阻断剂辅助的TiS?纳米带扩展栅极场效应晶体管用于野生型背景下EGFR L858R模型DNA的无扩增电学检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Blocker-assisted TiS 3 nanoribbon extended-gate FET for amplification-free electrical detection of EGFR L858R model DNA under wild-type background

　　

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  便携式TiS₃-EGFET实现了EGFR L858R突变的无标记检测。
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  无需酶扩增即可实现1 pM的检测灵敏度。
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  在100 nM野生型DNA背景下可检测经实验验证的0.01% VAF。
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  DNA阻断链抑制野生型干扰以实现选择性感知。
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  EKV模型识别了最优亚阈值生物传感器工作点。

引言

癌症仍是重大的全球健康负担，2022年全球报告的新发病例约2000万例，预计到2050年将超过3500万例。[1] 这一趋势持续推动着分析技术的发展需求，以实现更早的检测、分子分层和纵向疾病监测。[2]、[3] 尽管组织活检仍是临床参考标准，但液体活检作为一种互补方法已崭露头角，因其具有微创、可重复检测以及可从体液中获取肿瘤来源分析物的优势。[4]、[5] 在这些分析物中，循环肿瘤DNA（ctDNA）尤为引人注目，因为它可以提供肿瘤相关基因组改变的同步信息并支持治疗监测。[6]、[7] 临床无细胞DNA主要为双链结构，通常呈现约166 bp的特征片段长度，而ctDNA构成此循环DNA库中的肿瘤来源部分。[8] 由于ctDNA可能仅占总cfDNA的一小部分，特别是在低肿瘤负荷疾病中，可靠的突变检测依赖于高分析灵敏度和严格的序列选择性。[8]、[9]

非小细胞肺癌（NSCLC）仍是ctDNA分析最重要的临床适应症之一。NSCLC占肺癌病例的85%以上，其中相当大的一部分由表皮生长因子受体基因（EGFR）的激活突变驱动。[10] 在这些突变中，第21外显子L858R和第19外显子缺失共同占EGFR突变肿瘤的主要比例，并直接指导EGFR靶向治疗的应用。[11]、[12] 因此，EGFR突变的快速准确识别对于治疗分层和纵向监测至关重要。这一临床背景使EGFR L858R成为紧凑型分子诊断的特别相关靶标，最终有望补充集中式基因分型工作流程。[13]、[14]

从分析角度来看，ctDNA中的单核苷酸变异检测仍然困难，因为突变等位基因可能被野生型DNA强烈稀释，而同时与相应的野生型序列仅相差一个核苷酸。[15]、[16] 基于测序和PCR的检测仍是主导的临床方法，但它们通常需要昂贵的仪器、多步工作流程、扩增以及专门的数据分析。[17]、[18] 这些局限性维持了对生物传感方法的兴趣，这些方法提供更低的运行复杂性和更大的去中心化潜力。[19]、[20] 然而，核心挑战不仅仅是检测DNA，而是在压倒性的野生型背景下检测正确的等位基因。对于EGFR L858R及相关驱动突变，这一要求使低变异比例下的等位基因区分成为决定性指标。[9]、[15]、[16]

场效应晶体管生物传感器在此背景下颇具吸引力，因为它们与无标记电学读出和微型化、便携式器件架构兼容。[18] 在扩展栅FET构型中，化学功能化的传感界面与晶体管物理分离，简化了传感器更换并有助于将读出电子器件与样品环境隔离。[21]、[22]、[23] 这些特性使EGFET在低成本和即时医疗导向的核酸感知中颇具吸引力。然而，FET信号转换受界面静电学控制：杂交事件通过表面电位变化而非通过序列特异性光学或酶促放大来转化为信号。因此，野生型和突变型双链体均可对电学响应产生贡献，尤其是当野生型链大量存在时。这一局限性因电解质溶液中的离子屏蔽效应而加剧，该效应限制了基于电荷器件的有效感知范围，已成为下一代生物电子传感器的决定性挑战。

低维材料已被广泛探索以通过改变电化学可及面积、界面电容、表面异质性和电荷转换特性来改善FET生物传感器性能。[24]、[25]、[26] 硅纳米线、碳纳米管、石墨烯衍生材料和过渡金属硫族化合物均已在核酸感知中展现了前景。[27]、[28]、[29]、[30] 即便如此，仅改善信号转换并不能解决等位基因区分的核心问题。对于临床相关的SNV，尤其是类似ctDNA的背景，有效的感知策略必须将电荷敏感界面与显式机制相结合，在信号产生之前或期间抑制野生型干扰。

在此，我们提出了一种便携式TiS?纳米带修饰的扩展栅场效应晶体管平台，用于对EGFR L858R突变对应的合成模型DNA进行无标记、无扩增检测，如图1所示。该系统集成了DNA功能化的TiS₃/Au传感电极、MOSFET换能器和紧凑型无线读出模块。为解决野生型干扰这一核心瓶颈，我们进一步引入了一条短的非修饰DNA阻断链，在电学读出前优先减少野生型相对于突变序列的可用性。该设计将纳米结构化界面信号转换与溶液相等位基因区分相结合，实现了便携式架构中的突变选择性感知。通过在电学感知前减少主要野生型的贡献，阻断辅助策略解决了将无扩增FET检测扩展到较长双链cfDNA类靶标的关鍵分析障碍。

章节摘要

化学品与仪器

钛箔、硫粉、三价铁氰化钾（K₃[Fe(CN)₆]）、亚铁氰化钾（K₄[Fe(CN)₆]）、磷酸盐缓冲液（PBS）片剂、N-羟基磺酸琥珀酰亚胺（NHS）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、巯基乙酸（TGA）和2-(N-吗啉基)乙烷磺酸（MES）缓冲液均购自Sigma-Aldrich（美国）并按原样使用。丝网印刷金电极（SPE）购自DropSens（西班牙）。所有水溶液均使用

利用TiS3纳米结构构建SPE界面以增强生物传感

为增强基于SPE平台的生物传感性能，采用滴涂法将TiS₃纳米结构沉积于电极表面，如实验部分所述。引入TiS₃预计将改变电极/电解质界面并改善关键传感特性，包括信号转换效率和整体传感器响应。因此，对合成的TiS₃和所得修饰电极进行了全面表征

结论

在本工作中，开发了一种基于TiS₃的便携式扩展栅场效应晶体管生物传感器，用于对EGFR L858R突变对应的合成模型DNA进行无扩增检测，这是非小细胞肺癌中一种重要的临床生物标志物。引入TiS₃纳米带产生了具有适度增加的电化学可及面积和改变的界面电容特性的多孔半导体传感界面，EIS分析证实了这一点

CRediT作者贡献声明

Seyed Hamed Aboutalebi：验证、形式化分析、方法学、资源。Mehdi Sadeghi：形式化分析、资源、验证、写作–审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。Mohammad Hosseini：写作–审阅与编辑、写作–初稿撰写、可视化、验证、软件、项目管理、方法学、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。Mehran Khodayari：概念构思，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢Shahram Samiee博士的深刻见解和宝贵指导。作者也衷心感谢Heshmat Asgharian在整个工作中提供的慷慨协助和坚定支持。

S.Ahmad Etghani|Mohammad Hosseini|Mehran Khodayari|Seyed Hamed Aboutalebi|Mehdi Sadeghi