湘潭大学张志勇/刘晓峰/刘逸为等《ACS Nano》：小分子自组装赋能晶体管生物传感器阵列实现牛奶中多种抗生素高灵敏便携检测

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 <1 nm ，导致探针 - 靶标结合事件难以有效调制沟道电荷性质；（ 2 ）界面干扰难题：复杂样本中蛋白质、脂质等成分的非特异性吸附导致假阳性响应。

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 <5% （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 。