摘要：抗生素残留易诱发细菌耐药性，威胁人类健康。尽管欧盟等机构设定了食品中抗生素残留限值（MRLs），但现有检测技术如色谱法、ELISA等存在耗时长、成本高、依赖大型设备及无法多目标检测等瓶颈。尤其在复杂生物基质（如牛奶等），传统传感器的选择性和灵敏度严重受限。场效

抗生素残留易诱发细菌耐药性，威胁人类健康。尽管欧盟等机构设定了食品中抗生素残留限值（MRLs），但现有检测技术如色谱法、ELISA等存在耗时长、成本高、依赖大型设备及无法多目标检测等瓶颈。尤其在复杂生物基质（如牛奶等），传统传感器的选择性和灵敏度严重受限。场效应晶体管（FET）生物传感器凭借高灵敏度、快速响应、免标记等特性，被视为下一代现场快速检测技术的关键平台。碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）凭借其优异的电子传输特性和高比表面积，在痕量抗生素残留检测方面展现出显著优势。然而，CNT-FET传感器技术的实际应用面临双重挑战：（1）德拜屏蔽效应：在生理离子强度下，有效德拜长度缩短至

近日，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院生物传感团队开发了一种基于碳纳米管场效应晶体管的生物传感器阵列，结合小分子自组装策略，成功实现了牛奶中多种抗生素的快速、高灵敏、便携式检测。该工作以“Small-Molecule Self-Assembly Strategy Enables Ultrafast, Sensitive, and Portable Multiplexed Antibiotics Detection by Field-Effect Transistor Biosensor Arrays”为题发表在《ACS Nano》上。

【小分子长度如何影响传感器性能？】

传统抗污分子因链长超过德拜屏蔽长度，导致信号屏蔽。研究团队就此问题提出了一种小分子界面自组装解决方案。首先，设计核酸适体功能化CNT-FET传感器，并考察了小分子修饰试剂的链长度对CNT-FET生物传感器灵敏度的影响。通过对比三种巯基分子（ME、MCH、MUA）发现，短链分子ME（5.27 Å）能最大程度保留核酸适体-抗生素结合引起的电荷变化（图1H-J）。实验表明，ME修饰的传感器灵敏度显著提升，为痕量靶标分析检测奠定了基础。

图1 CNT-FET生物传传感机制及小分子封闭试剂长度的影响。

【抗污试剂的筛选与机制揭示】

小分子界面自组装方案还能够解决复杂样品中蛋白质非特异性吸附的难题，研究团队也考察小分子修饰试剂界面官能团对传感器抗非特异性吸附性能的影响，并寻找出最佳的2-巯基乙磺酸钠（Mesna）/巯基乙醇（ME）复合分子涂层，构建兼具抗污与信号增强功能的传感界面，使得非特异性响应降低至（图2E-F）。分子动力学模拟显示（图2I-J），磺酸基与羟基形成的致密水合层阻止了蛋白质吸附，并由于空间位阻和静电排斥效应降低了非特异性干扰。

图2 FET生物传感器防污试剂筛选及机理探究。

【集成芯片实现多种抗生素同步检测】

此外，研究团队进一步通过利用微区域定点修饰技术将多种抗生素核酸配体固定在多通道传感单元，制备功能化CNT-FET传感阵列芯片（图3A）。结合便携式碳基生物传感器系统，实现卡那霉素、土霉素、磺胺喹噁啉三种抗生素的现场同步检测（检测限低至飞摩尔量级）。实际样本测试中（图3D-E），传感器成功识别低于欧盟限值（MRLs）的痕量残留（1-11号弱阳性样本），而ELISA无法区分。集成芯片在强阳性样本（12-20号）中检测结果与ELISA高度一致（图3F），且无需复杂前处理，为复杂食品基质中痕量污染物的精准监测提供了创新解决方案，且可为终端用户提供“样本进-结果出”的一站式检测体验。

图3 用于检测牛奶样品中多种抗生素的CNT-FET传感阵列平台

结论

针对场效应晶体管（FET）生物传感器在复杂样本中面临的非特异性吸附与德拜屏蔽效应两大技术壁垒，本研究通过优化小分子长度与功能基团，筛选出Mesna/ME（1:1）复合试剂。该试剂凭借短链结构及羟基-磺酸基协同作用，构建高稳定抗污界面，有效抑制牛奶中非特异性蛋白吸附，同时减弱了德拜屏蔽效应的影响，使传感器灵敏度突破飞摩尔级。结合喷墨打印技术，通过CNT-FET阵列核酸适体精准修饰，实现了卡那霉素、土霉素及磺胺喹恶啉的同步检测。研发的便携式集成检测系统仅需百秒即可完成牛奶样本分析，回收率达91.2–107.5%，重复性误差

湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院科研团队聚焦碳基集成电路和新型传感器为代表的新一代信息技术领域，在唐氏综合症筛查、肝癌检测、无创血糖监测等生物传感和甲烷、氢气、甲醛等气体传感器件及其相关技术方面取得重要成果，并已研制全球首条碳基传感芯片示范线，推进相关核心技术产业化。

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来源：高分子科学前沿