食品污染已成为全球公共卫生的重大挑战，为了实现有效的监测和管理，食品中的农药、毒素等污染物急需精准、快速的检测方法。虽然近年来已经开发出了多种荧光法、比色法和电化学等生物传感技术，但部分检测方法无法完全满足国际标准，有些不便于现场快速检测，也有部分检测方法需要成本高昂的试剂和设备，难以在山区等特殊区域广泛应用。基于碳纳米管（CNT）的场效应晶体管（FET）生物传感器凭借其良好的一致性、化学稳定性和生物兼容性，在生物分子检测方面取得了显着的优势。通过成熟的半导体微加工工艺，目前已经能够实现CNT FET生物传感芯片的大规模、批量均一制备。然而在现场便携式装置快速检测的实际应用中，缺乏针对传感芯片生物功能界面的洁净封装技术；同时也缺乏符合国际标准的生物传感检测性能系统性考察。
北京大学电子学院、碳基电子学研究中心张志勇教授-肖梦梦团队成功开发出一种即插即用的便携式碳基生物传感器系统，可用于快速检测食品毒素AFB1。该CNT FET传感芯片封装采用了牺牲层工艺和板上芯片封装（COB）工艺，有效避免了封装过程中的传感界面污染。团队还根据美国食品药品监督管理局（FDA）和国家药品监督管理局（ICH）等国际标准指南，对传感器的食品样本检测性能进行了系统评估。该平台能够实现食品外围的现场快速精准检测，为食品安全的监控和管理提供了有力的保障。
图1. 便携式CNT FET生物传感设备对食品样本中的AFB1进行现场快速检测
为了克服CNT FET传感器面临的传感界面污染问题，该研究在传感通道和参比电极顶部引入了氧化铝无机牺牲层，从而保护传感界面在加工过程和后续封装工艺过程中不受到外界污染。芯片制造完成后，采用低温封装，以防止生物亲和层或生物传感芯片上的连接物因高温而变性，并采用围堰封装方法，保护芯片和分析电路免受外部热、静电和振动影响。牺牲层在后续可利用选择性去除溶液去除，同时不会影响其他元件，从而获得洁净的生物传感界面。通过对77个封装的CNT FET芯片的转移曲线进行评估，结果显示其开态电流（Ion）平均值为1.54μA，标准偏差为0.12μA；阈值电压（Vth）平均值为0.15V，标准偏差为0.15V，证明了封装芯片良好的均一性。另外，研究还通过pH传感实验对传感器的信号转导稳定性进行了初步。封装芯片的8个通道在pH值从8.5变化至3.0，再由3.0上升至8.5的过程中，I/I0（校准响应）随pH值的降低逐渐下降，随pH值的升高逐渐上升，8条曲线几乎完全重叠。并且对Ids随pH值变化的线性回归分析表明，曲线具有明显的线性和高度的一致性，充分展示了封装芯片的良好均匀性和稳定性。
图2. 碳纳米管场效应晶体管器件的制造和封装
另一方面，团队依据FDA和ICH等国际标准考察了该生物传感器对食品中黄曲霉毒素B1（AFB1）的检测性能。利用便携式检测系统现场检测，反应时间小于60秒，传感器对AFB1标准品的检测限（LOD）为0.55 fg/mL，对玉米样品中AFB1的LOD为0.25 pg/kg。
图3. 灵敏度分析
此外，该研究考察了传感器对玉米样本中AFB1检测的特异性和重复性。AFB1与干扰物脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）和玉米赤霉烯酮（ZEN）的交叉反应系数分别为1.8×10-7和1.2×10-6。重复性分析中标准差为0.02，容差低于0.1。
图4. 特异性和重复性考察
该研究通过单盲试验，该芯片能检测出AFB1阳性食物，准确率达100%。验证实验证实其检测范围、稳定性和重复性均符合国际标准。这项研究展示了CNT FET生物传感器芯片在食品安全和快速生物医学检测等领域的准确性、可靠性和潜在的实际应用。
图5. 花生样本单盲试验
该成果以“Reproducible, Accurate, and Sensitive Food Toxin On-site Detection with Carbon Nanotube Transistor Biosensors”为题，于9月17日在线发表于《ACS Nano》（DOI: 10.1021/acsnano.4c08323.）。北京大学电子学院、碳基电子学研究中心博士后李听弦和湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院李忠玉为文章共同第一作者，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心张志勇教授和肖梦梦博士为文章共同通讯作者。
本工作得到了国家重点研发计划（2022YFB3204400）和国家自然科学基金（62174007, 62225101）的支持。该研究中提出的牺牲层封装工艺和符合国际标准的方法学验证使碳管场效应晶体管生物传感器具有准确性、可靠性和实用性。即插即用的便携式测试系统也为现场快速检测提供了一个通用的传感检测平台，为食品污染物的快速精准检测提供了技术储备，为食品污染的监控与管理提供了更有力的保障。
文章来源：北京大学
