低成本且易于操作的生物传感器能够实现现场和实时检测细菌。然而，当前的生物传感器无法区分活菌和死菌，而这对确定细菌污染的持续性至关重要。研究人员采用了元纳米通道场效应晶体管（MNC FET）。其设计允许形成多个导电纳米通道，每个通道与传感区域结合事件以不同效率耦

　　低成本且易于操作的生物传感器能够实现现场和实时检测细菌。然而，当前的生物传感器无法区分活菌和死菌，而这对确定细菌污染的持续性至关重要。研究人员采用了元纳米通道场效应晶体管（MNC FET）。其设计允许形成多个导电纳米通道，每个通道与传感区域结合事件以不同效率耦合，从而应对分子局域门控的挑战。MNC FET通过由大肠杆菌抗体组成的识别层进行生物功能化。传感在0.5 μL的溶菌肉汤（Ly熊猫体育sogeny Broth, LB）液滴中进行（离子强度197 mM，富含蛋白质背景200 mg/L），提供了复杂的食物环境，且无需样品预处理或测量前清洗。研究证明了特异性、无标记、定量和实时的传感，检测限为单个细菌，具有优异的线性度和灵敏度。此外，通过比较MNC FET对活大肠杆菌与经热变性、抗生素处理或代谢抑制的菌群的反应，验证了该平台区分活菌与死菌的能力。MNC FET能够区分活和死的大肠杆菌，检测限为单个细菌。该方法为区分细菌活性的生物传感器铺平了道路。

　　细菌性疾病是全球发病率和死亡率的主要原因之一，食源性疾病尤其严重，世界卫生组织估计每年约152万人因食用不安全食品死亡。快速、准确地早期检测食品中的细菌污染对于预防疫情至关重要，但现有技术难以区分活菌和死菌，而活菌具有完整的代谢活性、能量稳态、基因组复制与分裂、细胞包膜完整性及动态特征（如运动性和对环境信号的响应），是评估食品安全性、质量和益生菌功能的关键。传统方法如培养法、荧光染色、活性PCR和代谢活性指示剂等，要么耗时、昂贵，要么灵敏度不足，无法满足原位实时低成本区分需求。

　　研究人员基于场效应晶体管（FET）生物传感器，利用元纳米通道场效应晶体管（MNC FET）实现活菌与死菌的直接、无标记区分。该研究在复杂培养基（LB，离子强度197 mM，蛋白质背景200 mg/L）中，以单细菌检测限实现了特异性定量传感，并首次通过对比活大肠杆菌（E. coli）与经热变性、抗生素处理或代谢抑制的菌群，证明了区分活菌与死菌的能力。论文发表在《Small》。

　　研究人员采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺在绝缘体上硅（SOI）技术中制造MNC FET，其核心结构为10 μm长的n型导电纳米通道，两侧由p型硅形成横向p-n结。传感区域为5.5 nm热氧化二氧化硅（SiO2）。通过标准胺基化学方法进行表面修饰：依次使用3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）、戊二醛（GA）共价偶联抗大肠杆菌抗体（Anti-E. coli LPS antibody），构建识别层。细菌样本来自大肠杆菌DH5α（实验室菌株），并制备了BL21菌株作为对照，以及耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）作为非靶标对照。死菌通过三种机制制备：卡那霉素抗生素处理、80°C热变性、氯霉素代谢抑制。传感在0.5 μL LB液滴中进行，无需样品预处理或测量前清洗，使用Ag/Ag+准参比电极控制液滴电位。

　　MNC FET通过调节背栅电压（VGB）和横向p-n结电压（VGL），可在纳米通道体积内形成不同位置、尺寸和形状的导电通道。测量源漏电流（IDS）与VGL的关系曲线，发现不同VGL和溶液电位（VGF）组合可定义不同效率的纳米通道，用于转导结合事件。实验表明，在LB液滴中，测量重复性极佳，说明场效应转导不受LB组分非特异性吸附影响。

　　将不同数量活大肠杆菌（0.75±0.57至27.5±1.3个细胞，位于传感区域）掺入LB液滴，测量IDS-VGL曲线。归一化读数（Readout）随细菌数量增加而增加，反映正电荷积累。通过优化VGF和VGL组合，选择最敏感的纳米通道，得到校准曲线：检测限为单细菌，动态范围1.5±0.6至27.5±1.2个细胞，灵敏度2.06±0.14%Readout/细胞，线. 死菌对照实验**对三种死菌（卡那霉素处理、热变性、氯霉素抑制）进行相同测量，发现卡那霉素处理和抑制菌的响应与活菌类似（因抗体仍能结合完整细胞包膜），但热变性菌引起电流下降（负电荷积累）。对照实验包括：未修饰MNC FET、APTMS修饰、LB背景（滤除细菌）、非靶标菌（耻垢分枝杆菌）、不同大肠杆菌菌株（BL21）及BSA封闭，均显示极低响应，证实特异性。

　　在LB高离子强度（197 mM，德拜长度约0.7 nm）下，检测到正电荷积累，表明结合事件发生在传感界面附近。原子力显微镜（AFM）显示抗体呈倾斜取向（高度

　　+2+、Ca2+）及带正电有机分子可能中和细菌表面负电荷，甚至导致电荷反转。对比在PBS（低离子强度）中的检测，发现电流下降（负电荷积累），进一步支持该机制。**5. 活菌与死菌的区分**活菌因持续运动、代谢活性等导致时间依赖的电位波动，表现为液滴内多次测量（10次，间隔10秒）的标准差（σ）随细菌数量增加而增大；而死菌（三种处理）的σ几乎不变。时间分辨测量显示活菌的电流波动显著大于死菌。三维数值模拟支持运动性和电荷波动对场效应转导的影响。受试者工作特征（ROC）分析基于%Readout和σ进一步验证了区分性能。

　　与已报道的FET生物传感器（如碳纳米管FET、石墨烯FET等）相比，MNC FET在复杂LB培养基中实现单细菌检测限，且无需稀释缓冲液，响应时间1.5分钟，样品体积0.5 μL，并首次实现活/死菌区分。

　　研究人员讨论了德拜长度挑战、特异性传感中非特异性吸附的影响，以及正电荷积累的起源。MNC FET基于CMOS工艺，可扩展低成本生产，具有高复用潜力。该平台通过时间波动信号提供额外传感维度，为下一代定点诊断和便携式微生物监测系统铺平道路。

　　MNC FET允许在超小复杂样品中对大肠杆菌进行定量实时检测，具有高特异性，无需标记、测量前清洗或样品制备。研究人员讨论了德拜长度挑战、在未洗脱物理吸附非特异性物种存在下进行特异性传感的挑战，以及特异性结合事件后正电荷积累的起源。基于生物传感器区分死菌与活菌是多个应用领域未满足的需求，此前尚未被证明。该研究提出了一种生物传感器方法熊猫体育赛事合作，利用与细菌活性和生物活性相关的信号变异，以单细菌分辨率区分活菌与处理/死菌。MNC FET受益于CMOS制造，可实现可扩展、低成本的生物芯片生产，具有嵌入式能力和优异的传感性能，并结合当前微电子技术可实现的高复用能力。低制造成本得益于宽松的微米级尺寸支持低成本光刻。此外，该平台解析电信号时间变化的能力提供了超越传统幅度测量的额外传感维度。尽管这些观察背后的详细转导机制需要进一步研究，但该方法可能为未来基于FET的生物传感器超越传统检测方法铺平道路。因此，所提出的技术代表了下一代生物传感应用（包括定点诊断和便携式微生物监测系统）的有前景的候选方案。