通过分子印迹聚合物功能化的溶液栅控石墨烯场效应晶体管，用于氯霉素的检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Solution-gated graphene field-effect transistor functionalized by molecularly imprinted polymers for chloramphenicol detection

氯霉素分子印迹聚合物修饰的溶液门石墨烯场效应晶体管传感器，通过整合分子印迹识别与电化学信号放大机制，实现1 pM-0.1 μM宽线性响应和0.17 pM超低检测限，MXene/CNTs复合电极有效调控Fe(CN)6^3-/4-氧化还原反应，为复杂样品中痕量氯霉素检测提供新策略。

　　

Xinmo Han|Shengnan Ma|Yanning Zhao|Hairui Wang|Jianfeng Wu|Xuelin Zhang|Jianwei Xie

教育部环保材料制备与应用重点实验室，吉林师范大学化学学院，中国长春130103

摘要

基于高性能溶液门控石墨烯场效应晶体管（SGGT）的生物和化学传感器的开发依赖于选择性分子识别与高效信号转导的有效结合。在本研究中，将分子印迹识别模式引入SGGT中，构建了一种分子印迹聚合物功能化的SGGT传感器（MIP-SGGT），用于高灵敏度检测和测定氯霉素（CAP）。在导电的MXene/碳纳米管（MXene/CNTs）骨架上电化学沉积了具有氯霉素选择性识别位点的多巴胺基MIP薄膜。CAP分子嵌入MXene/CNTs/MIP复合材料中，有效抑制了Fe(CN)₆^4?离子的扩散，从而影响了栅电极处的氧化还原反应，改变了有效的栅电压分布，最终调节了MIP-SGGT器件的漏源电流（I_DS）。该传感器具有从1 pM到0.1 μM的宽线性响应范围和0.17 pM的超低检测限，凸显了其出色的传感性能。这项工作证实了将分子印迹识别模块整合到SGGT平台中的可行性，并为小分子的快速准确检测提供了一种多功能且有效的策略，显示出在实际分析应用中的巨大潜力。

引言

氯霉素（CAP）是一种广谱抗生素，由于其强大的抗菌活性和低成本，在人类医学和水产养殖中得到广泛应用[1]。然而，监管不足和不当使用导致其在水产养殖中的滥用日益严重。过量的CAP可通过动物排泄物进入水环境，通过食物链造成水污染和生物累积，从而对人类健康构成严重威胁[2]。CAP会导致骨髓抑制，可能引发再生障碍性贫血并具有潜在的致癌性[3]。鉴于其对生态系统完整性和公共健康的双重威胁，开发高效灵敏的CAP残留检测方法至关重要。尽管已有多种技术（如比色法[4]、HPLC[6]、LC-MS[8]、ELISA[11]等）可用于CAP监测，但由于操作成本高、处理时间长和预处理要求复杂，这些技术的广泛应用受到限制。这些缺点凸显了迫切需要新的分析策略，以实现快速、定量且对环境相关浓度下的CAP具有足够灵敏度的检测。

溶液门控石墨烯场效应晶体管（SGGT）因其快速响应、高灵敏度、机械柔韧性和集成能力，最近成为先进分析应用（尤其是生物和化学传感）中备受关注的传感平台[13]。SGGT的一个关键优势在于其高电导率和超低工作电压。即使栅极电位发生微小扰动，也能在石墨烯通道中引起载流子浓度的指数级变化，从而导致漏源电流的显著变化[14]。这些特性使SGGT特别适合与电化学传感策略结合，构建高灵敏度传感器。迄今为止，已开发出多种基于SGGT的传感平台，用于检测生物化合物[15]、疾病生物标志物[17]、污染物[19][20]、重金属离子[22][23]。尽管SGGT传感器具有高灵敏度，但其选择性和特异性在很大程度上取决于固定在栅电极上的识别元件。常用的生物识别单元（如抗体、适配体和酶）价格昂贵，且通常需要复杂的筛选或固定程序，这限制了它们对结构多样化的低分子分子的检测能力。因此，开发高效稳健的识别元件仍然是扩展基于SGGT的传感器应用范围的关键挑战。

