利用黑磷芯片的先进亚太赫兹生物传感器

《Surfaces and Interfaces》：Advanced sub-terahertz Biosensor utilizing Black Phosphorus chips

黑磷纳米片太赫兹生物传感器通过电磁感应阱效应增强波-分子相互作用，实现非接触式大肠杆菌检测，检测限50 cfu/mL，响应时间毫秒级，为接口工程驱动的检测芯片发展提供新路径。

　　这项研究介绍了一种基于黑磷纳米片（BPNSs）的亚太赫兹生物传感器，利用黑磷纳米片独特的表面和界面特性，包括其高比表面积和可调的表面等离子体共振，来增强其与生物分子之间的相互作用。该技术在表面与界面科学领域具有重要意义，因为它揭示了电磁感应井（EIW）效应的机制作用。这种效应通过亚波长结构在金属-介质界面处产生局部表面等离子体极化子（LSPs），从而增强亚太赫兹波与生物分子的相互作用。研究提出了一种高灵敏度的BPNS生物传感器，结合了6G亚太赫兹技术，实现了对大肠杆菌（*Escherichia coli*）的检测限达到50 cfu/mL，并且在165至16745 cfu/mL的线性范围内具有良好的响应性能。通过外部磁场和光学场的调控，该芯片能够在毫秒尺度内实现响应，从而支持非接触式检测。该微型化设计强调了通过界面工程推动生物检测芯片发展的潜力。

大肠杆菌是一种常见的革兰氏阴性细菌，通常存在于温血动物的肠道中。然而，当其通过粪便排放进入环境后，可能对公共健康构成严重威胁。大肠杆菌具有高度的适应性和致病性，能够引起人类的胃肠道疾病以及非肠道感染。此外，作为一种食源性病原体，它在肉类加工过程中可能污染鸡肉、羊肉和鱼类等产品，对食品安全构成重大挑战。因此，建立准确且快速的检测方法对于保护人类健康至关重要。

目前，大肠杆菌的检测方法包括传统的平板计数法和酶联免疫吸附测定（ELISA），但这些方法通常需要较长的检测时间和繁琐的操作流程。虽然一些先进的技术如质谱（MS）和表面增强拉曼散射（SERS）提供了可靠且精确的识别手段，但它们的实施需要复杂的仪器、专业的技术人员和较长的分析时间，从而增加了检测时间和成本。近年来，一些基于生化和物理原理的低成本、高精度检测策略逐渐被开发出来。例如，Wisuthiphaet等人提出了一种利用基因工程噬菌体T7的快速检测方法，该方法通过碱性磷酸酶（ALP）表达产生荧光信号，具有高灵敏度和特异性，适用于食品行业的应用。Chen等人则设计了一种结合T7噬菌体特异性和磁探针分离的检测技术，能够实现大肠杆菌的比色检测，尤其适用于饮用水安全测试。Abdelrasoul等人开发了一种基于DNA适配体和非法拉第阻抗测量的生物传感器，实现了对大肠杆菌的实时检测，为水质监测和食品样本分析提供了低成本且高灵敏度的解决方案。Bong等人利用抗脂多糖抗体，通过与细菌外膜上的脂多糖特异性结合，设计了一种高特异性和灵敏度的荧光免疫测定法，适用于食品安全和环境监测。Malhotra等人则设计了一种低成本、三维打印的电化学生物传感器，能够快速检测大肠杆菌，强调了其在便携式现场检测中的优势。尽管这些技术在一定程度上提高了检测的效率和准确性，但仍存在一些不足，例如缺乏非接触式操作、响应时间较长以及信号放大能力有限等问题。

亚太赫兹波因其出色的穿透能力、生物安全性和对生物大分子的高选择性相互作用，被广泛应用于非接触式检测技术中。黑磷纳米片作为一种新兴的二维材料，显示出在生物检测中的巨大潜力。其独特的物理化学性质，如高比表面积、优异的光电性能、良好的生物相容性以及易于功能化，使得它成为生物传感器、药物递送系统、光热治疗和其他生物医学应用的理想材料。黑磷纳米片能够通过其光电特性变化检测生物分子，例如DNA、蛋白质或细胞等。具体而言，黑磷纳米片可以与这些生物分子直接或通过表面功能化进行特异性结合，从而实现高效的生物分子识别。生物分子与黑磷纳米片的相互作用会改变其表面等离子体共振（SPR）或电荷状态，这些变化可以通过光学或电化学方法进行监测。此外，黑磷纳米片的光学特性使其特别适用于光生物学传感应用。值得注意的是，黑磷纳米片在近红外区域具有强吸收能力，能够有效穿透组织，从而实现非侵入式的生物分子检测。通过将黑磷纳米片与荧光共振能量转移（FRET）系统结合，可以进一步提高生物检测的灵敏度。由于其独特的光学特性和良好的生物相容性，黑磷纳米片还被用于靶向检测，能够在细胞内生成荧光信号，从而实现对细胞内生物过程和细胞对外界刺激反应的监测。

