综述：CRISPR/Cas驱动的电化学传感器在食品安全检测中的应用：现状、挑战与未来前景

本综述系统阐述了CRISPR/Cas系统与电化学传感器融合的最新进展，重点介绍了其在病原体、转基因生物（GMO）及小分子污染物等靶标检测中的高灵敏度（High Sensitivity）与特异性（Specificity）优势，并探讨了标准化（Standardization）、多重检测（Multi-targets detection）等挑战及未来智能化（Intelligence）发展方向。

　　

引言

食品安全已成为影响全球人类健康的重大挑战，从食品生产到消费的各个环节都可能存在生物性危害（如细菌、病毒、寄生虫）和化学性危害（如毒素、重金属离子、农药残留）。传统检测方法如色谱法、酶联免疫吸附测定（ELISA）、聚合酶链式反应（PCR）等虽准确性高，但存在设备昂贵、操作复杂、耗时长等局限，难以满足现场快速检测的需求。电化学技术以其设备成本低、灵敏度高、易于微型化等优势，为快速检测提供了理想解决方案。然而，传统电化学传感器在特异性方面存在不足。成簇规律间隔短回文重复序列及其相关系统（CRISPR/Cas）技术的出现，特别是其卓越的靶标识别能力，为电化学传感器带来了革命性的提升。两者结合形成的CRISPR/Cas辅助电化学传感器，兼具高灵敏度、高特异性和便携性，在食品安全检测领域展现出巨大潜力。

食品安全问题及相关检测方法

食品中的风险因素主要包括生物危害和化学危害。生物危害如沙门氏菌（Salmonella）、李斯特菌（Listeria）等食源性病原体，以及病毒和寄生虫。化学危害则包括非法添加物、毒素（如黄曲霉毒素B₁、AFB₁）、抗生素残留、重金属离子（如Pb²⁺）等。这些污染物在复杂的食品基质中含量通常极低，对检测技术的灵敏度和抗干扰能力提出了极高要求。

电化学生物传感器

电化学生物传感器通常由生物识别元件（如酶、抗体、核酸）和信号转换器（电极）构成。其工作原理是将生物识别事件转换为可测量的电信号（如电流、电位、阻抗）。通过修饰电极界面（如使用纳米材料、导电聚合物），可以显著提高传感器的导电性、稳定性和生物相容性，从而增强检测性能。电化学传感器具有操作简便、响应快速、成本低廉以及易于实现设备小型化和自动化等突出优点，非常适合于现场即时检测（Point-of-Care Testing, POCT）。

CRISPR/Cas分子检测技术的建立

CRISPR/Cas系统最初是细菌抵御病毒入侵的适应性免疫系统。随着CRISPR相关蛋白（如Cas9, Cas12a, Cas13a）的发现和机制阐明，其应用从基因编辑扩展到分子诊断领域。例如，Cas12a和Cas13a在特异性结合并切割靶标DNA或RNA后，会表现出非特异性切割单链DNA或RNA的“反式切割活性”（trans-cleavage activity）。这一特性可被巧妙用于信号放大。通过将报告分子（如带有荧光基团或电化学活性基团的寡核苷酸探针）与CRISPR/Cas系统偶联，当靶标存在时，报告分子被非特异性切割，产生可检测的信号，从而实现高灵敏度的检测。

基于CRISPR/Cas与电化学集成检测方法在食品安全中的应用

研究人员已将CRISPR/Cas系统与多种电化学传感策略（如方波伏安法SWV、差分脉冲伏安法DPV、电化学阻抗谱EIS）相结合，成功用于检测多种食品安全相关靶标。

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  细菌和病毒检测：针对食源性病原菌（如大肠杆菌O157:H7、金黄色葡萄球菌）和病毒（如诺如病毒、甲型肝炎病毒），设计了特异性向导RNA（gRNA）。当CRISPR/Cas系统识别靶标基因后，其反式切割活性被激活，切割电极表面的电化学报告分子（如亚甲蓝标记的DNA），导致电信号变化，实现对病原体的超灵敏检测。
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  转基因生物（GMO）检测：通过靶向转基因作物中的特异性外源基因序列（如CaMV 35S启动子、NOS终止子），CRISPR/Cas电化学传感器能够准确区分转基因食品与非转基因食品。
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  小分子物质检测：通过将CRISPR/Cas系统与适配体（Aptamer）或免疫分析相结合，实现了对毒素（如AFB₁）、抗生素（如氯霉素、CAP）和农药（如啶虫脒）等小分子的间接检测。小分子与适配体或抗体的结合事件被转化为核酸信号，进而被CRISPR/Cas系统识别并放大输出电信号。
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  其他靶标：该技术还可应用于检测三磷酸腺苷（ATP，作为微生物污染的指示物）以及重金属离子（如通过金属离子特异性DNA酶介导的CRISPR激活）。

挑战与展望

尽管CRISPR/Cas辅助电化学传感器前景广阔，但仍面临诸多挑战。

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  标准化与认证：目前缺乏统一的性能评估标准、操作规程和质量控制体系，阻碍了其从实验室走向商业化应用和监管认可。
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  多重检测能力：大多数现有传感器仅限于单靶标检测。开发能够同时检测多种污染物的多重检测平台是未来的重要方向。
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  基质干扰：复杂的食品成分（如脂肪、蛋白质）可能抑制CRISPR反应或非特异性吸附在电极表面，导致假阳性或假阴性结果。需要开发更有效的样品前处理方法和抗干扰传感界面。
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  便携式设备开发：将传感元件、信号读出电路、数据处理和结果显示集成到稳定、用户友好的便携式设备中，是实现真正现场检测的关键。
  未来研究方向包括开发更稳定、高效的Cas蛋白变体，探索新的信号放大策略，结合微流控技术实现自动化检测，以及利用人工智能优化传感器设计和数据分析。

结论

CRISPR/Cas系统与电化学传感器的集成，为食品安全检测提供了一种极具吸引力的强大工具。这种组合技术实现了高灵敏度、高特异性和快速检测的完美结合，有望克服传统检测方法的局限性。随着标准化进程的推进、多重检测技术的突破以及便携式设备的完善，CRISPR/Cas辅助电化学传感器有望成为未来食品安全监测体系中的主流技术，为保障全球食品供应链安全提供强有力的技术支撑。