色oxTMB，产生比色信号，利用电化学-比色双模式能够实现H2O2的灵敏、精确检测，该研究为植物小分子的双模式检测提供了新思路。
以上传感器读取信号的方式是即时的，该方式主要用于对植物体内的某种信号分子进行即时的定量分析，获取某个时间点的浓度信息。然而，即时检测方式了解到的变化趋势并不能完全代表检测目标实时的动态变化信息，为了在时间和空间的不同层面了解更多的生命活动信息，人们希望能够发展连续、在线的检测方法。为实现IAA和水杨酸的连续监测，Tang等［80］以经过碳水泥和多壁碳纳米管修饰的铂丝（直径0.1 mm）为工作电极，与铂丝和Ag/AgCl丝（直径0.1 mm）共同组成微型传感器，将其插入番茄叶片的叶脉中，可以捕获到盐胁迫下IAA和水杨酸在1小时内的动态变化，该传感器最高可允许3小时的连续监测。将工作电极的铂丝替换为不锈钢丝以构建用于IAA、水杨酸检测的低成本、一次性微针传感器，该传感器同样可以实现1小时内番茄叶片中IAA和水杨酸的浓度监测［81］。
由于植物的叶片含水量较少，难以满足电化学测试的需要，因而难以进行较长时间的连续监测。并且因为方法学的限制，目前只能针对具有电活性的植物小分子进行一定时间内的连续监测，尚未发现能够对不具有电活性的物质进行连续监测的研究报道。

2.3　果实小分子活体检测

植株的果实相对较大，针式或片式传感器皆可实现其活体检测。如Wang等［82］以核壳材料制备了用于脱落酸测定的电化学传感器（图9a），垂直石墨烯膜（Vertical Graphene, VG）为Au@SnO2核壳结构提供更高的分布面积，为脱落酸提供了丰富的电化学活性位点及电子转移效率，并且该传感器采用3根工作电极阵列式排布，利于实现脱落酸的高灵敏检测，而每根电极的直径为0.7 mm，在插入葡萄、萝卜果实内进行检测时可以较大程度上减小对植株的伤害。乙烯对于调节果实成熟有着重要意义，基于氧吸附理论，Yan等［83］将碳纳米管（SWCNT）、钯纳米颗粒（PdNPs）与金属有机框架（Cu-MOF-74）的复合材料修饰在柔性聚酯基底（PET）电极上（图9b），其中，Cu-MOF-74与乙烯之间存在高选择性的π-π键，利于捕获乙烯分子，而钯纳米颗粒对乙烯有着较高的催化能力，其均匀分散在高孔隙率的Cu-MOF-74表面提高了传感器的灵敏性及稳定性。而柔性的电极基底便于将该传感器固定在猕猴桃表皮，实时监测了猕猴桃成熟期乙烯释放规律。Gao等［84］为实现植物中色氨酸的高选择性检测，构建了一种无酶电化学传感器（PDA/RGO-MnO2/GCE），在弱酸条件中，带正电的聚多巴胺（Polydopamine, PDA）可以与带负电荷的色氨酸发生静电吸附，且色氨酸可以通过迈克尔加成或席夫碱反应共价锚定在PDA涂覆的材料上，从而实现番茄果实中色氨酸的高选择性、活体检测。
图9 用于植物果实内小分子检测的电化学传感器构建

Fig. 9 The construction of an electrochemical sensor for the detection of small molecules in plant fruits

