随着科技的进步与我国经济的发展,人们的生活水平有了很大的提高。对于现代人来说如何提升生活品质成为了大家更为关心的话题。一日三餐是最贴近人们日常生活的事,食品和农产品安全问题与每个人都息息相关。近年来爆发的几起食品安全事故令广大人民群众人心惶惶,国家和政府高度重视与民生密切相关的食品安全问题。其中食源性病菌是致使的食品安全不合格的主要原因,想要从源头把控食品和农产品的质量首先要解决的就是食品中食源性病菌的检测问题。当前检测食源性病菌最常用的方法仍然是传统的平板记数法,即将被检测食品按照国标方法处理后得到样品溶液并稀释,然后经四十八小时培养后观测生长后的菌落,统计菌落个数并根据样品稀释倍数以及接种量计算出样品中细菌数量。这种经典的方法因其检测精度极高(可精确到单个细菌)一直被检疫部门采用。但是经典方法的缺陷也很明显,由于培养时间长,当出现一些紧急情况需要很快得到检测结果获得病原菌信息时传统方法明显不能满足需求,而且细菌培养需要专业人员进行操作,阻碍了这一方法的广泛普及。基于传统检测方法的缺陷,食源性病菌快速检测方法应运而生。目前受关注度比较高的快速病原菌检测方法主要有基于分子生物学的检测方法、基于免疫学的细菌检测方法和基于生物传感器的自动化快速检测方法。其中比较成熟和有代表性的方法有多聚酶链式反应(PCR)、酶联免疫法(ELISA)和有标记的生物传感器法。这些方法检测时间短,检测精度虽不如经典方法但也已经足够满足突发事件快速检测的需求。但是前两种方法无一例外地对检测人员技能要求较高,且所用到的检测仪器价格高昂,多处于实验室阶段,不利于后期的普及和推广。而且这些方法大多需要繁琐的前期预处理过程,例如对被测病原体进行标记或者富集等。针对这一情况,本课题研究了一种新型的细菌检测方法,该方法与纳米材料构成的生物传感器相结合,无需对被测细菌进行标记,且检测时间短,特异性高,可靠性好,无需繁琐的预处理就能得到符合要求的检测结果。生物传感器技术一直为检测微生物、气体、大分子物质等提供重要的途径和方法,也是实现食源性病菌自动化检测的重要手段。近年来,生物传感器与电学、化学、材料学和免疫学等的结合使其在微生物检测方面有了很大发展。尤其是纳米材料的兴起和应用使得生物传感器有了更广阔的发展空间。石墨烯是现如今纳米材料中最受人瞩目的研究热点材料,它由单层碳原子组成,呈蜂巢状排列。石墨烯有着优异的电学、光学和机械性能,在材料学、生物医学、能源等领域有着很好的应用前景,被誉为最有发展潜力的二维纳米材料。纯净的石墨烯有着极高的电子迁移率,是硅材料的十倍;石墨烯有着很强的表面吸附性,可以与多种分子和微生物结合;同时,它独特的单层碳原子二维结构使得石墨烯对周围环境异常敏感,当有其他带电分子或物质被吸附,对石墨烯表面造成掺杂时石墨烯的电子迁移率会产生明显的改变,从而引起石墨烯自身电阻的变化。基于此,石墨烯非常适合作为生物传感器的接受端。其中,基于石墨烯的场效应管生物传感器应用最为广泛。典型的石墨烯场效应管主要有两种检测机制——静电栅极效应和掺杂效应。带电分子吸附在石墨烯表面,作为额外的栅极电容,改变石墨烯通道的电导大小,此为静电栅极效应;掺杂效应则是被吸附的分子直接与石墨烯通道之间进行电荷转移来改变通道电阻。实际应用中,这两种机制同时存在,通过检测石墨烯场效应管的等效电阻可以间接表示被测物浓度。本课题分析了现有细菌检测技术及其不足、石墨烯场效应管生物传感器的检测原理、技术发展和应用,在此基础上阐述了课题的研究内容,主要包括石墨烯场效应管生物传感器的搭建与测试、整个测试系统的组成以及各个部分的设计思想和实现方法。本文将纳米材料和生物传感器相结合,提出了一种新型的大肠杆菌快速检测方法,并在理论性实验的基础上设计了一套可就地快速检测大肠杆菌浓度的系统。该系统主要由前端生物传感器单元、电阻测量单元、信号处理与控制单元、显示单元组成,其中的核心部分为石墨烯生物传感器的搭建和弱电信号的信号处理。本课题的主要工作为石墨烯生物传感器的制备、快速检测系统电路部分的搭建和软件程序的编写与调试。经实验验证,我们设计的大肠杆菌快速检测系统有着很好的检测精度(检测范围为10~107cfu/ml,最低检测限为10CFU/ml)和可靠性(标准差=0.3),检测时间控制在45分钟之内,在食品和农产品检测领域有着很好的应用前景。未来生物传感器和纳米新材料的发展将会给快速细菌检测技术带来前所未有的改变。