在气候变化、病原侵染、虫害及多重环境胁迫的共同压力下，植物健康监测对粮食安全、精准农业和智慧农业的重要性日益凸显。由于植物健康本质上由动态分子变化而非单纯可见症状决定，因此迫切需要能够捕获早期、局域化和连续生理信息的分析策略。电化学传感凭借高灵敏度、低样本需求量、易微型化以及与原位实时分析的兼容性，已成为极具吸引力的技术路径。本综述系统总结了植物健康监测领域的电化学传感最新进展。研究人员首先讨论了主要植物健康相关分子类别及其分析特性，阐明电化学监测适用于此类靶标的独特优势。随后将近年电化学策略划分为两大类别：植物健康相关分子的离体电化学传感与活体植物的原位连续监测，重点聚焦于直接电化学传感、识别耦合信号转导以及植入式、微针和柔性可穿戴平台。最后，研究人员展望了该领域未来的优先发展方向，涵盖理性界面与材料设计、多重与多模态传感、人工智能驱动的数据分析及集成系统开发。电化学技术正从分子层面的分析工具发展为能够从动态多尺度信息中解码植物健康的集成平台，对植物科学与智慧农业的意义日益深远。
引言
植物健康直接关系到作物生产力、品质维持与胁迫适应能力，是保障粮食安全、发展精准农业和智慧农业的核心基础。在气候变化、极端天气、病原侵染、虫害及多重环境胁迫叠加的背景下，及时准确的植物健康评估需求愈发迫切。一旦可见表型损伤出现，最佳干预窗口往往已经错过，因此植物健康监测应聚焦于捕捉生理失衡的早期分子信号，而非依赖明显症状的识别。从生物学视角看，植物健康并非单一性状的静态表现，而是生长、代谢、防御与环境适应共同作用的综合结果，持续获取这些早期化学与生理信号对解析植物响应机制、建立单株水平高时间分辨率的植物健康评估框架具有重要价值。
当前植物健康监测方法可分为表型/生理表征与分子分析两大类。表型/生理方法包括可见症状评估、生长性状测定、光学成像与遥感，适用于大田尺度的监测与病害检测，但更擅长捕捉已显现的结果，难以解析单株水平的早期胁迫动态。分子分析方法如生物测定、光谱与色谱技术及免疫分析，具备较强的定性与定量终点分析能力，然而植物健康相关分子普遍存在丰度低、稳定性有限、组织依赖性强的特点，且时空变异性显著，传统分子分析所需的采样、提取、纯化与衍生化步骤易造成样品损失与人为扰动，难以反映活体的真实动态。在此背景下，电化学技术通过将靶分子的化学变化转化为可直接测量的分析信号，兼具高灵敏度、低样本需求、易微型化、成本相对较低及系统集成性强的优势，为植物健康监测提供了极具潜力的替代方案。电活性靶标可通过直接氧化还原读值监测，弱电活性或无电活性分析物则可通过选择性催化剂、识别界面、适配体及信号放大策略实现检测。随着纳米材料、柔性电子、微电极与可穿戴器件的快速发展，电化学平台已从早期离体分析逐步迈向活体原位、微创与连续监测。
植物健康分子及其电化学相关性
2.1 植物健康分子的功能角色与监测价值
植物健康是生长调控、代谢编程、防御反应与环境适应等多过程协同的综合结果，相较于可见症状，细胞内分子网络的改变发生更早，更直接地反映植物对外界刺激的响应。具有动态监测价值的代表性分子构成了覆盖早期感知、状态调控、代谢表现与外部胁迫暴露的多层级健康信息系统。该体系中，活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）、过氧化氢（Hydrogen Peroxide, H2O2）与一氧化氮（Nitric Oxide, NO）等第二信使处于信息上游，主要参与胁迫感知、信号放大与细胞间通讯，与植物健康扰动的预警信号密切相关。