A novel approach for in situ monitoring of Zn2+ in citrus plants using two-step square-wave anodic stripping voltammetry

使用兩步方波陽極溶出伏安法原位監(jiān)測柑橘植物中Zn2+的新方法

來源：MRS Communications, volume 8, pages 404-410, year 2018

《MRS通訊》，第8卷，第404-410頁，2018年

 

摘要

本研究介紹了一種新型的基于兩步方波陽極溶出伏安法的針型微傳感器，用于柑橘植物中Zn2+的原位檢測。研究成功制備了一種雙管鉍/鉑微電極，其堅固的金屬尖端足以刺穿柑橘葉片的厚表皮，并利用SWASV技術靈敏地檢測Zn2+濃度的ppb級變化。該微電極旨在減少傳質限制并改善檢測限。總體而言，所開發(fā)的Bi/Pt微電極成功測量了柑橘植物維管束內的Zn2+濃度。

 

研究目的

本研究旨在開發(fā)一種可靠的原位Zn2+監(jiān)測工具，能夠直接在植物體內追蹤其系統(tǒng)活性，以更好地理解鋅螯合物在柑橘樹中的移動方式。這對于評估黃龍病有效管理的噴灑速率和時機至關重要，以應對黃龍病對柑橘產業(yè)的毀滅性影響。

 

研究思路

研究思路是開發(fā)一種新型的兩步SWASV技術，并制備適用于植物組織的堅固微電極。首先，設計并制作了單管和雙管鉍微電極。雙管微電極集成了鉍工作電極和鉑參比電極。核心創(chuàng)新是采用兩步法：第一步在原位（植物維管束內）使用雙電極系統(tǒng)進行Zn2+的預富集；第二步將電極轉移到剝離溶液，使用更靈敏的三電極系統(tǒng)進行陽極溶出分析。這種方法最小化了侵入性，并適應了植物體內無法攪拌的條件。研究通過評估電極性能（如靈敏度、檢測限）、考察植物pH環(huán)境的影響、優(yōu)化電極尖端尺寸以及驗證傳質效應，最終將優(yōu)化后的微電極應用于柑橘葉片中進行原位檢測。

 

測量的數據及研究意義

1  Zn2+檢測的校準曲線數據：測量了不同濃度Zn2+下的SWASV響應電流信號，來自圖2和圖4(a)。研究意義是驗證了兩步SWASV方法的可行性及其線性響應和靈敏度，證明了該方法能夠用于植物體系。

 

 

2  pH影響數據：測量了在pH 5.0至7.5范圍內，固定Zn2+濃度下的SWASV響應。研究意義是確認了植物維管束的典型pH環(huán)境（低于7.0）下，傳感器能有效響應可溶性Zn2+濃度，確保了方法在真實生理環(huán)境下的適用性。

3  尖端尺寸與傳質效應數據：測量了不同尖端尺寸（如10, 12, 48, 85 μm）的微電極在攪拌與未攪拌條件下的靈敏度、檢測限和線性范圍，來自圖3和表I。研究意義是優(yōu)化了電極設計，證明較小的尖端尺寸能減輕未攪拌條件下的傳質限制，這對于在無法攪拌的植物體內進行原位測量至關重要。

 

 

4  原位檢測數據：使用雙管Bi/Pt微電極在經Zn2+處理和處理（浸于1 mM ZnCl2 6小時）的柑橘葉片中脈測量SWASV響應，并換算成Zn2+濃度，來自圖4(b)。研究意義是直接證明了該傳感器能成功區(qū)分處理與未處理的植物樣本，并定量檢測出植物組織內的Zn2+，實現(xiàn)了研究的最初目標。

 

結論

1  研究成功構建了一種新型的兩步SWASV方法，并證明了其用于植物體系中Zn2+檢測的可行性。

2  優(yōu)化了鉍微電極的尖端尺寸（最終采用約110 μm總直徑，70 μm鉍工作電極直徑），以在保證足夠靈敏度的同時，最大限度地減少植物體內未攪拌環(huán)境下的傳質限制。

3  開發(fā)的雙管Bi/Pt微電極具有足夠的耐用性，能夠刺穿柑橘葉片的厚表皮，且與植物組織直接接觸不影響其性能。

4  該微電極成功應用于柑橘葉片維管束，能夠清晰區(qū)分Zn2+處理與未處理的樣本，并實現(xiàn)定量檢測，表明這種原位檢測方法具有高分辨率。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

研究中使用了丹麥Unisense公司的設備，具體包括一臺自動三維微操縱器和pH微傳感器（尖端直徑10 μm）。這些設備的使用具有重要的研究意義。首先，自動三維微操縱器實現(xiàn)了對微電極尖端位置的精確控制，能夠將微電極尖端準確定位到柑橘葉片中脈表面下約400 μm的深度，這個深度通過前期pH微剖面測量和橫截面圖像確定為韌皮部的典型位置。這種精確定位對于確保測量位置（維管束）的準確性至關重要，是獲得可靠原位數據的基礎。其次，使用Unisense的pH微傳感器預先測量植物體內的局部pH微剖面，為理解傳感器響應（Zn2+溶解度與pH相關）提供了關鍵的背景環(huán)境參數，并幫助確定了原位沉積的最佳操作深度。因此，丹麥Unisense電極和微操縱器系統(tǒng)的應用，為本研究實現(xiàn)高精度、可重復的原位測量提供了關鍵的技術支持，極大地增強了研究方法的可靠性和數據的說服力，突出了其在復雜生物體系內進行微區(qū)、原位化學傳感中的重要作用。