圖片作者：ChatGPT
在我們的日常生活中，可見到微針技術應用於醫學檢測。最近，科學家們更進一步，把微針技術應用到植物身上，幫助我們「即時讀心」植物在面對壓力時的反應！研究團隊開發了一種利用生物水凝膠與微針結合的感測器，可原位即時偵測植物葉片中的過氧化氫（H₂O₂）濃度變化。
過氧化氫是植物面對病原菌感染、乾旱、高溫或機械傷害時，快速釋放的一種「活性氧類」（ROS，reactive oxygen species，也稱為自由基）。它不只是一種傷害細胞的分子，更是植物細胞間溝通的重要訊號，可以啟動防禦基因，幫助植物抵禦逆境。
由於植物在遭受入侵時會釋放過氧化氫，所以偵測過氧化氫就成為一個好用的指標。但是，要即時量測植物體內的 H₂O₂ 並不容易。傳統方法如 DAB 染色、螢光染劑或比色法，不僅需要破壞組織以及繁瑣的前處理程序，還可能受葉綠素自體螢光干擾，難以在田間實地使用。
為了想要即時、實地偵測過氧化氫，研究團隊設計出一種金屬微針陣列感測器，外觀就像一塊可以貼在葉片背面的微型貼片。這些微針表面塗有一層「生物水凝膠」，成分包括了幾丁聚醣（chitosan, Cs）、還原型石墨烯氧化物（rGO）與辣根過氧化酶（HRP）。其中幾丁聚醣是一種天然高分子（螃蟹、昆蟲的外骨骼都是由幾丁聚醣構成），具良好生物相容性，可固定酵素；而還原型石墨烯氧化物（rGO）具有良好的導電性，可幫助電子傳遞；而辣根過氧化酶（HRP）是一種酵素，對 H₂O₂ 具高度專一性。
當HRP遇到過氧化氫時，就會發生以下反應：
HRP
H2O2+2H++2e−–---->2H2O
於是，當微針刺入葉片後，HRP 就會和葉片中的 H₂O₂ 產生反應，進一步引發電子轉移，產生電流。這個電流可以用「定時電流法（chronoamperometry, CA）」偵測，電流越大，代表 H₂O₂ 濃度越高。
所以，這個感測器表現如何呢？研究團隊測試後發現，它的偵測範圍可以從0.1–4500 μM；而偵測極限可以低到 0.06 μM；靈敏度為14.7 μA/μM。偵測時間大約需要 1 分鐘 。最好的是，使用這個方法不需要破壞組織，只要直接貼在葉片就可以了。
此外，研究團隊也證明這個感測器不易受干擾物（如維生素C、葡萄糖）影響，重複性與穩定性也很不錯，冷藏可以保存數週。
說了半天，到底有沒有拿去植物上實測呢？
研究團隊將感測器應用於大豆與煙草，在它們感染細菌（Pseudomonas syringae）後觀察 H₂O₂ 的變化。他們發現，在感染 24 小時後，煙草葉片中 H₂O₂ 明顯升高至約 10 μM（對照組僅 0.9 μM）。而直接貼附於葉片的貼片也顯示出類似的結果，只需 1 分鐘就可讀取反應。
此外，感測結果與傳統 DAB 染色和 Amplex Red 螢光法相符，但不受螢光干擾，尤其在自體螢光強的大豆葉片中，感測器表現更為穩定可靠。
為什麼要開發植物貼片呢？事實上，這項技術不只是在偵測技術上進行創新而已。植物貼片更能協助我們即時監控作物健康狀況，透過監控植物過氧化氫的變化，我們可以知道作物是否遇到病害入侵？另外，當作物遭受病害後，我們也可透過植物貼片來評估處理的成效。
再者，當我們透過育種培育出抗病品系時，植物貼片也可以幫助我們評估這個新品系是不是真的比較「厲害」。而從長遠來看，我們更可以將植物貼片整合到智慧農業系統中，達成自動化監測作物健康與壓力反應。畢竟過氧化氫並不是只在植物被病菌入侵時會釋放，在植物感受壓力時，也會釋放過氧化氫的！
雖然目前植物貼片是針對 H₂O₂ 的專一感測器，但未來可以進一步擴展到其他活性氧類（如超氧陰離子、氫氧自由基等），也可以與其他植物感測器整合（如溫度、水分、pH），進行更廣泛的監測。如果可以開發出無線通訊版本，用於智慧農業與大規模田間應用就更棒了！
參考文獻：
Singh, N., Zhang, Q., Xu, W., Whitham, S. A., & Dong, L. (2025). A biohydrogel-enabled microneedle sensor for in situ monitoring of reactive oxygen species in plants. ACS Sensors. https://doi.org/10.1021/acssensors.4c02645
