环境中的病原微生物对全球人类健康构成严重威胁。本研究开发了一种还原氧化石墨烯(rGO)-场效应晶体管(FET)生物传感器，实现了病原微生物的快速灵敏检测。采用原位热还原法制备了rGO-FET传感器，并用交联剂固定了生物识别元件，实现了rGO的表面功能化。rGO-FET生物传感器可在46 s内检测到低至1.4 CFU mL-1的大肠杆菌O157:H7。归一化电流响应与在1.4 ~ 1.4 107 CFU mL-1范围内的大肠杆菌浓度呈线性相关。大肠杆菌O157:H7的归一化电流响应比其他微生物高约一个数量级，表明该生物传感器具有良好的特性。未修饰的rGO FET传感器和用抗大肠杆菌O157:H7修饰的生物传感器在4℃保存30天后的电流损失率分别约为8%和15%。最重要的是，rGO-FET生物传感器可以直接检测真实样品而无需预处理。与其他技术相比，rGO-FET生物传感器可以在更短的时间内以更宽的线性范围检测病原微生物，这对于环境中病原微生物的快速预警和控制具有重要意义。
图1. rGO-FET生物传感器的制备过程示意图。
图2. rGO-FET传感器的表征。(a)裸露电极的AFM图像。(b)含rGO电极的原子力显微镜图像。(c)GO(黑线)和rGO(红线)的拉曼光谱。(d)GO和rGO的XPS光谱。(e)GO的C1s XPS光谱。(f) rGO的C1s XPS光谱。
图3. rGO-FET生物传感器功能化过程的表征。(a)表面功能化过程的Ids-Vds曲线(Vgs =0.3 V) (b)表面功能化过程的Ids-Vds曲线(Vds =0.01 V) (c) rGO-FET生物传感器的表面功能化过程和接触角变化。
图4. rGO-FET生物传感器对大肠杆菌O157:H7的检测性能。(a)培养的大肠杆菌O157:H7的实时检测。(b)大肠杆菌O157:H7浓度梯度下归一化电流响应。(c) rGO-FET生物传感器的特性。(d) rGO-FET生物传感器的稳定性。
图5. (a)实际水样中的大肠杆菌检测;(b) 大肠杆菌O157:H7不同检测技术的比较。
相关研究成果由天津大学环境科学与工程学院、天津市室内空气环境质量控制重点实验室、中国人民解放军军事科学院系统工程研究院Manman Du等人于2023年发表在Analytica Chimica Acta (https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.341810 )上。原文：Direct, ultrafast, and sensitive detection of environmental pathogenic microorganisms based on a graphene biosensor
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