农业是全球经济的支柱,而食品安全与植物健康则是这一支柱的根基。传统检测方法如 PCR、ELISA 和高光谱成像虽精确,却受限于设备昂贵、操作复杂、样本采集困难,难以满足田间地头与供应链末端的快速、现场检测需求。水凝胶微针(Hydrogel Microneedle, HMN)技术的出现,正在打破这一僵局。它兼具微创、高效、生物相容性强的特点,可在数秒至数分钟内完成生物体液的提取与检测,为食品质量监测与植物病害诊断提供了全新的技术路径。
1.1 定义与分类
微针是一种微观尺度的针状结构,通常以阵列形式排布。根据功能与结构,微针可分为四类:实心微针、包衣微针、空心微针和聚合物微针。水凝胶微针属于聚合物微针的一种。
HMN 由含有大量亲水基团(如 -NH₂、-OH、-SO₃H)的交联聚合物网络构成。当与生物体液接触时,交联网络通过溶胀作用吸收液体,直至弹性回缩力与溶胀力达到平衡。所吸收的液体可通过离心或溶剂萃取回收,而网络结构保持完整。
1.2 核心优势
高溶胀性:可吸收自身重量 10 倍至数千倍的水分;
生物相容性:天然或合成聚合物材料低毒、可降解;
微创采样:对植物叶片、果实或动物皮肤损伤极小;
操作简便:无需复杂设备,按压即可完成采样;
环境友好:无尖锐废弃物残留,适合现场使用。
关键机制:HMN 通过扩散、毛细作用、渗透压及压力驱动对流等机制 吸收组织间液(ISF),溶胀动力学可用经验公式 M/M∞ = k·t^n 描述。
2.1 天然聚合物基 HMN:透明质酸(HA):高亲水性,可共价交联增强稳定性。甲基丙烯酰化 HA(MeHA)可实现 30 秒内 600% 的溶胀率。
壳聚糖:唯一带正电荷的天然多糖,具有抗菌性,在医学与农业领域广泛使用。
丝素蛋白:优异的力学性能与可控降解性,用于比色微针、植物注射器等。
胶原蛋白/明胶:细胞外基质成分,生物相容性极佳,适用于组织工程与传感。
2.2 合成聚合物基 HMN:聚乙烯醇(PVA):成本低、力学强度好、溶胀快,用于植物 DNA 提取(10–15 秒)。
PMVE/PEG:高交联密度,添加 NaHCO₃ 可形成“超溶胀型”微针,1 分钟内完成肉类 DNA 检测。
聚乙烯吡咯烷酮(PVP):水溶性好但力学性能较弱,常与金等材料复合使用。
2.3 制备技术对比:热压印:适合批量生产,但脱模难度大。
微模塑(PDMS 模具):成本低、重复性好,但模具尺寸固定。
3D 打印:高精度、可定制复杂结构,是当前 HMN 制备的主流方向,尤其适用于集成式微针器件。
激光钻孔:生产效率高,但主要适用于金属材料。

图1. 各类微针制备技术示意图
(A)热压印,(B)微模塑,(C)热拉伸光刻,(D)磁流变光刻,(E)激光钻孔,(F)3D打印(Yang等,2021)。
3.1 提取机制
HMN 的溶胀行为受交联密度、孔隙率、离子强度、pH 等因素影响:
孔隙率:超多孔水凝胶(孔径 > 1 μm)以毛细作用为主导,溶胀速率极快。
离子强度:高浓度盐离子会屏蔽静电斥力,降低溶胀能力(符合唐南平衡理论)。
交联密度:过低则结构不稳定,过高则刚性增强、阻碍溶胀,需平衡优化。
3.2 提升提取效率的策略
3.2.1 几何参数优化
形状:圆锥形微针在穿刺效率与载液能力上优于六角形或矩形棱锥形。
尺寸:增加针长、基底直径与阵列密度可提升提取体积,但密度过高会引发“钉床效应”。
仿真辅助:有限元法可预测穿刺效率,例如皮肤预拉伸应变从 0% 增至 10% 可使穿刺效率下降 15%。
3.2.2 施用过程优化
冲击式 vs 按压式:冲击式施用装置可精确控制速度与力度,减少个体差异。
快速提取:Chen 等开发的聚乙烯缩甲醛(PVF)海绵状微针贴片,1 分钟内可提取 1.6 mg 组织间液;MeHA 调控交联顺序后,30 秒内溶胀率达 600%。
3.2.3 材料改性
添加渗透压调节剂:如抗菌离子,可改善力学性能与溶胀性能。
半合成高吸水性聚合物:以天然聚合物为基底,接枝合成聚合物链,兼顾生物相容性与吸水能力。
图2
(A)微针(MN)不同提取机制:(a)负压驱动;(b)毛细作用;(c)溶胀;(B)HMN提取过程。(Liu等,2020)。
图3利用HMN平台检测不同类型分析物(Zhu等,2020)。4.1 食品质量监测
DNA 快速提取与检测:
Li 等(2021)使用 PVA 微针贴片,可在 1 分钟内从虾丸、芝士蛋糕等复杂食品基质中提取 DNA,无需纯化即可用于 PCR 或重组酶聚合酶扩增(RPA),实现食品过敏原的现场快速筛查。
