研究背景：脓毒症诊断的迫切需求与技术瓶颈

脓毒症是一种由感染引发的全身性炎症反应综合征，病情凶险，每年影响约 3150万 人，其中 530万 人死亡，被认为是全球最致命、治疗成本最高的疾病之一。大肠杆菌是导致脓毒症，尤其是早产儿脓毒症和新生儿脑膜炎的主要病原体之一。

当前，脓毒症缺乏特异性的实验室诊断金标准，主要依赖临床表现、炎症细胞因子和微生物检测进行综合判断，极易导致诊断混淆。研究表明，脓毒症诊断每延迟 1小时，患者死亡概率增加 7%。因此，开发快速、准确、便捷的病原体检测技术至关重要。

传统的细菌检测方法，如培养法、PCR和免疫分析法，存在耗时长（培养需至少10小时）、操作复杂、需要专业人员和昂贵设备等局限，难以满足床旁即时检测的需求。

技术创新：MXene-GO复合FET传感器的设计与构建

1. 核心材料：MXene与GO的强强联合

本研究首次将新型二维材料MXene与GO复合材料应用于FET生物传感器通道区。

MXene：通过HF蚀刻MAX相（Ti₃AlC₂）制得Ti₃C₂，具有优异的导电性、亲水表面和易于功能化的特性。

氧化石墨烯：作为绝缘体或半导体，其导电性可调。

复合材料优势：MXene的高导电性弥补了GO导电性不足的缺点，二者复合后形成了导电性适宜、稳定且易于修饰的功能界面。GO片层连接MXene纳米片，同时MXene颗粒防止GO片层聚集，形成稳定结构。

2. 传感器设计与制备

研究团队首先利用COMSOL Multiphysics软件对FET结构进行仿真模拟，优化了物理尺寸（通道长度80 μm），预测了电流-电压特性。

制备过程采用光刻和剥离工艺，在硅晶圆上制备Cr/Au源漏电极。随后，将MXene-GO分散液滴铸在FET通道区域，经热处理形成功能化通道。最后，通过EDC/NHS化学交联，将针对大肠杆菌LPS的氨基化单链DNA适配体共价固定于传感器表面，并用乙醇胺封闭未反应位点。

3. 检测原理

传感器基于FET的 电学特性调制原理 工作：

固定于通道表面的适配体可特异性识别并结合目标物（LPS或大肠杆菌表面的LPS）。

结合事件导致适配体构象改变，并将带负电的细菌或生物分子拉近传感器表面。

表面负电荷的增加，排斥通道内的载流子（电子），从而导致 源漏电流（Ids）显著下降。

电流下降的幅度与目标物浓度成正比，从而实现定量检测。

图1. (a) 设计结构，(b) 使用 COMSOL Multiphysics 仿真的 FET 网格划分，(c) 当 Vg 为零时的 Ids / Vds 曲线。

图2. MXene 和 MXene-GO 的制备（尺寸未按实际比例显示以便更好展示，同时使用锥形瓶仅为颜色展示，制备时并不使用）。

图3.使用光刻和剥离工艺制造场效应晶体管传感器

图4. MXene-GO-AptFET的制备及传感策略

实验结果与卓越性能

1. 材料表征确认成功合成

通过FESEM、EDX、XRD和ATR-FTIR对材料进行了系统表征：

FESEM：显示MXene呈现均匀的层状“手风琴”结构，MXene-GO复合后，GO薄层覆盖于MXene片层之上。

EDX：证实MXene中含有Ti、C、O、F元素，Al含量降至5%以下，表明MAX相成功蚀刻。

XRD：MXene的（002）特征峰出现，而前驱体Ti₃AlC₂的峰消失，验证了MXene的成功合成。复合材料的图谱同时包含GO和MXene的特征峰。

ATR-FTIR：显示了复合材料中来自GO的C=O、C-O等含氧官能团峰，以及来自MXene的Ti-O和C-F峰。

2. 超灵敏检测性能

LPS检测：在PBS缓冲液中，传感器对LPS的线性检测范围为 10⁻³ 至 10⁵ ng/mL，检测限低至 1 pg/mL，响应时间为200秒。性能优于传统的鲎试剂法（LOD 4 pg/mL，依赖目视判读）和许多电化学传感器。

