综述：突破界限，实现对水库中全氟和多氟烷基化合物（PFAS）的监测：从MXene到微流控技术的CRISPR-电化学协同应用——综述

《Biosensors and Bioelectronics》：Breaking Boundaries for PFAS Surveillance in Water Reservoirs: CRISPR-Electrochemical Synergies from MXene to Microfluidics- A Review

　　穆罕默德·阿韦斯|陈永奇|莎基拉·比比|吴俊峰|张伟|伊斯坎德·特利利|胡建东
河南农业大学机械与电气工程学院农业科学激光技术国际联合实验室，中国郑州450002

**摘要**
全氟和多氟烷基物质（PFAS）对水资源的污染问题需要超越现有方法局限性的分析技术，因为现有方法难以同时实现超高灵敏度、特异性、便携性和低成本。因此，本文提出了一种基于分子工程化的磺酸盐-MXenes、CRISPR-Cas12a和微流控自动化协同融合的下一代PFAS监测框架。该文详细分析了磺酸盐修饰的Ti3C2Tx MXenes如何通过仿生结合结构实现对PFAS的皮摩尔级亲和力和快速预浓缩，并阐明了CRISPR-Cas12a在PFAS特异性适配体引导下实现单分子分辨的原子摩尔级灵敏度的机制。最后，本文展示了微流控网络如何协调这些技术，将整个检测过程微型化为一个便携式、多路复用的平台，将分析时间从几小时缩短到几分钟。这项工作通过整合纳米材料、合成生物学和芯片实验室技术的突破，为超高灵敏度PFAS传感器提供了方法论蓝图，并为实现主动、分散式的水质监测提供了相关路径。

**引言**
全氟和多氟烷基物质（PFAS）对水资源的全球性污染是一个严峻的环境挑战，亟需技术解决方案。这些合成物质在环境中具有无与伦比的持久性，其半衰期在地下水中可超过数十年（Rosato等人，2024年），并且根据最近的CDC生物监测数据，97%的人类血液样本中都检测到了PFAS（Rogers等人，2021年）。它们的环境普遍性伴随着严重的毒理学问题，包括降低疫苗反应、肝毒性、出生体重低、神经发育迟缓和内分泌干扰（Cui等人，2020年；Lv和Sun，2021年；Tachachartvanich等人，2022年；Wang等人，2013年）。流行病学研究表明，PFAS暴露与不良健康结果之间存在明确的剂量-反应关系，例如每毫升血清中全氟辛烷磺酸（PFOS）浓度每增加1 ng，甲状腺癌风险增加17%（van Gerwen等人，2023年），而暴露于超过2 ppt全氟辛酸（PFOA）的儿童疫苗效力降低23%（Sigvaldsen等人，2024年）。各国监管机构已采取越来越严格的标准，尤其是美国环保署（EPA）在2023年提出饮用水中PFOA和PFOS的最大污染物水平为4 ppt（EPA方法1633：PFOS的LOD = 1.8 ppt，PFOA的LOD = 2.0 ppt），但由于缺乏分析标准，仍有超过12,000种PFAS未被监测（Rehman等人，2023年）。

PFAS监测面临的分析挑战源于三个基本特性：
1. 碳-氟键的稳定性导致两个分析难题：首先，PFAS在LC-MS/MS组件（PTFE密封件、管路、试剂瓶）中普遍存在，造成持续的背景污染；其次，当尝试降解时，添加的阳离子试剂会与阴离子PFAS形成离子对，改变色谱行为并抑制离子化效应，标准EPA方法（1633）无法纠正这一问题（Navarathna等人，2025年；Restek，2025年）；
2. 两亲性结构使提取变得复杂；
3. 可变的水溶性（μg/L至mg/L）要求进行预浓缩（Bell等人，2021年；Manz，2024年；Richardson和Manasfi，2024年）。

C-F键的高电负性、空间特性和大范德华半径以及其热力学稳定性使得常规方法（如GC-MS）无效。此外，已知PFAS化合物的结构多样性（包括链长（C4-C18）、分支模式（线性 vs. 分支）和官能团（羧酸盐、磺酸盐、醚）带来了分析复杂性，如色谱共洗脱、质谱干扰和抗体交叉反应，这些问题超出了靶向检测方法的能力（Houck等人，2021年；Liu等人，2025b；Su和Rajan，2021年）。液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）已达到PFAS检测所需的亚ppt水平（Forster等人，2024年；Zhang等人，2025年）。然而，该技术存在固有的分析限制：复杂基质引起的离子抑制效应需要大量样品处理，等压干扰需要高分辨率质谱仪（QTOF/Orbitrap）（Shapiro等人，2025年；Sun等人，2025年；Wang等人，2025b）。

现场可部署的替代方法面临更大的挑战，免疫测定法在验证研究中与非目标化合物的交叉反应率为32-45%，分子印迹聚合物（MIP）传感器在实地试验中的信号漂移超过15%（Altay等人，2023年；Animashaun和Slaughter，2025年；Moaaz等人，2025年）。然而，材料科学和生物技术的最新进展正在克服PFAS检测的关键限制，包括灵敏度不足、现场稳定性差和无法区分结构类似物等问题，通过技术集成实现了这些突破（Cui等人，2024年；Zahra等人，2025年）。类似的项目，如Interreg Meuse-Rhine PFAS-REsolve项目，正在西北欧积极开发集成传感器技术以解决从实验室到现场的转化差距（PFAS-REsolve，https://www.interregmeuserhine.eu/nl/projecten/pfas-resolve/）。

