生物芯片点样仪制备修饰CNFET传感芯片，精准检测气体与病原微生物
2026-06-11 来源:微信公众号 点击次数:78
生物识别类的化学气体生物传感器，采用酶、抗体、嗅觉蛋白、微生物等生物敏感元件，可对临床诊断、医疗健康、农业和环境及工业安全提供快速、实时的指标监测和判读。然而，现有传感器普遍灵敏度不足、选择性差、难以规模化应用。碳纳米管场效应晶体管（CNFETs）具备高比表面积、低功耗工作的优势，然而传统碳纳米管晶体管的化学识别能力有限。本文提出一种集成化生物传感器平台，将高比表面积、低功耗的高性能碳纳米管场效应晶体管（CNFETs），与导电金属有机框架、催化金属纳米颗粒相结合，使其具有高选择性和高灵敏度。该平台可将传感响应提升最高两个数量级，同时在芯片上生成特征图谱，实现气体的精准分类。
作者来自麻省理工学院电子学研究实验室，于2026年01月在nature sensors上发表题目为“Tunable and highly sensitive functionalized carbon-nanotube-based integrated systems for chemical gas sensing”的文章。
该研究采用便携式生物传感器检测装置，分析琼脂平板培养物释放的挥发性有机物，对临床常见细菌与真菌进行分类，准确率达95%。
研究方法（如图1）
01、碳纳米管场效应晶体管CNFET 芯片制备
采用商用 200 mm 硅工艺（SkyWater 代工），单芯片6×10mm，含 2048个CNFET。结构：32个子阵列，每个子阵列 64个CNFET，Ti/Pt作源漏电极。
02、功能化修饰
第一步：在32个子阵列上修饰导电金属有机框架 （cMOF）
共4 种 cMOF：1）两种金属Ni：镍，Co：钴；2）两种有机配体（L）HHTP：2,3,6,7,10,11 六羟基三亚苯HITP：2,3,6,7,10,11 六亚胺三亚苯，两两组合，得到4种cMOF（M=Ni/Co；L=HHTP/HITP）。随后紫外臭氧活化 → LBL逐层沉积 → 65℃退火；得到cMOF-CNFET，提高灵敏度。
第二步：用高精度M2微阵列生物芯片点样仪做差异化修饰
在16个子阵列上分别修饰不同金属 / 不同浓度纳米颗粒，制造 “传感指纹”；
微流控疏水边界：光刻 + 疏水SAM，形成超疏水围栏，防止液滴跨区窜流。
M2 Automation微阵列生物芯片点样仪：精准喷点4 种金属前驱体（Pt/Au/Pd/Ru）×4种浓度（0.01/0.05/0.25/1.25 mM） 共16种溶液；每2分钟切换一种溶液，每个子阵列喷点5滴；再喷点还原剂 NaBH₄，原位合成金属纳米颗粒，制备气体检测的生物传感器；
全程自动化、高精度、可重复：保证16个子阵列修饰位置、体积、浓度高度可控，避免人工误差，形成稳定差异阵列。
后处理：水洗 + 退火，得到cMOF+金属纳米颗粒复合传感阵列。
03 性能测试
气体：NO₂、NH₃、H₂S、乙醇、丙酮、H₂；
生物细菌：检测大肠杆菌EC、铜绿假单胞菌PSA、白色念珠菌CA培养释放的挥发性有机物（VOC）。
研究结论
灵敏度大幅提升：cMOF使响应提高最高两个数量级（NO₂约 108 倍、H₂S约139倍）；
选择性高度可调、可分类：不同cMOF+金属组合形成独特响应模式；t-SNE可清晰区分6种气体；临床微生物分类准确率95%，稳定性良好。
一致性与可靠性好：芯片均匀性高，功能化后器件损坏率仅 3.6%；M2生物微阵列生物芯片点样仪保证修饰高一致性，统计结果可靠。
研究意义
该研究解决了传统方法灵敏度、选择性、规模化三大痛点，提供可室温检测、低功耗、高集成气体生物传感器检测新方案。可用于痕量有毒气体便携监测；细菌 / 真菌快速无标记鉴别，无需大型仪器，适合床旁快速诊断。同时推动了碳纳米管传感从实验室走向产业化，拓展了微纳电子在生物医疗传感领域的应用。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s44460-026-00037-z
