新型场效应晶体管传感器：大肠杆菌检测的新“速度”

　　大肠杆菌是一种常见的革兰氏阴性杆菌，包括无害的肠道共生菌株和致病菌株。致病性大肠杆菌是食品和水源污染的主要原因之一，也是超过90%尿路感染的病原体。据统计，每年有数百万人因大肠杆菌感染而患上胃肠道炎症。由于抗生素耐药菌株的增加以及感染症状的相似性，快速、准确地诊断大肠杆菌感染变得极具挑战性。传统的实验室检测方法耗时长(通常需要24-72小时)，且需要专业设备和人员，难以在资源匮乏地区普及。因此，开发快速、灵敏的现场检测(POC)设备显得尤为重要。

　　近日，德黑兰大学生物工程学院纳米生物技术与仿生学系的Hale Alvandi团队等在Talanta期刊上发表了题为 ：Rapid and sensitive whole cell E. coli detection using deep eutectic solvents/graphene oxide/gold nanoparticles field-effect transistor论文。

　　此次研究中，DES/GO/AuNPs-FET 传感器的制备过程较为复杂且精细。首先，通过光刻和 Cr/Au 沉积技术制作场效应晶体管;接着，将摩尔比为 1:2 的氯化胆碱和乙二醇混合制备低共熔溶剂(DES)，并添加不同浓度的氧化石墨烯(GO)，经超声和搅拌制成 DES/GO 复合材料，确定最佳 GO 浓度为 6mg/ml 后，将其置于传感器表面烘干。随后，利用溅射法在复合材料表面形成金纳米粒子(AuNPs)，再借助 EDC/NHS 化学反应，使胺基终止的单链 DNA 适体固定在传感器上，最后用乙醇胺封闭剩余羧基。

　　图1：对比 GO 和 DES/GO 的 ATR-FTIR 曲线，表明 DES 在 GO 表面产生多种功能基团。

　　图2：FESEM 图像显示 DES 覆盖 GO，有 AuNPs 形成，且处理后 GO 表面特性改变。

　　图3：EDX-Map 图像证明适配体成功固定在纳米生物传感器上。

　　从传感器性能表现来看，DES/GO/AuNPs-FET 展现出诸多优势。ATR-FTIR 分析、FESEM 观察和 EDX-Map 分析等多种表征手段证实，DES 不仅能在 GO 表面产生不同功能基团、增加表面面积和功能基团数量，还能促使 AuNPs 自组装形成，且成功实现了适体在传感器上的固定。在检测大肠杆菌时，该传感器的检测限低至 3CFU/ml，线性范围为 3 - 3×10⁶CFU/ml，解离常数(Kd)为 6CFU/ml，表明适体与大肠杆菌亲和力高。同时，它能在 1 分钟内快速响应，实现实时电流监测，且不受其他革兰氏阳性和阴性细菌干扰，选择性良好。在稳定性和可重复性方面，传感器在 4°C 下放置 4 周仍能保持良好稳定性，虽然超声去除复合材料后可重复使用 5 次，但操作耗时，后续需进一步研究优化。在实际样本分析中，该传感器在人血清样本检测里回收率高，即便样本中存在其他细菌，也能精准检测出目标大肠杆菌。

　　图4：(a) 显示 DES/GO 和 DES/GO/AuNPs FET 的特性及 AuNPs 对电流的影响;(b) 展示适配体修饰后及捕获大肠杆菌时变化。

　　图5：DES/GO/AuNPs FET 对大肠杆菌的响应曲线、线性范围和检测限。

　　图6：DES/GO/AuNPs FET 对不同浓度大肠杆菌的实时检测曲线。

　　与其他检测方法相比，DES/GO/AuNPs-FET 优势明显。传统培养法检测大肠杆菌至少需 10 小时，PCR 检测需 4 小时且检测限为 10³CFU/ml，荧光法检测限为 50.2CFU/ml，流式细胞术检测限则高达 10⁵CFU/ml。而新型传感器不仅检测限低，检测速度还更快，且无需标记，在即时检测(POC)领域极具应用潜力。

　　图 7：(a) 体现传感器对不同细菌的响应差异;(b) 展示对目标和非目标革兰氏阴性细菌的实时响应，证明选择性。

　　图 8：展示 DES/GO/AuNPs FET 在 4°C PBS 缓冲液中的稳定性。

　　图 9：为 DES/GO/AuNPs FET 在人血清中的干扰测试结果，表明可选择性检测目标细菌。

　　总结：这种新型场效应晶体管传感器为大肠杆菌的快速、灵敏检测提供了新方向，有望广泛应用于医疗诊断、食品安全检测等领域，助力相关疾病的早期诊断和防控，不过其在可重复性等方面仍需进一步研究完善，以更好地满足实际应用需求。

　　参考文献：

　　[1] Alvandi H, Rezayan A H, Hajghassem H, et al. Rapid and sensitive whole cell E. coli detection using deep eutectic solvents/graphene oxide/gold nanoparticles field-effect transistor[J]. Talanta, 2025.283:12718