二维过渡金属碳化物（MXenes），特别是磺酸盐修饰的碳氮化钛Ti3C2Tx，作为PFAS传感的优越基底，由于其独特的平面导电性（24,000 S/cm）和可调的层间距（0.9-1.6 nm），优化了PFAS的扩散和氧化还原循环，其检测限达到了ppt级别，优于碳纳米管（3.2% ΔR/R0）和金纳米颗粒（5.8% ΔR/R0），在灵敏度和选择性方面表现更优（de Leuze等人，2025年；Kim等人，2018年；Rundla等人，2025年；Wu等人，2020年）。这种性能源于MXenes的皮摩尔级亲和力（PFOA的Ka = 2.1 × 10^11 M^-1），这是由于PFAS分子与工程化的磺酸盐末端之间的静电和疏水相互作用，其结合强度是氧化石墨烯氧基的十倍（Zahra等人，2022年）。

基于CRISPR的创新通过可编程gRNA-PFAS识别解决了特异性问题（Kohabir等人，2025年），利用Cas12a的附带切割活性实现了原子摩尔级检测限（Wang等人，2023c），而微流控自动化通过纳升级流体处理降低了成本并消除了对大型仪器的需求（Asadian等人，2024年；Zhu等人，2024年）。这些进步共同使得实验室级别的灵敏度能够在现场部署的格式中实现，解决了传统方法中长期存在的检测性能与操作实用性之间的权衡。因此，本文提出了一个框架，通过阐明基于CRISPR的分子识别与MXene电化学传感的协同整合来应对全球PFAS污染问题。分析指出了通过技术融合推进水资源安全的三个关键途径：首先，本文确立了CRISPR-Cas12a修饰MXene界面的基本设计原则，实现了可编程的目标特异性和稳健的环境稳定性；其次，系统评估了与优化适配体序列结合的磺酸盐修饰MXenes，揭示了这些混合架构如何克服PFAS结构多样性和长期现场操作的双重挑战（能够在30天的部署中保持<5%的信号漂移）；最后，本文提出了针对CRISPR-电化学平台的定制方案，解决了关键技术发展中的关键差距。

**文献计量分析**
为了提高PFAS污染监测和缓解策略的有效性，需要全面了解动态的科学景观。文献计量概述概述了PFAS研究的主题和合作方面，突出了促进创新的关键知识集群和学科交叉点。关键词共现网络（图1a）强调了“暴露”、“毒性”和“多氟烷基物质”的核心研究主题。

**PFAS的环境持久性、人类健康影响及现行法规**
全氟和多氟烷基物质是在20世纪40年代作为曼哈顿计划的一部分开发出来的，用于铀的富集，其用途迅速扩展并多样化，形成了超过4,700种注册化合物，导致广泛的环境污染（Domingo和Nadal，2019年；Sidnell等人，2022年）。虽然高浓度（>1,000 ng/L）通常出现在工业排放区或下游受体区附近，但现代检测方法已发现某些水平的PFAS污染（1-10 ng/L）。

**精准PFAS捕获**
磺酸盐修饰MXenes的工程缺陷结构是PFAS捕获材料的关键进展，结合了原子级别的精准度和工业规模的可制造性。基于其仿生结合结构，这些材料通过策略性工程缺陷实现了前所未有的性能。经过像差校正的高分辨率透射电子显微镜显示，受控氧等离子体处理引入了5.2 ± 0.8 nm的边缘缺陷。

**CRISPR-Cas12a系统用于单分子PFAS分辨**
CRISPR-Cas12a系统的潜力在于其可编程的特异性和单分子灵敏度（Guo等人，2023年）。从PFAS-蛋白质复合物的高分辨率晶体结构工程化的DNA适配体是这项技术的基础（Moldogazieva等人，2020年；Wen等人，2024年）。对于PFOS的识别，一个模仿ERα配体结合域（残基394-407）的适配体通过十二轮微流控定向进化得到了优化。

**与现有被动采样技术的比较**
为了评估所提出的CRISPR-MXene-微流控平台在现场部署的适用性，表3提供了与现有被动采样技术的直接比较。被动采样器如PFAS-POCIS（极性有机化学集成采样器）和PFAS-SPMD（半透膜装置）广泛用于14-28天部署期间的PFAS浓度时间加权平均（TWA）测量。Vrana等人（2021年）证明PFAS-POCIS能够实现检测。

**综述文献总结**
本文研究了三种PFAS检测技术的整合：CRISPR-Cas12a生物传感、MXene纳米材料和微流控系统。根据引用的文献，磺酸盐修饰的Ti3C2Tx MXenes报告的PFOS吸附能力为1,820 ± 120 mg/g，结合亲和常数（Ka）为2.1 × 10^11 M^-1。CRISPR-Cas12a系统与适配体识别结合使用时，报告的检测限低至...

**作者贡献声明**
伊斯坎德·特利利：撰写——原始草稿、验证、调查
未引用参考文献
EPA，美国，2024年；斯德哥尔摩公约，2025年。

**利益冲突**
本文作者声明没有已知的潜在利益冲突。

**资助**
本工作得到了河南省重点项目（221100320200）、河南省科技研究（联合基金）项目（编号242103810027）以及中国“十四五”计划期间的国家重点技术研发计划（2021YFD1700904）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢中国郑州的河南农业大学和河南省为实验提供资源、现场和实验室访问支持。