M2-Automation成立于2003年，总部位于德国柏林，是一家创新技术开发公司，专注于皮升/纳升级-超微量/微量、非接触式自动化移液和微阵列生物芯片点样技术。
精准性好：最小液滴体积30pL、点样CV≤2%
位移精度高：机械臂精度1µm，重复定位精度3μm
灵活性好：4类喷点模块可由操作者自行选择和轻松更换，非接触式压电点样头（pL皮升点样）、电磁阀点样头（nL 纳升点样）、M2专利点样头（10nL-μL点样），和接触式针式点样头
耗材成本低：专利M2MD喷点模块，拥有nL级非接触式点样领域唯一可使用塑料枪头替换的技术
稳定性高：在线负压除气和过滤装置，避免系统液管路微小残留气泡对点样的影响
配置灵活：可选配温、湿度控制和空气净化模块
软件易用：InDOT软件无需编程，鼠标拖拉功能图标即可实现芯片点样的程序设计
应用方向
基因芯片：分子互作验证、疾病功能基因检测或筛选等
蛋白质芯片：功能蛋白质筛选、抗原表位筛选、生物靶点筛选等
多糖芯片：进行糖功能学、糖蛋白、植物凝集素等研究等
小分子化合物芯片：药物筛选、疾病研究、疾病标志物筛选等
细胞芯片：细胞代谢机制研究、细胞信号通路研究、细胞膜受体研究等
微阵列SRPi镀金芯片：分子互作研究等
微孔板芯片：多重因子检测、微型ELISA等
微流控芯片、生物传感器芯片：药物研发、体外诊断、生物半导体研发等
临床快检POCT芯片：抗原抗体检测、过敏原检测、病原微生物检测等
生物传感器芯片/电化学芯片：CGM连续性血糖监测、血脂监测等
微针、微柱点样：透皮给药、缓释给药等
液体灌注、填充、清洗、移液、分液工作站等
环亚生物科技（APG BIO）作为德国M2-Automation公司中国区独家代理，为客户提供生物芯片点样、扫描以及高通量筛选的整体解决方案和服务。
作者来自麻省理工学院电子学研究实验室，于2026年01月在nature sensors上发表题目为“Tunable and highly sensitive functionalized carbon-nanotube-based integrated systems for chemical gas sensing”的文章。
该研究采用便携式生物传感器检测装置，分析琼脂平板培养物释放的挥发性有机物，对临床常见细菌与真菌进行分类，准确率达95%。
研究方法（如图1）
01、碳纳米管场效应晶体管CNFET 芯片制备
采用商用 200 mm 硅工艺（SkyWater 代工），单芯片6×10mm，含 2048个CNFET。结构：32个子阵列，每个子阵列 64个CNFET，Ti/Pt作源漏电极。
02、功能化修饰
第一步：在32个子阵列上修饰导电金属有机框架 （cMOF）
共4 种 cMOF：1）两种金属Ni：镍，Co：钴；2）两种有机配体（L）HHTP：2,3,6,7,10,11 六羟基三亚苯HITP：2,3,6,7,10,11 六亚胺三亚苯，两两组合，得到4种cMOF（M=Ni/Co；L=HHTP/HITP）。随后紫外臭氧活化 → LBL逐层沉积 → 65℃退火；得到cMOF-CNFET，提高灵敏度。
第二步：用高精度M2微阵列生物芯片点样仪做差异化修饰
在16个子阵列上分别修饰不同金属 / 不同浓度纳米颗粒，制造 “传感指纹”；
微流控疏水边界：光刻 + 疏水SAM，形成超疏水围栏，防止液滴跨区窜流。
M2 Automation微阵列生物芯片点样仪：精准喷点4 种金属前驱体（Pt/Au/Pd/Ru）×4种浓度（0.01/0.05/0.25/1.25 mM） 共16种溶液；每2分钟切换一种溶液，每个子阵列喷点5滴；再喷点还原剂 NaBH₄，原位合成金属纳米颗粒，制备气体检测的生物传感器；
全程自动化、高精度、可重复：保证16个子阵列修饰位置、体积、浓度高度可控，避免人工误差，形成稳定差异阵列。
后处理：水洗 + 退火，得到cMOF+金属纳米颗粒复合传感阵列。
03 性能测试
气体：NO₂、NH₃、H₂S、乙醇、丙酮、H₂；
生物细菌：检测大肠杆菌EC、铜绿假单胞菌PSA、白色念珠菌CA培养释放的挥发性有机物（VOC）。