生长素（Indole-3-acetic Acid, IAA）、水杨酸（Salicylic Acid, SA）、脱落酸（Abscisic Acid, ABA）、茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）及茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate, MeJA）等植物激素与防御相关信号分子对应植物健康状态的调控层，可揭示植物是否从正常生长转向防御、适应或恢复。糖类、有机酸、酚类、维生素及挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）则与代谢表现层关联更为紧密，可从能量代谢、氧化还原平衡、次生代谢变化及叶片挥发释放等角度提供互补信息。此外，硝酸盐、钾离子（K+）、钠离子（Na+）与钙离子（Ca2+）等营养与离子物种可反映矿质营养、离子稳态与非生物胁迫适应能力；农药、真菌毒素等外源农化品残留与污染物则从广义上作为植物健康相关靶标，体现外部化学压力、污染风险、生长环境扰动与作物品质劣化。综上，植物健康相关分子分布于早期感知、防御激活、生长-胁迫平衡、代谢表现、营养/离子稳态与外部风险暴露等不同层级，比常规表型指标更早、更直接地揭示植物对生物与非生物胁迫的响应。
2.2 植物健康分子的分析特征与电化学需求
植物健康相关分子虽生理功能与化学结构各异，但共享若干共性分析特征：普遍浓度较低，组织依赖性与时空异质性显著；多数稳定性有限，采样、提取或纯化过程中易发生损失或转化；结构相似靶标、复杂共存干扰物与背景基质差异显著增加了选择性识别与准确定量的难度。部分靶标具备电活性，可直接或间接转化为电信号，为电化学传感提供了基础条件。
这些特征对植物健康监测提出了与传统离体分析本质不同的技术要求：植物健康状态的动态解析不仅是分析精度问题，更在于能否以最小扰动实现原位、实时与连续读出。电化学方法与这一需求高度契合：一方面，电极界面可将靶分子化学变化直接转化为可测量的分析响应，电活性靶标可通过其本征氧化还原行为检测，弱电活性或无电活性分子则可通过选择性催化剂、识别受体、功能纳米材料、配体或适配体，将分子识别转化为电流、电位或阻抗的变化；另一方面，循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）、差分脉冲伏安法（Differential Pulse Voltammetry, DPV）、安培法与电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）等成熟读出示意模式，配合电化学仪器本身固有的微型化、低成本、操作简便与系统集成优势，使其非常适用于现场分析、体内检测与连续监测。
植物健康监测的电化学传感策略
植物健康相关分子的电化学监测根植于界面信号转导，通过电极过程将分子变化转化为可测量的分析输出。根据信号模态，策略涵盖基于电流、电位与阻抗变化的传统电化学方法，以及依赖于光电流或发光变化的电化学-光学耦合策略，如光电化学（Photoelectrochemistry, PEC）与电化学发光（Electrochemiluminescence, ECL）。从提取样品的离体分析到活体原位连续监测，从本征电活性物质到弱电活性或电惰性靶标，电化学传感已从直接氧化还原读值演进为识别耦合与集成平台技术。
3.1 植物健康相关分子的离体电化学传感
3.1.1 电活性分子的直接电化学监测
对于具有本征电活性或在特定电极界面可发生稳定氧化还原反应的目标分子，最直接的传感路径是检测其特征电位、电流或界面电荷转移响应，主要依托CV、DPV、安培法与EIS等常规电化学读出示意，核心在于优化电极材料、纳米结构界面与电催化效率。H2O2、SA、IAA及部分酚类或抗氧化代谢物的氧化还原行为可直接提供定量分析的信号基础，非常适合直接电化学监测。
