微型碳納米管晶體管生物傳感器，用于快速、超靈敏、無標(biāo)記食品檢測

食源性疾病是通過攝入有害物質(zhì)所造成的疾病，每年有上億人因此住院，嚴(yán)重危害著公共衛(wèi)生安全。金黃色葡萄球菌分泌的腸毒素（SE）是一類具有嘔吐活性的細(xì)菌外毒素，攝入低劑量（ng）便可引起嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)和食物中毒。雖然目前的食品檢測手段多樣但存在各種局限性，比如生化鑒定法傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛，但其存在操作繁瑣、檢測時(shí)間長且靈敏度不高的缺陷；酶聯(lián)免疫吸附測定法（ELISA）雖操作方便，但成本較高且干擾因素多；高效液相色譜（HPLC）能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定量，但存在前處理復(fù)雜、檢測時(shí)間長、設(shè)備龐大且昂貴等不足。除此之外，在食品中存在的毒素往往含量極低，因此還對(duì)檢測技術(shù)的靈敏度要求很高。

近期，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王麗教授課題組開發(fā)了一種微型碳納米管晶體管生物傳感器，可用于超靈敏、無標(biāo)簽和快速檢測食品中的葡萄球菌腸毒素C（SEC），相關(guān)成果以“Amicro-carbon nanotube transistor for ultra-sensitive, label-free, and rapiddetection of Staphylococcal enterotoxin C in food”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Journal of HazardousMaterials上。該研究針對(duì)常見食物樣品（冷凍水產(chǎn)品、牛奶和果汁）進(jìn)行人工污染并檢測，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄球菌腸毒素C的超靈敏、無標(biāo)記且快速地檢測。

圖1 浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管（FG-CNT-FET）生物傳感器的表面結(jié)構(gòu)及結(jié)合流程

溝道表面的氧化釔薄膜由電子束蒸發(fā)鍍膜儀所蒸鍍的金屬釔加熱氧化形成，隨后在溝道表面蒸鍍金納米薄膜，金納米薄膜會(huì)自團(tuán)聚形成金顆粒，自此完成浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管（FG-CNT-FET）的制備以及表面的金納米顆粒修飾。金顆粒作為識(shí)別元件的linker，由于其比表面積足夠小，有效增加了適配體的結(jié)合位點(diǎn)，并且能與巰基修飾的適配體牢牢結(jié)合；氧化釔薄膜于碳管表面的蒸鍍作用是避免金顆粒與碳納米管的直接接觸引起的屏蔽作用。待浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管生物傳感器完成表面修飾后，對(duì)其進(jìn)行核酸適配體的功能化，主要通過打開適配體修飾的5端巰基與金顆粒形成金硫鍵（Au-S）連接于溝道表面。

圖2 浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管（FG-CNT-FET）生物傳感器的性能測試

該研究所使用到的生物傳感器轉(zhuǎn)換器是基于半導(dǎo)體碳納米管制備的傳感芯片，采用適配體作為識(shí)別元件，并在識(shí)別元件與轉(zhuǎn)換器之間蒸鍍氧化釔薄膜制成浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管。在傳感器的靜態(tài)檢測中，該生物傳感器中實(shí)現(xiàn)了PBS環(huán)境中1.25 fg/mL的超低理論檢測，并通過檢測目標(biāo)類似物驗(yàn)證了其良好的特異性。

圖3 浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管（FG-CNT-FET）生物傳感器對(duì)人工污染常見食物樣品的動(dòng)態(tài)檢測

為了模擬真實(shí)的檢測環(huán)境，研究中對(duì)三種常見食物樣品進(jìn)行人工污染并進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測，每個(gè)食物樣品的檢測電流變化趨勢均相同，且響應(yīng)時(shí)間在5 min以內(nèi)，充分展示了在實(shí)際食物檢測當(dāng)中快速篩查的應(yīng)用潛力。隨后在人工污染的冷凍水產(chǎn)食品樣品中，這種傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性和良好的均一性，同時(shí)具有較高的檢測靈敏度（理論檢測限為8.15 fg/mL）以及穩(wěn)定的檢出效率。

這些結(jié)果充分體現(xiàn)了適配體功能化的浮柵型碳納米管場效應(yīng)晶體管生物傳感器具有優(yōu)秀的高靈敏度和可靠性，同時(shí)還能在復(fù)雜食物樣品中實(shí)現(xiàn)快速檢測，為食品安全檢測提供一種高效的檢測方法，有效阻斷食源性疾病的傳播。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131033

審核編輯 ：李倩