一种用于多重双模地中海贫血筛查的或逻辑门控极性切换生物传感器

《Biosensors and Bioelectronics》：An OR-logic-gated polarity-switching biosensor for multiplexed dual-mode thalassemia screening

　　

• OR逻辑门—DNAzyme行走者级联反应筛查两种地中海贫血突变 • 一种新型Z-scheme Bi?S?/Bi–BiOI复合材料实现光电流极性反转 • G4-hemin实现飞摩尔级灵敏度的自验证PEC/比色双重检测

引言

地中海贫血是世界上最严重、最常见的单基因疾病之一，已成为一项重大的全球公共卫生问题（Corbacioglu等，2024）。全球每年约有56,000名新生儿患有临床显著的地中海贫血，其中30,000名需要输血依赖（Vitrano等，2023）。该病导致严重贫血、终身输血依赖和多器官损伤（Saliba等，2023）。若不接受定期输血治疗，一半受影响的患儿将在10岁前死亡；及时干预可将中位生存期延长至约18年（Kattamis等，2022）。地中海贫血是由珠蛋白基因突变所致。在这些突变中，CD142（T→C）点突变和CD41/42（-TTCT）缺失突变分别是α和β地中海贫血的高频突变位点（Liu, S.等，2024；Zhang等，2025）。同时检测这两个高频突变位点可克服单靶点检测的盲区，显著提高筛查的灵敏度和特异性，同时降低漏诊和误诊风险（Feng等，2025）。

目前，聚合酶链式反应（PCR）（Constantinou等，2022）、毛细管电泳（CE）（Canatan等，2024）和下一代测序（NGS）（Suksangpleng等，2024）被认为是地中海贫血基因诊断的"金标准"。然而，这些技术存在诸多局限性，包括仪器昂贵、操作步骤复杂以及成本高（Shoaib等，2025）。常规PCR需要对每个突变位点独立设计引物，导致步骤繁琐，并在多靶点检测中增加交叉污染风险。等位基因特异性PCR（ARMS-PCR）通常需要两个独立反应来检测单个位点，限制了通量（Bhakat等，2025）。PCR-反向点杂交（PCR-RDB）操作繁琐；突变模式解读复杂，且结果判读依赖专业人员经验（Hu等，2023）。虽然NGS可实现全基因组覆盖并全面检测珠蛋白基因变异，但其较长的周转时间和高昂的设备成本严重限制了其在基层医疗卫生机构中快速筛查的应用（Bohara等，2024）。因此，开发一种稳健、准确、易用且快速的地中海贫血定量检测方法，对于大规模产前诊断和遗传筛查具有重要的现实意义。

DNA逻辑门是分子计算与生物传感交叉领域的一个重要研究方向。自2004年首次提出以来（Okamoto等，2004），DNA逻辑门的高可编程性使得构建复杂的计算单元和逻辑电路成为可能，极大地拓展了生物传感器的应用范围（Jia等，2025）。例如，允许并行识别和逻辑判别多个靶标的OR逻辑门，已应用于多组分生物标志物检测和智能诊断（Chai等，2023；Feng等，2022）。作为基本的逻辑运算单元，OR逻辑门在多靶标检测中具有独特优势。其核心设计原理是：当两个靶标中的一个或两个同时存在时产生阳性输出信号；仅当两个输入均不存在时输出为阴性。这种"有靶标即触发响应"的特性使其特别适合遗传异质性疾病的多位点筛查。DNAzyme行走者是一种合成功能性核酸分子，在特定触发条件下可沿核酸轨道自主行走，并通过催化反应产生大量信号报告分子，提供了一种高效的信号放大策略（Tao等，2023；Wu等，2025）。基于上述优势，我们在此提出一种OR逻辑门级联DNAzyme行走者的传感策略：OR逻辑门实现CD142和CD41-42突变的同时识别，结合DNAzyme行走者的信号放大能力，构建了对单一或复合突变响应的超灵敏检测系统，为地中海贫血的快速基因分型和精准诊断提供了新途径。

尽管DNA逻辑门技术具有强大的并行计算能力，但信号转导和读出仍依赖于荧光或比色等传统方法，这些方法灵敏度有限且步骤繁琐，限制了其在微量检测中的直接应用。光电化学（PEC）技术因操作简便、响应快速和灵敏度高而在基因筛查和疾病早期诊断中受到广泛关注（Xie等，2026）。然而，它仍面临一些挑战，如信号输出依赖单靶标识别、难以应对复杂样本中多标志物的联合分析，以及易受非特异性吸附干扰等问题。将PEC的高灵敏度和快速响应引入DNA逻辑门检测系统，可实现多靶标输入的信号放大和光电转换；反之，DNA逻辑门的可编程逻辑运算能力可为PEC传感器赋予多维判别功能，有效克服各自技术的不足，打造一种集高灵敏度、多靶标能力和智能化于一体的新型生物分析平台。