全细胞大肠杆菌检测：在PBS缓冲液中，对大肠杆菌的线性检测范围为 3 至 3×10⁶ CFU/mL，检测限为 3 CFU/mL，可在 300秒 内完成实时检测，最大电流变化达74 μA。

3. 高选择性

传感器对目标大肠杆菌表现出极高的特异性。在3×10³ CFU/mL浓度下，对大肠杆菌的响应率为29.1%，而对同样浓度的非目标菌（金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌）的响应率均低于5.55%。即使在高浓度（3×10⁶ CFU/mL）下，对非目标菌的响应也远低于10%。对非目标革兰氏阴性菌的稍高响应可能源于其外膜也存在LPS。

4. 优异的稳定性与重现性

传感器在 4°C 的PBS缓冲液中储存 30天 后，其响应性能与初始响应无显著差异，显示出良好的长期稳定性。团队制作了5个完全相同的传感器，实验重复5次，结果一致，表明制备工艺具有高度的重现性。

5. 复杂实际样本检测能力

研究在 未经任何稀释或预处理 的 人血清样本 中进行了加标回收实验，结果令人振奋：

LPS检测：加标浓度10 ng/mL和100 ng/mL，回收率在 90.00% 至 109.10% 之间。

大肠杆菌检测：加标浓度30 CFU/mL和3×10³ CFU/mL，回收率在 90.32% 至 110.00% 之间。

这表明该传感器能有效克服血清复杂基质的干扰，适用于临床真实样本的快速分析。

图5. MXene-GO-Apt FET在暴露于3 × 10 CFU/ml浓度的大肠杆菌前后的I_ds-V_ds特性曲线(a)。大肠杆菌引起适配体构象变化的示意图以及负电荷大肠杆菌结合引起的电荷分布变化(b)。MXene-GO-Apt FET的响应曲线(c)，以及(d)在不同浓度大肠杆菌(3–3 × 10^6 CFU/ml)下的实时检测，其中V_ds = 1V。

图6. (a) MXene-GO-Apt FET对革兰阴性菌（S. typhimurium 和 P. aeruginosa）和革兰阳性菌（B. subtilis 和 S. aureus）在浓度为(3×10³–3×10⁶ CFU/ml)时的响应；(b) MXene-GO-Apt FET在PBS缓冲液中（4◦C）保存30天后的稳定性，其中 Vds=1V。

技术优势与应用前景

与文献中报道的其他细菌检测生物传感器相比，本研究开发的MXene-GO-Apt FET生物传感器在 检测限、检测时间、样本适用性 方面均具有显著优势。其性能优于许多基于碳纳米管、MoS₂/TiO₂或纯石墨烯的FET传感器。

核心优势总结：

1.超灵敏与快速：极低的检测限（CFU/ml级别）和5分钟内的检测速度，远快于传统培养法。

2.双目标检测：可同时检测细菌及其毒素（LPS），提供更全面的感染信息。

3.高选择性：适配体提供优异的目标识别能力。

4.适用于复杂样本：可直接用于血清检测，无需复杂前处理。

5.操作简便：所需样本量小，具备由非专业人员在床旁使用的潜力。

6.稳定性好：30天内性能稳定，适合实际应用。

总结与展望

本研究成功设计并制备了一种基于MXene-GO复合材料和特异性适配体的新型FET纳米生物传感器。该传感器实现了对脓毒症关键病原体——大肠杆菌及其内毒素LPS的超灵敏、高选择性、快速和实时检测，并在真实人血清样本中验证了其卓越性能。

这项成果标志着 二维纳米材料MXene在生物传感领域应用的重要突破，为解决脓毒症快速诊断这一全球性临床难题提供了强有力的创新工具。未来，通过将该传感器与微流控系统集成，并拓展其适配体库以检测其他病原体，有望开发出多功能、便携式的床旁诊断设备，极大地改善感染性疾病的早期诊断和治疗预后，在公共卫生、临床医学和疫情防控领域具有广阔的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.aca.2025.343816