微型碳纳米管晶体管生物传感器，用于快速、超灵敏、无标记食品检测

食源性疾病是通过摄入有害物质所造成的疾病，每年有上亿人因此住院，严重危害着公共卫生安全。金黄色葡萄球菌分泌的肠毒素（SE）是一类具有呕吐活性的细菌外毒素，摄入低剂量（ng）便可引起严重的炎症反应和食物中毒。虽然目前的食品检测手段多样但存在各种局限性，比如生化鉴定法传统且应用广泛，但其存在操作繁琐、检测时间长且灵敏度不高的缺陷；酶联免疫吸附测定法（ELISA）虽操作方便，但成本较高且干扰因素多；高效液相色谱（HPLC）能够实现准确定量，但存在前处理复杂、检测时间长、设备庞大且昂贵等不足。除此之外，在食品中存在的毒素往往含量极低，因此还对检测技术的灵敏度要求很高。

近期，华南农业大学王丽教授课题组开发了一种微型碳纳米管晶体管生物传感器，可用于超灵敏、无标签和快速检测食品中的葡萄球菌肠毒素C（SEC），相关成果以“Amicro-carbon nanotube transistor for ultra-sensitive, label-free, and rapiddetection of Staphylococcal enterotoxin C in food”为题发表在国际化学权威杂志Journal of HazardousMaterials上。该研究针对常见食物样品（冷冻水产品、牛奶和果汁）进行人工污染并检测，实现了对葡萄球菌肠毒素C的超灵敏、无标记且快速地检测。

图1 浮栅型碳纳米管场效应晶体管（FG-CNT-FET）生物传感器的表面结构及结合流程

沟道表面的氧化钇薄膜由电子束蒸发镀膜仪所蒸镀的金属钇加热氧化形成，随后在沟道表面蒸镀金纳米薄膜，金纳米薄膜会自团聚形成金颗粒，自此完成浮栅型碳纳米管场效应晶体管（FG-CNT-FET）的制备以及表面的金纳米颗粒修饰。金颗粒作为识别元件的linker，由于其比表面积足够小，有效增加了适配体的结合位点，并且能与巯基修饰的适配体牢牢结合；氧化钇薄膜于碳管表面的蒸镀作用是避免金颗粒与碳纳米管的直接接触引起的屏蔽作用。待浮栅型碳纳米管场效应晶体管生物传感器完成表面修饰后，对其进行核酸适配体的功能化，主要通过打开适配体修饰的5端巯基与金颗粒形成金硫键（Au-S）连接于沟道表面。

图2 浮栅型碳纳米管场效应晶体管（FG-CNT-FET）生物传感器的性能测试

该研究所使用到的生物传感器转换器是基于半导体碳纳米管制备的传感芯片，采用适配体作为识别元件，并在识别元件与转换器之间蒸镀氧化钇薄膜制成浮栅型碳纳米管场效应晶体管。在传感器的静态检测中，该生物传感器中实现了PBS环境中1.25 fg/mL的超低理论检测，并通过检测目标类似物验证了其良好的特异性。

图3 浮栅型碳纳米管场效应晶体管（FG-CNT-FET）生物传感器对人工污染常见食物样品的动态检测

为了模拟真实的检测环境，研究中对三种常见食物样品进行人工污染并进行动态检测，每个食物样品的检测电流变化趋势均相同，且响应时间在5 min以内，充分展示了在实际食物检测当中快速筛查的应用潜力。随后在人工污染的冷冻水产食品样品中，这种传感器表现出优异的可靠性和良好的均一性，同时具有较高的检测灵敏度（理论检测限为8.15 fg/mL）以及稳定的检出效率。

这些结果充分体现了适配体功能化的浮栅型碳纳米管场效应晶体管生物传感器具有优秀的高灵敏度和可靠性，同时还能在复杂食物样品中实现快速检测，为食品安全检测提供一种高效的检测方法，有效阻断食源性疾病的传播。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131033    

审核编辑 ：李倩