Hu 等(2023)采用 PMVE/PEG + NaHCO₃ 微针,1 分钟内完成肉类 DNA 提取。
Wang 等(2023a)使用 PMMA 微针提取三文鱼 DNA,耗时 6–8 分钟。
比色传感与新鲜度监测:
Kim 等(2020)开发丝素蛋白微针阵列,结合聚二乙炔生物墨水,通过毛细作用采集食品液体,检测大肠杆菌与沙门氏菌。
Wang 等(2023a)制备溴百里酚蓝(BTB)/甲基丙烯酰化丝素蛋白(SilMA)比色微针贴片,可穿透包装膜插入三文鱼肉,随总挥发性盐基氮(TVB-N)升高而变色,消费者通过肉眼或智能手机即可判断新鲜度。
表1
基于HMN提取生物流体用于食品质量监测的总结
4.2 植物生物标志物检测
4.2 植物生物标志物检测
病原体 DNA/RNA 提取:
Paul 等(2019, 2021)使用 PVA 微针贴片贴附于番茄叶片,1 分钟内提取晚疫病菌 DNA 或番茄斑萎病毒 RNA,无需纯化即可进行 PCR 扩增,实现田间分子诊断。提取效率:10–15 秒即可从新鲜嫩叶中获得足量核酸。
葡萄糖动态监测:
Zheng 等(2022)开发了导线电极嵌入式微针贴片(WEMNP),由脯氨酸处理的丝素蛋白制成。在番茄植株上从未成熟期(IM)到转色期(BK)再到成熟期(MA)连续监测葡萄糖水平,实现了微创、原位、实时的生理参数追踪。
农药残留检测:
Yi 等(2023)构建 HA/PVA 水凝胶微针结合银纳米颗粒的表面增强拉曼光谱(SERS)传感器,可同时检测农产品表面及内部的农药残留(如福美双、噻苯),灵敏度高、操作便捷。
植物维管系统采样:
Cao 等(2020)使用丝素蛋白制成的“植物注射器”与“植物采样器”,可将载荷递送至木质部并精准提取汁液,为植物诊断与工程化操控提供了新工具。
图4
(A)PVA微针贴片物理结构示意图及基于PVA微针的RNA提取流程(Paul 等,2019,2021)。(B)导线电极嵌入式微针贴片(WEMNP)在同一株生长番茄上(从未成熟期(IM)至转色期(BK)再到成熟期(MA))连续监测葡萄糖水平的示意图(Zheng 等,2022)。(C)木质部中生物分子的递送与采样(Cao 等,2020)。(D)微针贴片同步检测农产品内部及表面农药残留的原理示意图(Yi 等,2023)
尽管 HMN 在农业与食品领域展现出巨大潜力,但要实现规模化与商业化应用,仍需克服以下挑战:
挑战 1:机械性能不足
吸水后易软化、断裂。解决方案:掺入无机纳米颗粒(如银、金、纤维素纳米晶)增强网络结构。
挑战 2:提取效率受限
采样量少、时间长。解决方案:优化几何参数(针形、密度、长度);引入超多孔结构或毛细通道。
挑战 3:回收过程复杂
洗脱通常依赖离心,可能干扰待测物。解决方案:开发集成式洗脱与检测一体化设备,减少手动操作。
挑战 4:湿环境下软化
HMN 吸湿性强,潮湿环境中易软化、储存要求高。解决方案:设计耐湿交联体系或表面疏水改性。
挑战 5:植物损伤风险
侵入式检测可能造成组织损伤。解决方案:使用可降解材料,缩小微针尺寸,负载活性物质促进愈合。
挑战 6:组织黏附性差
高溶胀可能导致黏附下降,影响长期监测。解决方案:调控溶胀行为与表面化学,设计仿生黏附结构。
随着可穿戴传感、深度学习、微型机器人等技术的发展,水凝胶微针正从一个“采样工具”进化为“智能诊断平台”。未来,我们有理由相信:
一片微针贴片,一部智能手机,即可完成从样本采集到结果判读的全链条农业与食品检测。
这不仅是对传统检测流程的重构,更是对“从田间到餐桌”全链条健康的智能守护。

参考文献:*Shiyun Yao, Chi Zhang, Jianfeng Ping, Yibin Ying,Recent advances in hydrogel microneedle-based biofluid extraction and detection in food and agriculture,Biosensors and Bioelectronics,Volume 250,2024,116066,
https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116066.
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(全文完)
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