磁性MOF与石墨烯晶体管融合：新型生物传感器实现SARS-CoV-2的超灵敏检测

在传染病防控领域，快速、灵敏的病原体检测技术一直是科研人员追求的目标。近日，内蒙古民族大学的研究团队在《Bioelectrochemistry》期刊发表了一项突破性研究，他们成功开发了一种结合磁性金属有机框架材料（MOF）与石墨烯场效应晶体管（GFET）的传感平台，实现了对SARS-CoV-2核衣壳蛋白的超灵敏检测。

技术创新的迫切需求

传染病对人类健康构成持续威胁，其高传播性和特定病原体的显著致死性已对公共卫生系统造成深远影响。目前常用的病毒检测技术如酶联免疫吸附测定（ELISA）、计算机断层扫描、免疫测定和逆转录聚合酶链反应等，往往耗时较长、成本高昂，且需要复杂的预处理步骤，限制了其在现场检测中的实际应用。

相比之下，基于生物传感器的检测方法近年来发展迅速，具有灵敏度高、速度快、操作简便和自动化程度高等优势。其中，石墨烯场效应晶体管因其优异的电子迁移率、热特性和高比表面积，显著提高了目标检测的灵敏度，特别适合生物样品分析。然而，复杂基质中病原体的存在严重影响了传感器检测方法的特异性和灵敏度。

磁性MOF材料的精巧设计

研究团队通过精妙的材料设计，成功制备了核壳结构的Fe₃O₄@MIL-100磁性MOF材料。扫描电子显微镜图像显示，合成的Fe₃O₄纳米颗粒分散均匀，平均直径为300纳米。经过MOF封装后，形成的Fe₃O₄@MIL-100微球呈现出明显的核壳结构，颗粒尺寸显著增加。

图1 (A) Fe₃O₄的SEM图像。(B) Fe₃O₄@MIL-100。(C) Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2。(D, E) Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2的TEM元素分布图。(F) 不同样品的Zeta电位。 

X射线光电子能谱分析证实了AntiE2抗体在Fe₃O₄@MIL-100表面的成功功能化。C1s光谱中，C-N键出现在285.9电子伏特，C=O峰从288.3移至288.6电子伏特，表明修饰过程中含碳官能团发生了变化。N1s光谱来自AntiE2组分的氮原子，被分解为结合能401.8和399.7电子伏特的两个特征峰，分别对应C-N和C-NH₂基团。

图2 制备样品的XPS光谱。(A) C1s谱。(B) N1s谱。 

傅里叶变换红外光谱显示，所有样品在590厘米⁻¹处都有Fe-O振动吸收峰，表明Fe₃O₄的存在。MOF封装后，在3314、1708和1570厘米⁻¹处出现了新的谱带，分别对应O-H、C=O和O-C-O的伸缩振动。通过EDC反应将AntiE2表面功能化后，在1654.9厘米⁻¹处出现了对应于AntiE2的C=N键的新峰，证实了AntiE2在Fe₃O₄@MIL-100上的成功功能化。

卓越的病原体捕获能力

该磁性MOF材料在PBS溶液中对SARS-CoV-2病原体表现出显著的捕获效率。研究团队将5毫克Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2加入2毫升含有100微克/毫升SARS-CoV-2核衣壳蛋白的PBS悬浮液中，通过磁力搅拌器进行15分钟的主动捕获后，磁性分离Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2-SARS-CoV-2复合物。

图3 (A) 不同样品的FT-IR光谱。(B) 不同样品的XRD图谱。(C) 不同样品的振动样品磁强计(VSM)磁滞曲线。(D) Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2吸附过程前后PBS溶液的UV-Vis光谱。 

紫外-可见光谱分析显示，暴露于功能化MOF材料后溶液的吸光度显著降低，表明成功的病原体捕获活性。经计算，捕获率达到了62.0%，证明了该材料在病原体富集方面的有效性。

GFET传感器的高灵敏度检测

研究团队采用标准湿法转移技术将石墨烯转移到硅基底上制备GFET传感器。银环氧树脂应用于石墨烯两侧形成源极和漏极电极，硅胶浆用于绝缘电极并形成用于特异性抗原-抗体识别的反应室。

该传感平台的检测性能通过测量PBS溶液中不同浓度的富集磁性MOF材料来评估。随着Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2-SARS-CoV-2浓度的增加，GFET中的Vgs逐渐向左移动，表明富集的MOF材料与GFET传感通道之间发生相互作用，导致器件n型掺杂。

图 4. （A）石墨烯场效应晶体管（GFET）传感器在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中检测严重急性呼吸综合征冠状病毒 2（SARS-CoV-2）的转移特性曲线。（B）GFET 的狄拉克点电压变化量与四氧化三铁 @MIL-100 / 抗E₂抗体 - 严重急性呼吸综合征冠状病毒 2浓度对数之间的线性关系。（C）在存在抗E₂抗体的条件下，GFET 传感器在人血清中检测 SARS-CoV-2 的转移特性曲线（D）GFET 的ΔV_Dirac与Fe₃O₄@MIL-100/AntiE-SARS-CoV-2 浓度对数之间的线性关系。 

Vgs的变化与MOF浓度对数图之间建立了良好的线性关系，线性方程为y=0.2870+0.0136 logC（R²=0.9611）。该传感平台的检测限低至8.60 ag/mL，显著优于传统ELISA方法（检测限为9.00 μg/mL）。

实际样本验证与可重用性评估

在人血清这一复杂基质中的检测结果表明，该平台同样表现出色。尽管人血清中含有白蛋白、球蛋白、胆固醇、脂肪酸和维生素等多种干扰分子，但该平台仍实现了10.3 ag/mL的检测限，验证了其在临床样本中的适用性。

可重用性研究显示，经过0.01× PBST冲洗去除结合材料并重新修饰AntiE1后，GFET传感通道仍表现出优异的性能，Fe₃O₄@MIL-100/AntiE2浓度与V_{Dirac}位移之间呈现强线性相关性（R²=0.9849），证实了GFET平台的有效可重用性。

应用前景与意义

这项研究开发的传感平台成功整合了磁性MOFs的快速预富集能力与GFETs的高检测灵敏度，为传染病病原体的高效、快速、现场检测提供了新的技术路径。该平台在PBS溶液和人血清中分别实现了8.60和10.3 ag/mL的检测限，展现了其在临床病原体检测中的巨大潜力。

该技术的成功开发不仅为SARS-CoV-2的检测提供了新方法，也为其他传染病病原体的检测奠定了基础，对未来传染病早期预警和防控具有重要意义。随着进一步的研究和优化，这一技术有望在公共卫生安全领域发挥重要作用，为全球传染病防控提供有力工具。

这项研究得到了国家自然科学基金、内蒙古自然科学基金和内蒙古民族大学博士启动基金等多个项目的支持。

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.