组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
产志贺毒素大肠杆菌 O157:H7 基因组 DNA（Shiga-toxin producing Escherichia coli O157:H7 genomic DNA）；样品基质：合成寡核苷酸、高纯度基因组 DNA、煮沸法粗提 DNA（细菌 DNA 提取液/缓冲液）
检测原理
该传感器基于碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）的无标记电化学检测。硫醇修饰的 45-mer DNA 探针通过硫醇–金化学固定于金活性区（GAS）。当目标 E. coli O157:H7 基因组 DNA 与探针发生 Watson–Crick 杂交时，DNA 磷酸骨架携带的负电荷在活性区表面累积，使局部表面电荷密度增加。该电荷通过 30–60 nm 氧化层和双电层对 CNT 沟道产生静电调制，改变阈值电压 Vth。在低离子强度的 Top Gate Buffer（TGB）中，Debye 长度较大、有效电容 C_D 较小，因此 ΔVth = Δσ_DNA/C_D 更显著。Ag–AgCl 电极作为外部栅极，通过 VGS 调制 CNT 沟道载流子浓度；测量漏源电流 ID 随 VGS 的变化，目标 DNA 浓度越高，捕获电荷越多，Vth 正移越大。长链基因组 DNA 可形成二级结构，使更多电荷进入 Debye 长度内，因而信号强于短合成寡核苷酸。
检测灵敏度
LOD: 1 pg/μl；线性范围: 0.014 g/l–1.4 g/l（合成目标 DNA，累计电压随浓度每十倍增加近似线性）
效应效果
器件对 E. coli O157:H7 选择性良好：非互补 E. coli O45（6 ng/μl）偏移处于 20 mV 噪声内，而 O157 产生 +69 mV。高纯度基因组 DNA 在 1 pg/μl、10 pg/μl 时分别产生 +87 mV、+111 mV；探针固定信号为 95.92±5.58 mV、100.17±8.34 mV。煮沸法粗提 DNA 在 1 pg/μl、10 pg/μl 时产生 +144 mV、+170 mV，探针固定信号 136±4.3 mV，说明前处理要求低。空白步骤首次可产生 102 mV 瞬态偏移，第三次后稳定至噪声水平；重复测量存在阈值漂移，故采用前 3 个测量周期，约 80% 晶体管满足零滞后、漏电流 <10 pA、初始 Vth <1.5 V。相比传统培养/PCR 需 48 h–5 d，该方法数小时内完成，无需 PCR 和标记，适合现场检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：二氧化硅（SiO2）基底，承载碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）阵列
- 导电沟道：碳纳米管（CNT）网格，作为 FET 导电沟道，受栅极和表面电荷调制
- 源漏电极：Au–Cr 薄膜图案化形成源（S）和漏（D）电极，提供偏置并引出漏电流
- 栅介质：30–60 nm 高质量氧化物层，电绝缘并防止液体直接接触 CNT
- 活性区/浮动栅：金（Au）涂层活性区（GAS），作为探针与目标 DNA 电荷的局部库
- 识别元件：硫醇修饰的 45-mer 单链 DNA 探针，特异性结合 E. coli O157:H7 wzy 基因片段，经硫醇–金化学固定
- 外部栅电极：Ag–AgCl 电极浸入 Top Gate Buffer（TGB），提供栅源电位 VGS
- 测量平台：聚丙烯液池容纳 100 μl 缓冲液，双多路复用器扫描各晶体管并记录 ID–VGS 曲线
- 封闭剂：巯基己醇（mercapto-hexanol，初始实验用作封闭剂，后证实不必要）
中文摘要
本文报道了一种无需 PCR 扩增和分子标记即可检测细菌基因组 DNA 微量片段的电子传感平台。该系统采用碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）阵列，其电学特性可被活性区上极微弱的局部电荷所调制。研究以两种致病性大肠杆菌菌株评价器件检测性能，系统考察了合成寡核苷酸、未纯化和高纯度基因组 DNA 在不同浓度下的响应，并与非特异性结合进行对比。具体而言，将特异性寡核苷酸探针固定于晶体管阵列后，产志贺毒素大肠杆菌 O157:H7 基因组 DNA 的捕获会引起阈值电压（Vth）显著偏移；而在相同条件下，与探针非互补的大肠杆菌 O45 基因组 DNA 信号几乎保持不变。该工作表明，该生物传感器对目标 DNA 具有较高检测灵敏度和有效性，且对 DNA 样品前处理要求较低，可用于快速、简便的病原菌核酸检测。
英文摘要
An electronic platform to detect very small amounts of genomic DNA from bacteria without the need for PCR amplification and molecular labeling is described. The system uses carbon nanotube field-effect transistor (FET) arrays whose electrical properties are affected by minute electrical charges localized on their active regions. Two pathogenic strains of E. coli are used to evaluate the detection properties of the transistor arrays. Described herein are the results for detection of synthetic oligomers, unpurified and highly purified genomic DNA at various concentrations and their comparison against non-specific binding. In particular, the capture of genomic DNA of E. coli O157:H7 by a specific oligonucleotide probe coated onto the transistor array results in a significant shift in the threshold (gate-source) voltage (V(th)). By contrast the signal under the same procedure using a different strain, E. coli O45 that is non-complementary to the probe remained nearly constant. This work highlights the detection sensitivity and efficacy of this biosensor without stringent requirement for DNA sample preparation.