隔空“探毒”：MXene-GO场效应晶体管如何锁定血液中的致命病菌

败血症是一种由细菌或毒素引起的全球性致命疾病，每年影响超过3000万人，其中约530万人死亡。大肠杆菌（E. coli）是导致败血症的主要病原体之一，能够引发早发性和晚发性败血症，严重威胁新生儿健康。然而，目前缺乏专门用于败血症诊断的实验室检测方法，传统的培养、PCR和免疫分析技术存在检测时间长、灵敏度低等局限性。因此，开发快速、灵敏的病原体检测技术迫在眉睫。

研究团队设计了一种基于MXene-GO复合材料的场效应晶体管（FET）生物传感器。MXene（Ti₃C₂）通过HF刻蚀Ti₃AlC₂制备，并与GO复合形成高导电性材料。传感器表面固定了针对大肠杆菌外膜脂多糖（LPS）的适配体，当LPS或大肠杆菌细胞与适配体结合时，会引起适配体构象变化，从而改变FET的电流信号，实现对目标物质的检测。

MXene-GO-Apt FET

图 1 MXene和MXene-GO的制备示意图

如图1介绍了MXene和MXene-GO的合成。其中，MXene（Ti3C2）通过HF蚀刻Ti3AlC2制备，并通过离心和冷冻干燥获得粉末。而MXene-GO则是将MXene与氧化石墨烯（GO）按体积比1:1混合，超声处理后搅拌1小时，最终形成MXene-GO复合材料。 

图 2 FET生物传感器的制备及其应用示意图

如图2，FET生物传感器的构建过程包括：利用光刻和剥离工艺在SiO₂衬底上制备Cr/Au电极，并将MXene-GO分散液滴涂在沟道区域，随后通过EDC/NHS化学固定氨基化ssDNA适配体。而当LPS或大肠杆菌细胞与适配体结合时，会引起适配体构象变化，从而改变FET的电流信号，实现对目标物质的检测。

研究团队通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对材料进行表征。

MXene和MXene-GO复合材料的FESEM图像显示，MXene呈现均匀的层状结构，厚度约为31.83-40.14nm，而MXene-GO复合材料中，GO薄层覆盖在MXene上，防止其聚集。而EDX分析显示MXene中Ti、C、O和F的原子百分比分别为24.95%、19.44%、16.84%和33.95%，表明MXene表面形成了新的功能团。此外，XRD和FTIR分析结果表明，MXene-GO复合材料成功整合了MXene和GO的特性，具有良好的结晶度和功能性。

性能检测

研究者对MXene-GO-Apt FET进行检测性能研究。结果显示如下：

图 3 MXene-GO-Apt FET对大肠杆菌的响应曲线

MXene-GO FET的电流-电压特性曲线表明，其电流随电压呈线性增长，这证实了MXene-GO复合材料具有出色的电学性能。在此基础上，MXene-GO-Apt FET对LPS的检测表现出极高的灵敏度，检测限低至1pg/ml，并且能在200秒内快速响应。对于大肠杆菌的检测，该传感器同样表现出色，检测限达到3CFU/ml，并且能在300秒内完成检测（图3）。这些结果充分证明了MXene-GO-Apt FET在快速、灵敏检测病原体方面的巨大潜力。

图 4 MXene-GO-Apt FET对不同浓度的大肠杆菌和其他细菌的响应能力

如图4a，MXene-GO-Apt FET传感器对大肠杆菌表现出高度特异性，对其他革兰氏阴性菌（如沙门氏菌和铜绿假单胞菌）和革兰氏阳性菌（如枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌）的响应极低，显示出良好的选择性对大肠杆菌的选择性。并且在稳定性实验中，将传感器在4℃保存30天后，响应性能保持稳定，适合长期使用（图4b）。

临床应用

研究团队在5份人血清样本中进行了验证实验，LPS和大肠杆菌的回收率均在90%-110%之间，表明传感器无需复杂预处理即可直接应用于临床样本检测。这一特性使其有望成为床旁检测（POC）设备的核心技术，为败血症患者争取宝贵的治疗时间。

这种基于MXene-GO的FET生物传感器具有快速、灵敏、便携的特点，适合非专业人员操作，可作为现场快速检测（POC）工具，用于临床诊断和环境监测。此外，还为快速检测人血清中的内毒素和大肠杆菌提供了一种高效、灵敏的解决方案。其优异的性能使其在败血症病原体检测领域具有广阔的应用前景，有望改善当前败血症诊断和治疗的挑战。

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