综述：用于食品安全的石墨烯场效应晶体管传感器：原理与应用

《Current Opinion in Food Science》：Graphene Field-Effect Transistor Sensors for Food Safety: Principles and Applications

　　

石墨烯场效应晶体管（GFETs）由于具有超高的灵敏度、快速响应和无标记检测能力，已成为快速食品安全检测的有前景的平台。然而，从实验室研究到实际应用的过程中，它们在选择性、操作稳定性以及复杂食品基质中的性能提升方面仍存在限制。本文总结了基于GFET的食品安全传感器两种主要检测机制的最新进展：法拉第电化学和非法拉第静电原理。此外，本文还系统回顾了基于这些检测原理的应用案例，并深入分析了阻碍其发展的核心技术挑战，包括检测选择性、长期稳定性和在实际样品中的可靠性。最后，还讨论了基于GFET的食品安全检测的未来展望和发展方向。

引言

食品安全问题，包括重金属污染、农药残留以及致病细菌和毒素，继续威胁着食品供应链和全球公共卫生[1]。传统的检测方法如液相色谱、气相色谱和质谱分析虽然具有高分析精度，但依赖于昂贵且体积庞大的仪器、耗时的样品制备过程以及专业操作人员，这限制了它们在现场快速检测中的应用[2]。因此，开发兼具高灵敏度、实时响应和便携性的检测平台已成为食品安全研究的关键焦点[3]。

近年来，石墨烯场效应晶体管（GFET）由于其优异的电学性能、易于表面功能化和固有的信号放大能力，在食品安全监测方面展现出巨大潜力[4, 5, 6, 7]。石墨烯是一种二维纳米材料，具有超高的载流子迁移率、较大的比表面积和优异的生物相容性，是用于场效应晶体管（FET）生物传感平台的理想材料。其电导率对分子识别事件引起的局部表面电荷扰动非常敏感，使得无需额外标记即可直接将生物分子相互作用转化为可测量的电信号[8, 9]。GFET器件的基本结构和工作原理如图1所示。典型的GFET由源极、漏极和栅电极组成，单层石墨烯通道连接源极和漏极，并直接与电解液环境接触（图1a）。当施加栅极-源极电压（V_GS）时，在栅极/电解液和石墨烯/电解液界面形成双电层（EDLs）（图1b）。这些EDLs分别产生界面电容C_G-E和C_C-E，与石墨烯的固有量子电容（C_Q）共同构成器件的栅极调制机制。当发生电化学反应或栅极界面处的局部电荷分布发生变化时，界面电势会改变，从而通过场效应机制调节石墨烯通道的载流子密度和导电性[10]。这一过程最终导致漏极-源极电流（I_DS）的可测量变化（图1c）。然而，GFET本质上不具备选择性，会对界面附近的任何电荷扰动作出响应。因此，在复杂食品基质中提高其选择性以及高灵敏度和稳定性至关重要。

本文系统总结了基于GFET传感器的食品安全检测的最新进展，并根据所采用的检测策略对其进行了分类。具体来说，突出了两种主要原理：（1）法拉第电化学（FEC）GFET，通过目标物质在电极界的氧化还原反应产生法拉第电流信号；（2）非法拉第静电（NFEC）GFET，目标物质在电极表面的富集会导致界面电荷和双电层的变化，但过程中不产生任何法拉第电流。对于每种策略，本文阐明了其检测原理，介绍了代表性应用，并对其实际应用中的局限进行了深入分析。同时，本文还探讨了检测基质对GFET性能的影响，并对其未来发展提出了展望。

小节摘录

法拉第电化学GFET

GFET的核心优势在于其对界面电荷变化的超高水平敏感性，这源于单层石墨烯极高的载流子迁移率[11, 12]。这使得能够通过直接检测电极表面的电荷转移来高度灵敏地检测氧化还原活性目标物质。然而，未经改性的栅电极和石墨烯通道的电催化活性有限，限制了检测性能的进一步提升。因此，需要对

非法拉第静电GFET

除了已讨论的检测策略外，NFEC提供了另一种检测食品安全目标的方法[27, 28]。特定的生物识别探针被固定在石墨烯通道或栅电极表面以捕获目标分析物。当捕获发生时，电极界面处的电荷分布会改变通道的电流或传输特性[29]。这使得能够特异性地检测和量化各种与食品相关的目标物质。

基质效应

复杂检测基质中的共存成分可能会干扰传感器响应并影响定量准确性。因此，选择性和实际样品验证对于GFET食品安全检测平台至关重要。一种组胺传感器评估了其在鱼肉基质中的选择性（干扰物包括CO₃^2-、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、SO₄^2-；尿素、甘氨酸、精氨酸）。该传感器对100 μM组胺的响应（ΔV_G^eff = 31.86 mV）明显大于干扰物引起的响应

结论与未来展望

近年来，食品安全问题引起了广泛关注，推动了针对危险物质检测技术的深入研究。其中，GFET由于其高灵敏度、快速响应和无标记检测能力，已成为一个非常有前景的平台。然而，与成熟的电化学方法相比，GFET仍是一项新兴技术，在复杂实际样品分析中面临诸多挑战。

目前关于GFET在食品安全应用方面的研究已经取得了

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

本研究得到了国家自然科学基金（U23A20265, 32530084）和安徽省自然科学基金（2408085MC072）的支持。

Jiacheng Li|Songjia Luo|Lu Wang|Lei Zheng

中国安徽合肥市合肥工业大学生物过程工程研究中心，食品与生物工程学院，230009