H2O2是直接电化学监测最具代表性的靶标之一，作为参与植物氧化应激响应的核心ROS，可在电极表面发生还原或氧化反应并产生浓度依赖性电流响应。裸电极检测H2O2常面临过电位高与共存物种干扰的问题，因此常引入贵金属、碳材料、导电水凝胶与酶修饰界面以降低反应势垒、加速电子转移并提升选择性。例如，在搭载纳米金修饰ITO电极的纸基分析装置中，金纳米结构有效催化H2O2在电极界面的氧化还原反应，产生稳定可区分的电化学信号，实现了感染灰霉菌番茄叶片中H2O2的离体监测，检测限达1 μM。类似地，基于CuO与Co3O4纳米结构的非酶电化学传感器中，金属氧化物表面促进H2O2的电子转移并产生特异性氧化还原响应，可实现盐与除草剂胁迫下黑麦叶提取物中H2O2的离体直接检测。
SA与IAA是代表植物防御与激素功能的分子，具有特征氧化行为。SA的电化学响应主要源于酚羟基在阳极电位下的质子耦合电子转移（Proton-Coupled Electron Transfer, PCET）与不可逆氧化，生成醌类或相关氧化产物，其氧化峰电流与SA浓度相关，构成定量分析基础。例如，Au@Fe3O4纳米复合材料修饰电极通过加速界面电子转移促进SA的直接电氧化，在植物组织中实现离体SA监测，线性检测范围为1.0 μM-1.2 mM，检测限为0.1 μM。IAA检测同样主要依赖吲哚环的不可逆阳极氧化，中性或弱碱性测试环境中，IAA分子吲哚环上的芳香氮原子与共轭芳环协同作用，在电极阳极电位下触发不可逆氧化反应，涉及电子从吲哚环转移并最终形成吲哚醌衍生物，氧化电流强度与IAA浓度呈强线性相关。为提升灵敏度，电极界面常被设计为同时富集IAA并加速电子转移，例如聚合藏花红T还原氧化石墨烯（Polymerized Safranine T-Reduced Graphene Oxide, PST-rGO）修饰电极中，还原氧化石墨烯提供高导电网络促进IAA氧化过程中的电子转移，PST与IAA之间的π-π相互作用促进靶标在电极界面富集，显著放大氧化信号，可实现1.0×10-7-7.0×10-6M线性范围内的IAA检测，检测限为5.0×10-8M。
广泛存在于植物中的酚类与黄酮类抗氧化分子同样具备良好的电化学可检测性，其信号通常源于邻位或对位酚羟基的逐步氧化脱氢，伴随电子转移与醌型产物形成，可用于单分子定量与植物抗氧化状态评估。除常规电流与电位读出示意外，PEC与ECL可作为电活性或准电活性靶标的高信噪比增强策略，通过光活性材料在光照下产生电子-空穴对，靶分子通过影响界面电荷分离、载流子传输或表面反应动力学调控光电流，或作为共反应物参与ECL过程，将直接氧化还原事件放大为光电流或发光输出。
3.1.2 弱/无电活性分子的识别耦合电化学监测
对于电活性低、无明显电活性或结构过于相似而无法仅通过直接氧化还原反应实现选择性分析的植物健康相关分子，电化学监测需从靶标本征反应转向识别耦合的信号转换。分析信号不再主要源于靶标本身的电化学性质，而是来自靶标识别、催化转化或模板重结合的界面效应，酶、抗体、适配体与分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers, MIPs）成为关键识别元件，生化事件被转化为电流、电位、阻抗、光电流或发光的可测量变化，大幅拓展了植物健康监测的可及靶标范围。