对植物的果实进行活体检测相对较为容易。但植物果实营养丰富，增加了检测环境的复杂性，电极极易钝化，所以仍需进行电极结构和修饰技术的创新，提升传感器稳定性。

3 电化学传感器检测植物小分子面临的主要技术挑战

电化学传感器为植物小分子的快速、可靠和活体检测提供了有力工具，通过不断进行传感器的结构创新、新型功能化敏感层开发及检测方式探索，已步入良性发展的新轨道。然而，现阶段的电化学传感器仍主要处于实验室阶段，还未能广泛应用于田间作物的原位、活体监测，这一问题主要受电化学传感器自身的传感特性及检测环境的限制，面临的技术挑战如下。
首先，植物体内小分子的含量极其微小、样本的基质极其复杂，因此电化学传感器的检测性能仍需进一步提升，如灵敏度、选择性、稳定性及准确性等。另外，传感器灵敏度的提升往往借助于复杂的制备方法，限制了电化学传感器由实验室研发向产业化的转变。
二是对于植物活体检测，大部分植物组织（尤其是叶片）中的水分含量难以满足电化学测试需要，需要加入外源电解质，而外源电解质的加入会对汁液产生一定的稀释，从而在一定程度上降低了检测的准确性；
三是目前用于植物体内各种生理生化指标的电化学传感器种类较少，集成型的植物专用的电化学传感器则更少。而且传感器从原理开发至产品成熟转入产业化的周期较长，难以满足农业生产的实际需要。另外，在传感器集成方面，如何将各个系统紧密组合，构建具有高性能的传感器集成系统，并且实现更广范围的应用仍然是一个挑战。
四是人工智能技术的发展为电化学传感器的发展提供了新的机遇，可以应用于电化学传感器的设计、材料制备、参数优化及性能分析的各个方面，但目前两者的结合度还远远不够，尚处于探索阶段。
最后，标定技术是制约传感器研发和产业化的重要因素，植物的电化学传感器目前的标准规范较少，也制约了电化学传感器在植物检测领域的推广应用。

4 电化学传感器检测植物小分子未来发展方向

随着技术边界的日益模糊，电化学传感技术和材料科学、生物学、人工智能技术及信息技术的融合逐渐加深，各项传感策略及底层技术正不断开拓和发展，为实现电化学传感器在植物活体检测领域的规模化应用，仍需进一步优化传感器的结构和性能，以及驱动其智能化发展。
（1）增强电化学传感器的传感性能依旧是重要方面。检测性能方面（灵敏度和检测限等），新型功能化纳米材料的研发是提升检测性能的核心途径，为突破传统纳米材料的应用瓶颈，应着力开发多级结构、复合功能化纳米材料，协调多种纳米材料的物化特性（高导电性、高催化性和机械稳定性等），提升传感器的电子转移速率和活性位点，增强传感器的检测性能，例如核壳结构的稳定的壳层结构能够有效阻止核层纳米材料的物化特性发生改变，二者发挥协同效用，为传感器提供强催化能力、高稳定性的敏感层。另外，可以开发各种自动化的机械设备或结合机器人技术，辅助电化学传感器的制备，减少人为误差，从而提升电化学传感器的一致性。
（2）抗干扰方面，除采用特异性强的识别分子，如适配体、分子印迹等，还可以通过联合两种或多种识别分子，采用多重识别方法提升传感器选择性。另外，还应开发各种类型的防污材料，从而抑制生物分子、生物组织颗粒等物质在电极表面的吸附或沉积行为，改善传感器的抗干扰能力，提升稳定性。
（3）植物活体检测方面，柔性可穿戴传感器及可植入传感器是发展趋势。柔性传感器需要进一步研发具备轻薄、透明、柔韧及可降解的基底材料，从而减少对植物生长的影响。可植入传感器则需要进一步的微型化和集成化，从而减少对植物体造成的损伤，并实现多组分的同时检测。
（4）活体检测时，为减少外源电解质的使用，纸基传感器、微流控芯片等技术需要进一步研究，以完成汁液的收集、转运及分析，有效提高汁液利用率。此外，采用固态电解质取代液态电解质也是重要的发展方向，固态水凝胶电解质是一种兼具固态材料机械稳定性与水凝胶高离子导电性的功能材料，其三维交联网络结构能够通过物理或化学作用固定大量水分子及电解液离子，这一特性使其成为电化学传感器领域极具潜力的关键组件。
（5）需要加强植物生理生化指标的电化学传感器的研究工作，并结合其他类型传感器，如温度、湿度等微气候传感器，构建多模态传感器，实现植物生命信息及环境信息的同时监测。
（6）进一步与小型化的检测器件及物联网相连，集成传感器、控制电路、电源及无线模块于一体，实现一站式的信息获取、传输及算法分析，从而进行远程监控及管理。将人工智能技术应用于电化学传感器开发的各个步骤，可以全面提升传感器的检测性能及智能化水平，并可以对复杂信号中蕴含的多种分析物信息进行精确识别和分析，促进多种物质的同步检测。
（7）在电化学传感器检测性能大幅提升、制备工艺更加优化、实用等前提下，加强制备过程中各项标准及规范的制定，从而完善工艺流程，降低成本，促进其在植物检测领域的大规模应用。
总的来说，人工智能及物联网技术的快速发展为电化学传感体系的小型化、集成化及智能化提供了重要技术基础，而多种功能性改性材料的出现为电化学传感器的高性能传感提供重要材料基础，相信不久将来，电化学传感器在植物活性小分子的检测领域能够得到广泛使用，极大地促进精准农业的快速发展。

本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。

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