分子印迹聚合物（MIP）是一种合成聚合物，其识别腔体在形状、大小和功能基团上与特定模板分子互补[24]。MIP的识别机制基于“锁钥”原理。在聚合过程中，模板分子通过多种主要是非共价的相互作用与功能单体相互作用，这些相互作用随后被固定在聚合物基质中“记忆”下来。去除模板后，所得到的腔体保留了能够选择性结合目标分析物分子的选择性识别位点[25]。因此，MIP常被称为“人工抗体”[26]。与抗体、适配体和酶等生物识别元件相比，MIP具有低成本、高稳定性和通用性的优势[27]。通过合理的结构设计，如果目标分子具有结合位点，MIP几乎可以识别任何目标分子。因此，将MIP功能单元整合到SGGT器件中可以显著扩展其传感能力。

目前，基于分子印迹技术的CAP检测主要围绕两种策略进行。第一种是“识别-吸附-电化学氧化还原”策略，该策略使用高导电性的MIP作为目标分子的选择性富集元件和氧化还原反应的电子转移通道。这种方法依赖于目标分子在聚合物表面的电催化氧化还原反应，通过监测氧化还原电流来实现检测[28]。第二种是“吸附-门控”传感策略，该策略利用非导电的多孔分子印迹膜。当目标分子在印迹聚合物表面积累时，多孔膜内的通道被堵塞，显著降低其传质能力，从而对氧化还原对的氧化还原电流产生门控效应[29]。通过监测氧化还原对的氧化还原电流变化，可以间接推断出印迹膜中目标分子的浓度。

本研究旨在将分子印迹技术与溶液门控晶体管结合，用于CAP检测，使基于非导电MIP的吸附-门控策略更加适用。该策略有效结合了分子印迹的特异性识别能力和晶体管的信号放大优势，为构建高灵敏度和选择性的检测平台奠定了坚实基础。为了满足这一技术要求，选择多巴胺（PDA）作为印迹基质。这一选择基于其在各种非导电分子印迹系统中的优异吸附性能和出色的分子识别能力[30]，使其特别适合用于CAP的印迹识别。

为了提高整体导电性，本研究通过将碳纳米管（CNTs）与电化学活性的MXene纳米片结合，构建了一个三维导电网络，作为同时进行多巴胺（DA）和CAP模板分子电位动力学沉积的工作电极。去除模板后，获得了CAP印迹的MIP修饰电极，并将其与SGGT平台集成，形成完整的MIP-SGGT传感器。检测实验使用5 mM [Fe(CN)₆^3?/4-在0.1 M KCl作为支持电解质进行。所得到的MXene/CNTs修饰的MIP-SGGT传感器表现出高稳定性、优异的选择性和良好的重复性，满足了复杂实际样品中痕量CAP检测的要求。

部分摘录

MXene/CNTs复合材料的制备

为了制备MXene/CNTs复合材料，将2 mg氨基功能化的碳纳米管（CNT-NH₂）分散在4 mL 0.1 wt%十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液中，得到0.5 mg mL^?1的CNT-NH₂分散液。随后，将4 mL制备好的CNT-NH₂悬浮液逐滴加入35 mL Ti₃C₂T_X MXene悬浮液（0.4 mg mL^?1

MXene/CNTs复合材料的表征

在本研究中，MXene/CNTs复合材料发挥了多种功能。它不仅作为电流收集器，促进电化学反应中的电子传输，并为Fe(CN)₆^4?/Fe(CN)₆^3?氧化还原过程提供丰富的活性位点，还作为多巴胺和CAP共聚的支撑骨架，促进了三维CAP-MIP膜的形成。该复合材料的合成步骤如图1所示。

结论

本研究在MXene/CNTs复合基底上构建了多巴胺MIP层，开发出一种高灵敏度和选择性的MIP-SGGT传感器，成功用于CAP的快速高效检测和测定。该传感器的出色性能可归因于三个关键因素。首先，MXene/CNTs复合材料凭借其丰富的活性位点和优异的导电性，为高效信号传输提供了坚实的支持

CRediT作者贡献声明

Xinmo Han：撰写 – 原始稿，数据管理。Shengnan Ma：研究，数据管理。Yanning Zhao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，监督，研究。Hairui Wang：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。Jianfeng Wu：撰写 – 审稿与编辑，监督。Xuelin Zhang：监督，资源提供。Jianwei Xie：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了吉林省科技发展计划（YDZJ202501ZYTS358）的财政支持。