免疫识别特别适用于弱/无电活性植物激素，抗原结合可耦合预工程化的电活性界面并转化为可测量的电化学衰减信号。适配体相比抗体具有体外筛选合成便捷、重现性好、稳定性高与储存方便等优势，靶标结合通常诱导可预测的构象变化，尤其适合基于探针距离调控、界面电荷转移变化或电流变化的电化学转导。分子印迹聚合物相比可能失活的生物识别元件，提供更稳定且可设计的仿生识别界面，通过模板分子在聚合物基质中成型后移除，形成与目标形状、尺寸与官能团分布匹配的识别空腔，特别适合复杂基质中弱/无电活性小分子的选择性分析。在识别耦合体系中，PEC与ECL同样可作为高对比度信号输出模式，主要作用是放大靶标识别事件，而非增强直接氧化还原信号。
3.2 活体植物的原位与连续电化学监测
相比提取植物流体的离体分析，活体原位连续监测更强调直接捕获植物体内发生的动态过程，而非仅获取采集样品的终点浓度。电化学平台正从传统大型离体电极向微型化、植入式与柔性可穿戴器件演进，旨在以更低扰动的方式连续读取植物内部信号与表面微环境变化。核心挑战已不再是单纯提升单个传感器的检测限，而是通过器件微型化、界面顺应性与系统集成，使电化学监测更贴近植物生命过程，同时在连续运行中保持生物相容性、力学相容性与信号稳定性。
植入式微电极与微针是单分子原位检测阶段的典型技术路径。自支撑氮掺杂石墨烯微电极可实现水杨酸的原位分析，同心三电极构型支持直接插入植物组织，氮掺杂石墨烯工作电极促进界面电子转移并增强SA氧化响应。微针与微电极平台正逐步从瞬时原位分析向短期连续监测演进，例如一次性不锈钢丝微传感器可实现番茄叶脉中H2O2的连续活体监测，丝素蛋白微针贴片可实现番茄果实不同成熟阶段的非破坏性葡萄糖监测，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）基硝酸盐传感器可插入玉米茎秆实现10小时内的茎部硝酸盐动态连续监测。
与植入式平台不同，植物表面可穿戴器件更强调力学匹配、低扰动附着与大田适用性，发展同样从单信号监测延伸至集成多模态传感。柔性聚酰亚胺基底上的SA电化学传感器可利用Cu-MOF复合材料选择性响应SA氧化，柔性叶片挂载式电化学传感器可监测甲醇挥发排放，集成反向离子导入技术的可穿戴葡萄糖生物传感器可实现甜椒、非洲菊与罗马生菜叶片的非侵入葡萄糖监测，激光诱导石墨烯柔性蛇形三电极系统可实现作物表面农药残留的原位实时分析。目前植物可穿戴器件正从单靶标传感向多参数多模态平台发展，但真正多模态电化学可穿戴系统仍处于早期阶段，未来需更有效地将电化学传感与互补物理及生物电子模态集成，最小化信号串扰，维持界面稳定性并实现多通道数据的协同解读。
展望与结论
电化学传感已从离体分子分析快速拓展至活体植物的植入式、微针与可穿戴原位连续监测平台，但要实现面向实际应用的大田级植物监测，仍需超越分析性能的提升，向四个紧密关联的方向发展：一是功能电极材料的理性设计，需兼顾高活性、高选择性与长期稳定性，协调催化活性、分子识别、传质与抗干扰能力；二是面向胁迫区分的多重与多模态传感，将电化学分子分辨率核心与电生理记录、热传感等物理模态集成，实现信号交叉验证与胁迫类型、阶段的精准判别；三是人工智能驱动复杂植物系统的精准传感，通过机器学习与数据驱动模型实现信号去噪、干扰校正、模式识别与多模态数据融合，将电化学输出与植物生理、环境变量及胁迫表型关联；四是实用化监测的集成与自持电化学系统，向无线、自持平台演进，耦合传感接口与数据采集、信号处理、通信模块及电源管理，结合低功耗电路设计、微型化电子学与太阳能转换、生物能利用等能量收集策略，支撑户外环境的自主运行。
综上，电化学传感正通过实现对植物分子过程的早期、动态、信息丰富的解析，重新定义植物健康监测。该领域正从特异性分子检测向融合先进材料、智能数据分析、自主运行与器件集成的监测技术发展，未来进步依赖于界面工程、分析科学、人工智能与农业部署的紧密耦合，电化学平台有望从前景广阔的分析工具发展为服务植物科学与精准农业的实用技术。
