基于磁性金属有机框架（MOF）与石墨烯场效应晶体管（GFET）的超灵敏传染病病原体检测平台

近日，一项发表于《Bioelectrochemistry》的研究提出了一种创新的传感平台，通过将磁性金属有机框架材料（MOF）与石墨烯场效应晶体管（GFET）相结合，实现了对SARS-CoV-2病原体的超灵敏检测，为传染病早期诊断提供了新的技术路径。

研究背景

传染病的高传播性和致病性对全球公共卫生构成持续威胁。现有检测技术如ELISA、PCR等虽广泛应用，却存在耗时较长、操作复杂及设备依赖度高的问题，难以满足现场快速检测的需求。尤其在高复杂基质（如血清、环境样本）中，病原体的特异性识别和检测灵敏度更是面临严峻挑战。

创新方法

研究团队设计了一种核壳结构的磁性复合材料Fe₃O₄@MIL-100，并通过表面功能化修饰SARS-CoV-2特异性抗体（AntiE₂），形成具有高效捕获能力的识别探针。该材料不仅具备高比表面积和良好稳定性，还因Fe₃O₄的磁性实现了在外加磁场下的快速分离，极大简化了样本预处理流程。

图1 （A）四氧化三铁（Fe₃O₄）的扫描电子显微镜（SEM）图像。（B）四氧化三铁@MIL-100（Fe₃O₄@ MIL-100）的扫描电子显微镜图像。（C）四氧化三铁@MIL-100/抗E₂（Fe₃O₄@ MIL-100 / AntiE₂）的扫描电子显微镜图像。（D、E）四氧化三铁@MIL-100/抗E₂（Fe₃O₄@ MIL-100 / AntiE₂）的透射电子显微镜（TEM）元素分布图。（F）不同样品的zeta电位。

XPS与FT-IR分析结果证实AntiE₂成功接枝于MOF表面，氮元素分布图谱和C–N特征峰（285.9 eV）为修饰效果提供了直接证据。磁性测量表明，功能化后的材料仍保持超顺磁性，饱和磁化强度为28.6 emu·g⁻¹，足以满足分离需求。

技术突破

该平台的核心突破在于将MOF材料的富集能力与GFET的高灵敏度检测相结合。石墨烯晶体管通过化学气相沉积制备，并经1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯（PASE）修饰后固定检测抗体（AntiE₁），形成高特异性传感界面。

图2 （A）石墨烯场效应晶体管（GFET）传感器在磷酸盐缓冲液（PBS）中检测严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）的转移曲线，检测浓度范围为1 ag/mL至100 ng/mL。（B）GFET的狄拉克点偏移量与Fe₃O₄@MIL-100/AntiE₂-SARS-CoV-2浓度的对数之间的线性关系符合线性方程y = 0.2870 + 0.0136x\) (R2=0.9611)。（C）在存在AntiE的情况下，GFET传感器在人血清中检测SARS-CoV-2的转移曲线，检测浓度范围为1 ag/mL至100 ng/mL。（D）GFET的狄拉克点偏移量与Fe₃O₄@MIL-100/AntiE-SARS-CoV-2浓度的对数之间的线性关系符合线性方程y = 0.2946 + 0.0138x\)（R2=0.9375）。（小写字母表示不同MOF浓度之间存在显著差异（p < 0.05）。

在PBS缓冲液中，该传感器展现出1 ag/mL至10 ng/mL的宽线性检测范围，检测限低至8.60 ag/mL。即使在成分复杂的人血清样本中，检测限也仅为10.3 ag/mL，显著优于传统ELISA方法（LOD=9.00 μg/mL）。

应用前景

该平台在真实血清样本中成功实现了46.9%的病原体捕获率及高灵敏度检测，证明了其在临床样本中的应用潜力。传感器表现出良好的重现性（RSD=0.42%)，且经洗脱和再修饰后可重复使用，具备较好的经济性与稳定性。

图3 （A）不同样品的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）。（B）不同样品的X射线衍射（XRD）图谱。（C）不同样品的振动样品磁强计（VSM）测试结果。（D）经Fe₃O₄@MIL-100/AntiE₂吸附前后磷酸盐缓冲液（PBS）的紫外-可见（UV-Vis）光谱。

总结与展望

本研究开发的Fe₃O₄@MIL-100/GEFT传感平台兼具磁性分离的便捷性与晶体管检测的高敏感性，为传染病的现场快速检测提供了全新解决方案。未来通过优化抗体选择与微流控集成，该技术有望拓展至多种病原体乃至生物标志物的检测领域，成为公共卫生监测和床边诊断（POCT）的有力工具。

参考文献：

Liu Y, Wang M, Zhou G, et al. Magnetic MOF-based sensing platform integrated with graphene field-effect transistors for ultrasensitive detection of infectious disease[J]. Bioelectrochemistry, 2025, 165: 108951.