来源：摩方精密
在精准医疗与智慧农业快速发展的今天，对生物体内关键分子的实时连续监测需求日益迫切。L-色氨酸作为人体必需氨基酸和植物生长激素前体，其浓度波动与情绪调节、代谢状态及植物生长发育密切相关。然而，传统检测方法如高效液相色谱和质谱技术只能提供离散的离线测量，无法满足实时动态监测的需求。
近期，国立阳明交通大学的研究团队以“Real-time and continuous L-Tryptophan monitoring by
electrochemical aptamer-enabled microneedle sensor array”为题在《Sensors and
Actuators: B.
Chemical》期刊上发表了一项突破性研究成果——基于微针阵列的电化学适体传感器，实现了对L-色氨酸的实时连续监测。L-色氨酸在哺乳动物体内是神经递质的前体，在植物中则是生长素吲哚-3-乙酸的前体。传统检测方法虽然灵敏度高，但无法实现实时连续监测，且操作复杂、成本高昂。研究团队旨在开发一种能够进行皮下组织无创附着并实现动态追踪的微针传感器，为临床代谢监测和农业应用开辟新的可能性。
图1.（a）集成微针传感器阵列的示意图：由14根针组成的一圈排列，其中包括6个工作电极和8个参考/对照电极。（b）基于ETPTA的微针的三维激光共聚焦图像。（c）电化学辅助的适配体检测机制：金涂层微针上的自组装适配体在与
L-色氨酸结合时会发生构象变化，从而改变MB报告剂与电极表面之间的距离，进而调节法拉第电流。（d）体内实时啮齿动物皮下 ISF
测量的示意图。（e）体内连续植物中的示意图测量。
研究团队首先使用摩方精密的nanoArch® S140 （精度：10
μm）3D打印系统制作初级微针主模具。14个针头采用切向环形排列，间距为2000
μm，确保了PDMS铸造的均匀性和皮肤接触的一致性，成功制备出高度约1500 μm、基部直径225 μm、半锥角18°的微针结构。
随后，所得微针阵列经过化学镀银和溅射镀金的两步金属化工艺，形成均匀的金属涂层，为适体固定提供导电界面。适体功能化是关键步骤，研究团队在金涂层微针表面自组装硫醇化DNA适体，形成密集的适体单层，从而实现对L-色氨酸的特异性识别。
图2. （a）不同 L-Trp
浓度下的奈奎斯特图。（b）通过电化学阻抗谱测量得出的等效电路的拟合参数表明，浓度依赖性的变化主要受电荷转移电阻（Rct）、溶液电阻（Rs）、双层电容（Cdl）和沃格伯格扩散阻抗（Zw）的影响（n=3，平均值±标准误差）。（c）在
10 μM L-Trp 溶液中，SWV 电流增益（%）与频率的关系：在 100 Hz 时最大正增益（+22.4%），在 10 Hz
时最大负增益（–19.3%），交叉频率（fc）约为 42.7 Hz，此时信号开启和信号关闭相交（n=3，平均值±标准误差）。不同 L-Trp
浓度下的 SWV 响应曲线。（d）在信号关闭（10 Hz）时，电流随浓度的增加而降低。（e）在信号开启（100
Hz）时，电流随浓度的增加而增加。（f）在 10 μM L-Trp
和高浓度干扰物（L-Arg、L-Cys、L-Phe、L-Tyr、AA、UA、AP：0.5 - 1 mM）下选择性分析。所有干扰物与 L-Trp
相比响应变化均小于 10%，表明具有出色的分子特异性和抗干扰能力（n=3，平均值±标准误差）。
研究团队开发了双频方波伏安法与动能差测量校正技术相结合的方法，有效解决了长期监测中的基线漂移问题。通过系统测试5-200
Hz的频率范围，确定10 Hz（信号关闭）和100
Hz（信号开启）为最佳工作频率。KDM校正模型将长期监测中的漂移从52.7%降低到仅7.3%，显著提高了传感器的稳定性和准确性。这一技术创新使得传感器能够在复杂生物环境中保持稳定的性能表现。
该微针传感器在1 nM至1 mM的浓度范围内表现出卓越的检测性能，在生理浓度窗口（5-100μM）内具有高度线性（R²=0.997）。检测限达到12 nM，远优于传统检测方法。传感器对类似氨基酸和常见干扰物表现出高度特异性，响应变化均小于10%。