即使具备逻辑门的多靶标识别能力，常规单模式PEC生物传感器仍依赖单一光电流信号读出。它们容易受到系统固有缺陷（如光源波动（Yu等，2025）、温度漂移（Liu, T.等，2025）、电极界面非特异性吸附（Li等，2024））和外部环境干扰（如电磁噪声、溶液基质效应）的影响，这限制了其在复杂生物样品分析中的可靠性。为规避这些局限性，整合两种独立信号转导机制并利用信号交叉验证和自校准的双模式传感策略，已显著提高检测精度、抗干扰能力和方法学可靠性，成为生物传感研究的重要方向（Li等，2025）。在本研究中，血红素——天然过氧化酶活性中心的一种模拟物——表现出独特的双功能活性，为构建PEC/比色双模式传感平台提供了关键的分子基础（Wang等，2022）。血红素具有优异的非血红素模拟酶催化活性，在H?O?存在下可高效催化显色底物3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化，生成蓝色氧化产物（oxTMB，最大吸收波长约650 nm）（Zhou等，2022）。该反应具有显色快、对比度高和肉眼可见等优点，可通过紫外-可见分光光度法进行定量，从而获得比色信号读出。该比色通道作为一种独立的信号输出路径，不仅操作简便、成本低廉，而且可通过颜色强度实现半定量目视检测。更重要的是，血红素还可作为光电流极性切换因子直接参与光电化学过程（Luo等，2024）。当血红素与富含G的DNA序列结合形成G-四联体（G4）-血红素复合物时，可诱导底材材料的极性切换。这种极性切换行为相比单方向光电流变化具有更高的信噪比和更宽的动态检测范围（Zeng等，2023）。

基于上述背景，我们构建了一种基于Z-scheme Bi?S?/Bi–BiOI（BIS）异质结集成OR逻辑门级联DNAzyme行走者的PEC/比色双模式生物传感平台，用于超灵敏检测地中海贫血突变位点CD142和CD41-42。如图1所示，该平台集成了OR逻辑门运算和DNAzyme行走者级联放大：靶标识别激活OR逻辑门输出S0，进而触发DNAzyme行走者在电极界面自主行走并释放大量G4-hemin信号分子，实现双通道信号输出。（1）在PEC检测模式下，Z-scheme BIS异质结作为光活性底材材料，G4-hemin作为光电流极性切换因子，调节BIS异质结的界面电子转移并诱导特征性的光电流极性反转，从而实现高灵敏、低背景的PEC检测。（2）在比色检测模式下，G4-hemin模拟过氧化物酶活性，在H?O?存在下高效催化TMB氧化，生成蓝色氧化产物oxTMB，在652 nm处产生特征吸收峰，并伴随肉眼可辨的颜色变化（从无色到蓝色），实现便捷的目视定量分析。所构建的PEC/比色双模式生物传感平台结合了高灵敏度的光电化学检测和直观的比色分析。该设计不仅通过双信号交叉验证显著提高了检测精度和抗干扰能力，而且在操作便捷性、设备简易性和结果直观性方面具有优势，从而为地中海贫血基因的 rapid 临床筛查和精准诊断提供了可靠的技术支持。

章节摘要

试剂与仪器

实验试剂和仪器的详细信息见补充材料（SI）。

BIS异质结的制备

BIS异质结的详细制备程序（包括所用不同BiOI:Na?S?O?摩尔比）见补充材料。

OR逻辑门的构建

简言之，将等体积的2 μM链R、2 μM链S0和靶标分子（CD142和CD41-42）混合，在37°C下孵育2小时形成Tri-Chain OR逻辑复合物。随后，OR逻辑门

材料的形貌与组成

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对Bi-BiOI、Bi?S?和BIS复合材料的形貌与微观结构进行了表征。如图1A和B所示，Bi-BiOI样品展现出由众多纳米片组装而成的分级微球结构，平均直径约为2 μm。这些纳米片相互重叠，形成松散堆积的多孔形貌，有利于增加比表面积

结论

总之，本工作成功建立了一个概念验证型双模式生物传感平台，将新型Z-scheme异质结与DNA分子计算相结合。通过采用G4-hemin介导的光电流极性切换机制，我们克服了传统单信号PEC传感器的局限性，有效地将微妙的基因变异转化为稳健的电学和光学输出信号。OR逻辑门与DNAzyme行走者的集成实现了

CRediT作者贡献声明

Yiwei Zheng：撰写-初稿、资源、调查。Na Feng：方法论、调查、撰写-审阅与编辑。Wenwen Xiao：调查、形式分析。Ruxia Wei：验证。Wenjie Lu：资源。Xu Li：调查。Xuecai Tan：撰写-审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取。Yashu Wei：撰写-审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。Kejing Huang：

伦理声明

所有参与者或其法定代表均已签署书面知情同意书，同意参与本研究并同意发表本文。已遵守参与者的隐私权利。本研究涉及人血清样本。本研究包含人体生物材料，已获捐赠者或其近亲或法定代表同意用于本研究和本文发表。本研究中使用的样本并非来源于执行死刑

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受国家自然科学基金（No. 22264004，22464004）、广西科技计划（No. guike LT2600640009）、广西自然科学基金（Grant No. 2026GXNSFBA00640295）、广西民族大学科研基金（引进人才校级科研启动项目，No. 2023KJQD20）、广西重点研发项目（No. AB18126048，AB22035080）资助。

Yiwei Zheng|Na Feng|Wenwen Xiao|Ruxia Wei|Wenjie Lu|Xu Li|Xuecai Tan|Yashu Wei|Kejing Huang|Jiawen Wu