为了增强弱亚太赫兹信号与分析物之间的界面相互作用，研究采用了电磁感应井（EIW）效应，这是一种对界面科学具有新贡献的现象。当低能量的太赫兹光子照射到具有金属亚波长微结构和半导体材料的设备上时，会在半导体界面处形成电磁感应井。从机制上看，这种井能够捕获从金属层注入的电子，通过界面电荷捕获改变表面导电性，并产生敏感的光电压响应。EIW机制的优势在于它能够在室温下实现检测，从而绕过了带隙限制，且其性能主要由界面尺寸决定。此外，亚波长结构支持在金属-介质界面处的局部表面等离子体（LSPs），通过界面场的约束增强太赫兹响应能力。

在本研究中，为了探索亚太赫兹波对大肠杆菌特异性的影响，研究者通过在缺乏自身硫氧化酶的大肠杆菌BL21(DE3)中过表达三种硫氧化酶，即SQR、PDO和FccB，从而构建了具有特定功能的大肠杆菌菌株。硫化物：醌氧化还原酶（SQR）是一种膜结合的黄素蛋白，负责硫化物的氧化过程，这一过程在许多生物体中普遍存在，包括化能自养菌、厌氧光合菌以及无脊椎动物和哺乳动物。SQR通过将硫化物转化为硫烷硫并将其转移到电子受体中，促进硫化物的氧化，而谷胱甘肽（GSH）很可能是生理上的硫烷硫受体，最终生成谷胱甘肽过硫化物（GSSH）。过硫化物二氧酶（PDO）是金属β-内酰胺酶超家族的一员，能够将GSSH氧化为亚硫酸盐。此外，黄素细胞色素c硫化物脱氢酶（FCSD）是另一种重要的酶，能够将硫化物氧化为硫烷硫，广泛存在于厌氧光合菌和化能自养菌中。与SQR不同，黄素细胞色素c通常为可溶性且位于周质空间，由一个约20 kDa的小型FccA细胞色素c亚基和一个能够结合硫化物的较大FccB黄素蛋白亚基组成。在本研究中，研究人员从*Ruegeria pomeroyi* DSS-3中克隆并表达了*sqr*、*pdo*和*fccB*基因，将其插入pET30a载体（T7启动子），并通过转化到大肠杆菌BL21(DE3)中，生成了RpSQR、RpPDO和RpFccB菌株。这些重组菌株在30°C下培养，直到OD600达到预期的水平。

研究中还涉及了实验系统的构建。采用了一种基于光电流比较技术的方法，利用光电流激发来评估设备的检测性能。该方法包括电流-电压（I-V）特性、总噪声（νn）、响应率（Ra）、噪声等效功率（NEP）和特定探测性（D*）等参数。实验配置如图4所示。由于黑磷材料在光电磁调制方面的优越性能，研究采用了连续波（CW）激光器，以不同波长的光子能量进行调控，从而评估其对设备性能的影响。通过这些实验，研究者能够系统地分析不同条件下黑磷纳米片的响应特性，并探索外部磁场和光学场对检测性能的调控作用。

实验结果表明，太赫兹波在微波和红外波段之间占据了一个独特的频率范围，因此与大肠杆菌之间具有独特的相互作用。生物大分子在太赫兹范围内表现出特征吸收谱，类似于分子指纹。具体而言，这些生物分子在广泛的太赫兹频率范围内显示出离散的吸收峰，且对不同频率的响应存在显著的差异。通过分析这些吸收特性，研究者能够识别出特定的生物分子，并评估其在太赫兹波照射下的响应行为。此外，研究还探讨了不同频率下生物分子的响应特性，以及外部磁场和光学场对这些响应的调控作用。实验结果进一步揭示了在特定频率下，大肠杆菌细胞在太赫兹波照射后发生的生理变化，为优化检测频率提供了依据。

研究的结论表明，通过将黑磷纳米片与6G亚太赫兹技术相结合，开发出了一种高灵敏度、非接触式的检测系统，能够实现对大肠杆菌蛋白的精准识别。该系统利用了黑磷纳米片在太赫兹波照射下的敏感响应特性，并结合外部磁场和光学场的调控，进一步提高了检测的特异性。实验结果表明，该系统在0.1 THz频率下表现出良好的检测性能，包括高灵敏度和低噪声等效功率。此外，研究还探讨了生物标志物在太赫兹波照射下的细胞敏感性、噪声等效功率值以及蛋白质沉淀现象，从而优化了检测条件。该系统的开发不仅为大肠杆菌的快速检测提供了新的思路，也为未来生物检测芯片的发展奠定了基础。通过这种非接触式、高灵敏度的检测方法，研究者能够在不破坏样本的前提下实现对生物分子的精准识别，这对于食品安全、环境监测和生物医学研究具有重要意义。此外，该技术还具有良好的可扩展性，可以应用于其他生物分子的检测，从而推动生物传感技术的进一步发展。