图1：生物传感器芯片示意图：碳纳米管场效应晶体管（CNFET）芯片包含32个子阵列，每个子阵列含64个CNFET。首先在全部32个子阵列上生长导电金属有机框架（cMOF），随后选取其中16个子阵列，用4种不同金属纳米颗粒、各4种不同浓度进一步功能化修饰。b. 器件功能化流程：插图从上至下依次为：原始碳纳米管（顶部）、经 cMOF功能化的碳纳米管（中部）、负载金属纳米颗粒（NP）的cMOF功能化碳纳米管（底部）。第一步功能化为cMOF的层层自组装（LBL）生长；第二步为在构建微流控边界后，原位合成金属纳米颗粒。c. CNFET芯片的光学显微镜（OM）图像，黄色矩形框标注了其中一个子阵列。d–g. 扫描电子显微镜（SEM）图像d：含64个CNFET的子阵列整体图像e：带有叉指电极的单个CNFET器件图像f：cMOF生长后，碳纳米管沟道与电极界面的图像g：cMOF 生长后的碳纳米管沟道图像h. 透射电子显微镜（TEM）图像，经 cMOF 功能化修饰的碳纳米管。i. 子阵列的光学显微镜图像，子阵列中已完全填充金属纳米颗粒溶液，无溢出。j. 芯片实物图像，16个选定的子阵列上已滴涂金属纳米颗粒溶液。k. 转移特性曲线，同一片芯片上所有NiHHTP修饰的CNFET的平均转移特性曲线，其中ID单位：（A）为漏极电流。l. 阈值电压分布直方图：cMOF生长完成后，器件阈值电压的统计分布。
研究结论
灵敏度大幅提升：cMOF使响应提高最高两个数量级（NO₂约 108 倍、H₂S约139倍）；
选择性高度可调、可分类：不同cMOF+金属组合形成独特响应模式；t-SNE可清晰区分6种气体；临床微生物分类准确率95%，稳定性良好。
一致性与可靠性好：芯片均匀性高，功能化后器件损坏率仅 3.6%；M2生物微阵列生物芯片点样仪保证修饰高一致性，统计结果可靠。
研究意义
该研究解决了传统方法灵敏度、选择性、规模化三大痛点，提供可室温检测、低功耗、高集成气体生物传感器检测新方案。可用于痕量有毒气体便携监测；细菌 / 真菌快速无标记鉴别，无需大型仪器，适合床旁快速诊断。同时推动了碳纳米管传感从实验室走向产业化，拓展了微纳电子在生物医疗传感领域的应用。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s44460-026-00037-z
M2-Automation成立于2003年，总部位于德国柏林，是一家创新技术开发公司，专注于皮升/纳升级-超微量/微量、非接触式自动化移液和微阵列生物芯片点样技术。
精准性好：最小液滴体积30pL、点样CV≤2%
位移精度高：机械臂精度1µm，重复定位精度3μm
灵活性好：4类喷点模块可由操作者自行选择和轻松更换，非接触式压电点样头（pL皮升点样）、电磁阀点样头（nL 纳升点样）、M2专利点样头（10nL-μL点样），和接触式针式点样头
耗材成本低：专利M2MD喷点模块，拥有nL级非接触式点样领域唯一可使用塑料枪头替换的技术
稳定性高：在线负压除气和过滤装置，避免系统液管路微小残留气泡对点样的影响
配置灵活：可选配温、湿度控制和空气净化模块
软件易用：InDOT软件无需编程，鼠标拖拉功能图标即可实现芯片点样的程序设计
应用方向
基因芯片：分子互作验证、疾病功能基因检测或筛选等
蛋白质芯片：功能蛋白质筛选、抗原表位筛选、生物靶点筛选等
多糖芯片：进行糖功能学、糖蛋白、植物凝集素等研究等
小分子化合物芯片：药物筛选、疾病研究、疾病标志物筛选等
细胞芯片：细胞代谢机制研究、细胞信号通路研究、细胞膜受体研究等
微阵列SRPi镀金芯片：分子互作研究等
微孔板芯片：多重因子检测、微型ELISA等
微流控芯片、生物传感器芯片：药物研发、体外诊断、生物半导体研发等
临床快检POCT芯片：抗原抗体检测、过敏原检测、病原微生物检测等
生物传感器芯片/电化学芯片：CGM连续性血糖监测、血脂监测等
微针、微柱点样：透皮给药、缓释给药等
液体灌注、填充、清洗、移液、分液工作站等
环亚生物科技（APG BIO）作为德国M2-Automation公司中国区独家代理，为客户提供生物芯片点样、扫描以及高通量筛选的整体解决方案和服务。
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