通过电化学适配体传感器监测大肠杆菌样本中的三磷酸腺苷（ATP）

《Bioelectrochemistry》：Adenosine triphosphate (ATP) monitoring in Escherichia coli bacterial samples by an electrochemical aptasensor

　　

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  PPy/AuNP改性的电极增强了电子传输和传感性能。
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  该适配体传感器实现了8.52 pM的检测限，并具有高选择性。
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  该传感平台已成功应用于细菌裂解液。

引言

三磷酸腺苷（ATP）作为细胞的能量货币，在多种生物过程中发挥着重要作用，如代谢过程和疾病进展[1]、细胞内和细胞间信号传导、蛋白质合成、RNA和DNA的转录以及肌肉收缩[2],[3],[4]。ATP水平异常与多种疾病相关，例如帕金森病、阿尔茨海默病、低血糖、肿瘤、心血管疾病、炎症和呼吸系统疾病[5],[6],[7]。ATP存在于所有活细胞和微生物中，包括细菌、霉菌和酵母[8]。因此，测量ATP可以作为监测食品工业中的微生物污染、评估空气质量以及检测尿路感染的关键指标[1],[9]。

适配体作为生物传感器中的识别元件，是通过SELEX（指数富集法系统进化配体）过程获得的短单链DNA或RNA序列[10]。它们可以高亲和力地结合特定的目标，如无机分子、蛋白质、金属离子、病毒甚至整个细胞[11],[12]。与其他识别元件（如酶和抗体）相比，适配体具有合成简单、免疫原性低、亲和力高、结构稳定和成本效益好等优点，因此被广泛用于传感器开发[6],[13],[14]。

聚吡咯（PPy）是一种由五元杂环环组成的导电聚合物。由于其易于合成、稳定性好、毒性低、易于生物分子固定、电聚合电位低、表面积大和电导率优异等特性，它在生物传感器开发中受到了广泛关注[15],[16],[17]。

金纳米颗粒（AuNPs）由于其信号增强、生物分子稳定、良好的生物相容性[18]、化学稳定性高、电催化能力强以及表面积增大等特性，可以有效与PPy等导电聚合物结合用于电极表面修饰[19],[20]。

由于ATP的重要性，已经开发了多种方法来检测和测量ATP浓度，包括荧光法、毛细管电泳、表面增强拉曼光谱、高效液相色谱（HPLC）、生物发光和电化学发光[21],[22],[23],[24],[25],[26]。尽管这些技术具有高灵敏度和准确性，但由于其成本效益高、操作简单、响应迅速、线性范围宽、灵敏度高、样品消耗少和稳定性好等固有优势，电化学传感器受到了广泛关注。电化学方法已被广泛应用于复杂样品中ATP的测定[27]。

在本研究中，基于碳糊电极（CPE）开发了一种电化学适配体传感器，用于检测含有大肠杆菌（E. coli）的样品中的ATP。为了修饰CPE表面并固定适配体，使用了PPy和柠檬酸包覆的金纳米颗粒（AuNPs）。新的平台为适配体的更好固定提供了合适的表面，并改善了传感器的电化学信号。根据现有文献，尚未有关于基于PPy和AuNPs表面修饰的ATP检测适配体的报道。使用铁氰化物[Fe(CN)₆^3?/4?作为氧化还原探针来间接检测ATP。当适配体与ATP相互作用时，探针的氧化还原信号会降低，从而实现ATP的定量。总体而言，所提出的传感平台为电化学适配体生物传感器提供了一种简单而灵敏的方法。

章节摘录

材料

ATP、四水合氯金酸（HAuCl₄·4H₂O）、柠檬酸钠（C₆H₅Na₃O₇）、磷酸二氢钠、吡咯、氢氧化钠、37%盐酸、Tris-HCl盐、石墨粉和乙二胺四乙酸（EDTA）均从Merck公司（德国）购买。此外，从适配体数据库中选择了一种序列为5’-CCTGGGGGAGTATTGCGGAGGAAGG-3′的特定适配体，并从Pishgam Biotech公司（本地公司）购买

设计与传感机制

适配体的制备及其对ATP的检测响应机制如图1（A）和（B）所示。在本研究中，使用[Fe(CN)₆^3?/4?作为电解液中的电化学探针间接检测ATP。[Fe(CN)₆^3?/4?因其高稳定性、可逆行为和快速电子转移率而成为理想的探针。所提出的适配体在5′端进行了胺基修饰。为了将其固定

结论

在这项工作中，成功设计了一种电化学适配体传感器，用于灵敏检测和定量含有大肠杆菌的样品中的ATP。为此，首先用电化学合成的PPy修饰了碳糊电极表面。然后，在电极表面放置了用EDC-NHS修饰的金纳米颗粒（AuNPs），作为适配体固定的连接剂。

为了确保电极的适当修饰，进行了多种表征测试，包括EIS、AFM、FESEM

CRediT作者贡献声明

Sheyda Zangeneh：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、研究、数据整理、概念化。Farnoush Faridbod：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、研究、概念化。Sheida Zoughi：撰写 – 审稿与编辑、可视化、研究、概念化。Mohammad Reza Ganjali：撰写 – 审稿与编辑、可视化、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢德黑兰大学研究委员会对这项项目的支持。

Sheyda Zangeneh|Farnoush Faridbod|Sheida Zoughi|Mohammad Reza Ganjali