DNA“水炸弹”遇毒“爆炸”，FET传感器现场狙击黄曲霉素

黄曲霉素B1（AFB1）是主要由黄曲霉和寄生曲霉产生的剧毒、强致癌性真菌毒素。传统检测方法如高效液相色谱、液相色谱-串联质谱和酶联免疫吸附测定法虽灵敏准确，但仪器昂贵、操作繁琐、依赖专业人员，不适用于现场快速筛查。基于电化学、光学和表面增强拉曼散射的生物传感策略被广泛研究以改善现场适用性。其中，场效应晶体管生物传感器因其超高灵敏度、无标记操作、快速响应以及与便携设备的兼容性而备受关注。然而，检测AFB1这类电中性小分子面临巨大挑战，因为它们缺乏固有电荷，无法直接调制FET沟道的电场，导致信号转导弱、灵敏度有限。

刺激响应DNA水凝胶为解决这一问题提供了新思路。这类智能软材料可通过目标物诱导的结构转变放大微弱的生化信号。通过整合适配体的分子识别能力和交联聚合物网络的可调力学性能，DNA水凝胶可在靶标结合时解组装，释放酶等功能性“货物”。将水凝胶解组装与FET读数相结合，可将分子识别事件间接转化为稳健的电信号（如pH变化），从而解决中性分析物检测的难题。然而，实现水凝胶与FET的稳定集成，并在复杂样品基质中保持良好的信号重现性，仍面临实际挑战。

研究内容

图1.DNA水凝胶用于AFB1检测的可行性

水凝胶由丙烯酰胺修饰的DNA链（P-SA和P-SB）与AFB1特异性适配体交联剂杂交形成三维网络，并将脲酶物理包封其中。试管倒置实验证实，P-SA和P-SB两者均为凝胶形成所必需。天然聚丙烯酰胺凝胶电泳分析表明，AFB1优先与适配体-SB双链体结合，导致SB链释放，从而破坏交联网络，引发水凝胶解体。视觉上，水凝胶解体释放的脲酶催化尿素水解产氨，使酚红指示剂从黄色变为粉红色。电学上，pH变化被碳纳米管FET传感器灵敏检测，酸性条件降低电流，碱性条件增强电流。

图2.DNA水凝胶-FET传感平台的性能评估

CNT-FET传感器对pH 4-9的溶液响应良好，电流随pH升高而增加，且在pH 5和8缓冲液中重复测量20次信号偏差极小，重现性优异。传感器可通过去离子水和缓冲液简单冲洗、氮气干燥实现再生，基线电流可完全恢复，允许多次循环使用。对AFB1的检测显示，其转移曲线随AFB1浓度增加（100 fg/mL 至 10 ng/mL）发生规律性右移。响应值与AFB1浓度对数在五个数量级范围内呈线性关系，检出限低至41.69 fg/mL。传感器在7天内性能稳定（RSD 5.03%），并对AFG1、AFG2、赭曲霉毒素A等其他真菌毒素具有高选择性。

图3.污染食品样品中AFB1的检测

传感器能清晰区分污染与未污染样本，计算出的AFB1浓度在污染组中显著更高。受试者工作特征曲线分析显示曲线下面积均为1，表明分类能力完美。将传感器检测结果与ELISA试剂盒结果进行对比，两者在花生和玉米样本中均表现出极强的相关性（R²分别为0.98和0.99）。这证明了该传感器在复杂食品基质中检测AFB1的灵敏度、特异性及与标准方法的一致性，具备作为现场诊断工具的潜力。

图4.DNA水凝胶生物传感器与HPLC的比较评估

对十份AFB1阳性和十份阴性花生样本的平行分析显示，两种方法均能显著区分阳性与阴性样本。ROC分析表明传感器诊断性能完美（AUC=1.00）。Deming回归分析显示，传感器与HPLC的测量结果之间存在强线性相关（R²>0.98）。这表明，尽管传感器在操作简便性、分析时间和成本上具有显著优势，但其提供的定量结果与HPLC方法具有可比性的可靠性，支持其作为实际食品样品中AFB1检测的实用分析工具。

图5.污染样品中AFB1积累的动态监测

在为期五天的培养期内，每日取样检测。传感器记录到AFB1水平随时间呈渐进性、依赖性增加。值得注意的是，在培养第二天，尽管肉眼未见霉菌生长，传感器已检测到AFB1的显著积累，这突出了其在污染表型显现前进行早期检测的独特优势。传感器监测到的动态趋势与ELISA结果高度一致，两者数据呈极强的线性相关（R²>0.98）。这证明了该平台能够灵敏、快速、非侵入性地实时监测多种基质中霉菌毒素的积累，是一种有前景的食品安全早期预警工具。

本研究成功开发了一种基于智能DNA水凝胶的便携式场效应晶体管生物传感平台，有效解决了电中性小分子（如黄曲霉素B1）检测的长期挑战。该平台通过AFB1特异性适配体触发水凝胶网络解体，释放包封的脲酶，催化尿素水解产氨，从而将分子识别事件转化为可测量的pH变化和FET电信号。该传感器实现了41.69 fg/mL的超高灵敏度、优异的选择性和重现性，并在花生、玉米等多种复杂食品基质中与ELISA和HPLC结果高度一致。其突出优势包括：1) 信号放大策略通用：pH介导的转导克服了中性分子无电荷的局限；2) 成本效益与可重用性：简单的冲洗干燥再生流程支持多次检测循环而不损失性能；3) 现场部署潜力：微型化FET架构易于集成到便携设备中，结合用户友好操作，适用于资源有限环境。该工作为连接核酸纳米技术与纳米电子学、开发下一代即时诊断工具在食品安全、环境监测等领域的应用奠定了通用、灵活的基础。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171800