图3. (a) 微针传感器阵列在1 nM至1 mM
L-色氨酸范围内的浓度依赖性KDM响应，符合Hill-Langmuir等温线模型，在生理浓度范围(5–100 μM)内呈现高度线性(R² =
0.997) (n=4，均值±标准误差)。KDM = 3.739 + (177.857 − 3.739) × [Target]1.338 /
((2.793×10^−5)1.338 + [Target]1.338)。(b) 长期方波伏安监测显示10 Hz和100
Hz通道存在明显漂移。KDM补偿可稳定电流响应，大幅降低基线漂移。(c) 不同频率模式下漂移程度的定量比较。KDM处理将漂移幅度降低至7.3%
(n=3，均值±标准误差)。(d) PBS溶液中60分钟测试（基线为前10分钟），随后持续暴露于35 μM
L-色氨酸环境（后50分钟）。经KDM校正的数据保持稳定，准确反映设定浓度。曲线以初始时间点为零点归一化(n=3，均值±标准误差)。(e)
自制流动分析平台示意图。(f)
皮下组织间液动态流动模拟：分别在30、60、90、120和150分钟将L-色氨酸浓度调整为20、40、60、20和0
μM。微针传感器能快速响应浓度变化，在浓度降低时表现出优异的恢复能力，证实了其稳定可逆的工作特性(n=3，均值±标准误差)。
在离体猪皮肤模型中，传感器经过三次连续插入仍保持93.2%-98.8%的信号响应，证明了其良好的机械耐久性和功能涂层稳定性。连续60分钟的监测显示，经过KDM校正的信号保持稳定，验证了传感器在组织环境中的长期可靠性。
图4. (a)
微针传感器阵列刺入脱细胞猪皮肤的光学照片（通过组织染色观察）。清晰的穿刺痕迹证实其成功穿透表皮（A：0.8倍放大；B：5倍局部放大）。(b)
连续三次穿刺后经KDM校正的方波伏安响应（100
Hz）。第二次和第三次穿刺分别保持初始KDM响应的93.2%和98.8%（n=3，均值±标准误差）。(c)
在处理后猪皮肤样本中连续60分钟的方波伏安监测（10 Hz与100
Hz每分钟交替采集）。原始电流信号随时间呈现渐进性漂移，经KDM差分校正后实现有效稳定，证明该方法在生物组织内具备可靠的长期漂移补偿与浓度变化检测能力（n=3，均值±标准误差）。
在大鼠皮下组织间液和莴苣茎部的实时监测实验中，传感器成功追踪到L-色氨酸的动态波动。动物实验显示，皮质酮注射后L-色氨酸浓度显著下降，而植物监测则揭示了不同生长阶段L-色氨酸的浓度变化规律。
图5. (a) 对照组（大鼠1号与2号）：t = 30分钟时皮下注射生理盐水后ISF
L-色氨酸浓度随时间变化曲线；(b) 注射前后平均浓度对比。(c) 实验组（大鼠3号与4号）：t = 60分钟时皮下注射皮质酮（10
mg/kg）后ISF L-色氨酸浓度随时间变化曲线；(d) 皮质酮给药前后平均浓度对比。(e)
皮质酮处理下L-色氨酸波动示意图。所有数据以均值±标准误差表示（n=2只大鼠；读数次数：注射前=6次，注射后=18次），采用配对t检验， p ≤
0.01，* p ≤ 0.001。
图6. (a) 生菜生命周期中L-色氨酸波动示意图。(b) 生菜不同生长阶段L-色氨酸浓度的动态变化连续监测。在茎-叶柄连接处每3天测量一次，30天内共采集10个时间点数据。数据以均值±标准误表示（n=3）。
这项研究成果展示了微针适体传感器在生物监测领域的巨大潜力，为临床诊断和精准农业提供了新的技术手段。摩方精密的微纳3D打印技术在这一突破性研究中证明了其在生物医学工程领域的应用价值。随着精准医疗和智能农业的不断发展，对实时监测技术的需求将持续增长。摩方精密的高精度制造能力将为更多创新生物传感器的开发提供技术支持，推动相关行业的技术进步。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.139056
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