一种高效选择性且经济实惠的阻抗生物传感器，用于检测Cylindrospermopsin，该传感器采用适配体功能化的铅笔石墨电极实现

《Toxicon》：Highly Selective and Cost-Effective Impedimetric Biosensor for Cylindrospermopsin Detection Using an Aptamer-Functionalized Pencil Graphite Electrode

本研究开发了一种基于铅笔石墨电极（PGE）和CYN特异性aptamer的电化学阻抗传感器（EIS），检测限分别为0.78 ng/mL（实验室）和0.97 ng/mL（实际水体），具有高选择性、低成本和环保优势，为cyanotoxin监测提供新方法。

　　近年来，随着人类活动的加剧，淡水生态系统中出现有害蓝藻水华的现象愈发频繁。这种水华主要由营养物质的流失、大气中二氧化碳浓度的上升以及全球变暖等因素共同推动。蓝藻水华不仅影响水质，还会释放出多种有毒物质，其中一种名为 cylindrospermopsin（CYN）的毒素，因其对生物体的基因毒性和细胞毒性而备受关注。CYN 是一种由蓝藻 *Cylindrospermopsis raciborskii* 主要产生的三环胍碱，其在热带、亚热带乃至温带地区的分布日益广泛。由于其能够在生物体内积累并通过食物链传递，CYN 的危害不仅限于水生环境，还可能影响陆地生态系统中的生物。

CYN 的毒性机制涉及多个层面，包括对蛋白质合成的不可逆抑制、对谷胱甘肽（GSH）合成的干扰，以及对 DNA 单链和双链断裂的诱导。这些作用可能导致基因组不稳定，从而对细胞功能和生物体健康造成严重影响。CYN 也被认为具有前基因毒性，因为其需要通过细胞色素 P450 酶进行活化才能发挥毒性作用。在哺乳动物组织实验中，CYN 的暴露已被证实会导致 DNA 损伤和染色体变异，进一步凸显了其对生态和人类健康的潜在威胁。

鉴于 CYN 的危害性，世界卫生组织（WHO）已经设立了相关的水质标准，以保护公众健康。对于长期饮用水暴露，WHO 推荐的 CYN 指导值为 0.7 μg/L；短期饮用水暴露为 3 μg/L；而在用于娱乐性水域时，指导值则提高至 6 μg/L。这些标准为 CYN 的监测和控制提供了重要依据，但实际检测中仍面临诸多挑战。传统方法如酶联免疫吸附测定（ELISA）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）虽然在实验室中广泛应用，但它们往往需要复杂的设备、较长的检测时间以及昂贵的试剂和耗材。因此，开发一种快速、灵敏、便携且无需标记的检测技术，对于现场环境监测具有重要意义。

电化学阻抗谱（EIS）作为一种非破坏性、高灵敏度的检测手段，已被广泛应用于生物传感领域。EIS 通过测量电化学界面的阻抗变化，能够有效反映生物分子之间的相互作用。与传统的检测方法相比，EIS 不仅具有更高的检测速度，还能提供关于生物识别过程的动态信息。此外，EIS 在检测过程中无需使用荧光标记或放射性物质，这使得其在环境监测中更加安全和环保。

在生物传感技术中，适配体（aptamer）因其独特的结构特性而被广泛采用。适配体是一种短链的 DNA 或 RNA 分子，具有高度的稳定性和强亲和力。它们能够特异性地结合多种目标分子，包括氨基酸、蛋白质、毒素和微生物。这种结合能力源于适配体的三维结构和功能性末端基团，使其在检测过程中能够产生显著的构象变化。这种构象变化可以直接影响电化学信号，从而实现对目标分子的高灵敏度和高选择性检测。

本研究旨在开发一种基于适配体的电化学传感器，以提高对 CYN 的检测效率和准确性。通过有效的适配体固定技术，CYN 特异性适配体（cynApt）被成功固定在高导电性的铅笔石墨电极（PGE）上。这种固定方式利用了电化学方法，使得适配体能够在电极表面稳定存在。相比传统的金电极和石墨烯电极，PGE 具有更低的成本和更高的环境友好性，同时还能提供良好的电化学性能。因此，PGE 成为了一种理想的替代材料，用于构建高效、经济且环保的传感器平台。

在检测过程中，CYN 与固定在 PGE 表面的 cynApt 之间的结合会导致适配体构象的变化，这种变化可以通过 EIS 技术进行监测。具体而言，EIS 通过测量电极表面的电荷转移电阻变化，从而反映 CYN 与适配体之间的相互作用。实验结果表明，该传感器在实验室条件下的检测限为 0.78 ng/mL，在实际水体条件下的检测限为 0.97 ng/mL，检测范围为 1–20 ng/mL。这一检测范围覆盖了 CYN 在环境中的常见浓度水平，表明该传感器具有良好的实际应用潜力。

为了进一步验证该传感器的选择性，实验还测试了其在不同水体条件下的对其他蓝藻毒素（如 okadaic acid 和 saxitoxin）的识别能力。结果显示，该传感器在实验室和实际水体中均能有效区分 CYN 与其他毒素，从而确保了其在复杂环境中的检测准确性。这种高选择性对于实际环境监测至关重要，因为水体中可能存在多种毒素，需要准确识别特定的目标分子。

此外，本研究还探讨了适配体固定技术对传感器性能的影响。通过优化适配体的固定条件，如电极表面的功能化处理和适配体与电极之间的相互作用方式，研究人员成功提高了传感器的灵敏度和稳定性。这些优化措施不仅提升了检测效果，还为后续研究提供了重要的参考。

本研究的创新点在于首次将 CYN 特异性适配体与 PGE 结合，构建了一个基于 EIS 的适配体传感器平台。这一平台不仅在成本和环保性方面具有优势，还在检测性能上与传统的金和石墨烯基传感器相当。这种技术的突破为现场环境监测提供了新的思路和方法，同时也为相关研究领域的发展带来了积极的推动。

在实际应用中，该传感器可以用于实时监测水体中的 CYN 含量，帮助环境管理部门及时采取措施，防止 CYN 的进一步扩散。同时，该传感器也可以用于研究 CYN 在不同环境条件下的分布和变化趋势，为生态系统的保护和管理提供科学依据。此外，该技术还可以推广到其他毒素的检测中，提高环境监测的全面性和准确性。

本研究的成果表明，基于适配体的电化学传感器在 CYN 检测中具有广阔的应用前景。通过结合 PGE 的高导电性和适配体的高选择性，该传感器能够在复杂环境中实现对 CYN 的高灵敏度检测。这不仅为 CYN 的现场监测提供了新的工具，也为环境保护和公众健康保障提供了技术支持。未来的研究可以进一步优化该传感器的性能，提高其在实际应用中的稳定性和可靠性，同时探索其在其他毒素检测中的适用性。

综上所述，CYN 的检测对于保护生态环境和人类健康具有重要意义。本研究开发的基于 PGE 和 cynApt 的电化学适配体传感器，不仅在成本和环保性方面具有优势，还在检测性能上表现出色。通过 EIS 技术，该传感器能够实现对 CYN 的高灵敏度和高选择性检测，为环境监测提供了新的解决方案。这一研究的成果有望在未来的环境监测和食品安全检测中发挥重要作用，推动相关技术的发展和应用。