黄曲霉毒素B1（AFB1）是一种高毒性、强致癌性的微生物污染物，主要污染玉米、小麦、花生等谷物，其毒性是砷的68倍，对全球公共卫生构成严重威胁。国际机构如FDA和欧盟已设定AFB1在食品中的最大允许限量为2-30 ppb，但现有检测方法如荧光、比色和电化学传感器存在不足：部分方法灵敏度低、设备笨重、成本高，且难以满足现场快速检测需求。场效应晶体管（FET）生物传感器凭借纳米材料的信号放大能力，具有高灵敏度优势，而半导体碳纳米管（CNT）因其准弹道载流子传输、高稳定性等特点，成为FET传感器的理想材料。然而，CNT FET传感器的大规模制备面临重现性差、封装技术不成熟等挑战，且缺乏符合国际标准（如FDA和ICH指南）的方法学验证，限制了其实际应用。本研究旨在开发一种可重现、高精度的CNT FET生物传感器平台，通过优化封装工艺和功能化探针，实现AFB1的现场检测，并系统验证其灵敏度、特异性和稳定性，为食品安全监测提供可靠工具。该研究填补了学术研究与实际应用间的鸿沟，推动了纳米传感器在食品安全领域的标准化进程。

本研究首先聚焦于CNT FET传感器芯片的制备与封装工艺优化。通过晶圆级加工，制备了高纯度半导体CNT薄膜作为沟道材料，并结合钯电极和片上银/氯化银栅极构建传感器结构。

图1. 利用便携式碳纳米管场效应管生物传感装置现场快速识别食品样品中AFB1的示意图

研究内容

图2. CNT FET器件制造与封装。

为提升重现性，引入了氧化铝牺牲层技术：在封装前沉积牺牲层保护传感界面，避免有机污染，封装后通过碱性溶液去除，确保界面清洁。封装采用芯片级封装（COB）和环氧树脂坝技术，形成微型开放腔室，将样品溶液限制在传感区域，同时保护电路免受外界干扰。电学表征显示，77个封装芯片的开启电流（Ion）均值为1.54 μA（标准差0.12 μA），阈值电压（Vth）均值为0.15 V（标准差0.02 V），表明芯片具有优异的一致性。pH传感测试中，8个通道的电流响应（I/I0）在pH 3.0-8.5范围内高度重叠，线性回归曲线近乎重合，验证了传感器的稳定性和可靠性。该封装工艺实现了传感器的高重现制备，为后续生物检测奠定了基础。

图3. 可行性和特性。

为特异性检测AFB1，研究选用高亲和力核酸适体作为探针，通过硫金键固定在CNT FET传感界面的金纳米颗粒上。通过荧光猝灭实验测定适体与AFB1的解离常数（Kd）为0.947 ng/mL，证实其强结合能力。圆二色谱（CD）分析显示，AFB1结合后适体构象从蜷曲变为伸展状态，原子力显微镜（AFM）进一步验证结合后表面高度从0.5-1.5 nm增至1.0-2.5 nm。传感器工作机制基于静电感应：p型CNT FET在修饰带负电的适体后，载流子浓度增加，电流升高；加入AFB1后，适体构象变化导致负电荷远离界面，载流子浓度降低，电流下降，且下降幅度与AFB1浓度成正比。实时动态响应曲线表明，传感器在60秒内即可实现快速检测，优化后适体浓度为200 nM，反应时间40分钟达到平衡。该部分证明了CNT FET传感器结合适体探针的可行性，为高灵敏检测提供了理论依据。

图4. 敏感性分析

依据FDA和ICH指南，对传感器进行了系统方法学验证。在标准溶液中，AFB1浓度范围1 fg/mL-100 pg/mL内，响应值（Res=电流变化率）与浓度对数呈线性关系（Res=0.08lgC+1.27），检测限（LOD）低至0.55 fg/mL，定量限（LOQ）为6.10 fg/mL。在复杂食品基质（玉米样本）中，LOD进一步降至0.25 pg/kg，线性方程为Res=0.02log2C+0.12。特异性测试显示，传感器对AFB1响应显著（20%±0.8%），而对高浓度异构体（如AFB2、AFG1）和干扰毒素（如脱氧雪腐镰刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮）的响应低于8%，交叉反应系数低至1.8×10^-7。重复性方面，10次平行检测AFB1标准溶液和玉米样本的标准偏差分别为0.02和0.02，耐受性为0.07和0.06，表明方法重现性良好。稳定性测试中，12小时内响应标准偏差<0.01，7天内检测结果保持稳定（第5天响应为首日的85%）。这些数据全面验证了传感器符合国际标准的高精度与可靠性。

图6. 花生样品的单盲检测。

通过单盲测试评估传感器在实际食品样本中的性能。30个花生样本（10个阴性、20个阳性）的检测结果显示，阳性样本响应值显著高于阴性样本（p<0.001），传感器定性分析准确率达100%。与ELISA方法对比，Pearson相关系数为0.9989，表明传感器定量结果与标准方法高度一致。便携式检测系统重0.7 kg，可在60秒内完成检测，凸显其现场应用优势。该测试证实了传感器在真实场景下的实用性和可靠性，为食品安全快速筛查提供了有效工具。

 本研究成功开发了一种基于碳纳米管场效应晶体管的重现性高、性能稳定的生物传感器平台，实现了对黄曲霉毒素B1的超灵敏、快速现场检测。通过优化封装工艺和适体功能化策略，传感器在标准溶液和复杂食品基质中均表现出优异性能：检测限低至0.55 fg/mL（标准溶液）和0.25 pg/kg（玉米样本），响应时间小于60秒，且特异性强、重复性好。方法学验证符合FDA和ICH指南，单盲测试准确率100%，与ELISA结果高度相关。该平台不仅解决了CNT FET传感器重现性差的挑战，还通过便携式系统实现了“即插即用”检测，为食品安全监测提供了标准化工具。未来，该技术可扩展至其他毒素或生物标志物检测，在环境监测、疾病诊断等领域具有广阔应用前景。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08323.