基于黑磷和石墨烯超材料的等离子体诱导透明多功能设计

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Plasmon-induced transparency multifunctional design based on black phosphorus and graphene metamaterials

DNA碱基吸附特性与Pt-WSSe单层传感机制研究。摘要：采用密度泛函理论系统探究Pt修饰WSSe单层对A、C、G、T的吸附行为及传感特性，发现吸附能顺序为A＞G＞C＞T，表明Pt掺杂可显著改善WSSe导电性并增强碱基特异性识别。通过吸附能和电子结构分析，揭示了化学吸附主导的稳定结合机制及低能带隙特性，证实Pt-WSSe单层具备优异的DNA测序应用潜力。分隔符：

　　

Noora H. Ali|Lafy F. Al-Badry

伊拉克纳西里耶提卡尔大学理学院物理系，邮编64001

摘要

核碱基是众多生物过程的基础生物分子，其识别对于DNA测序至关重要，而DNA测序是人类基因组计划的主要目标之一。在本研究中，我们利用密度泛函理论（DFT）计算系统地研究了天然（A、C、G和T）DNA碱基在经过Pt过渡金属改性的Janus WSSe表面的吸附行为和传感特性。为了表征结构稳定性，我们评估了吸附能以及核碱基与改性纳米结构之间的理想距离。DNA核碱基与Pt-WSSe之间的吸附强度遵循以下顺序：A（?2.53 eV）≥ G（?2.52 eV）> C（?2.457 eV）> T（?1.95 eV），吸附高度在2.092–2.066 ?范围内。所有吸附过程都是自发的，并且由于吸附能为负值且较大，因此具有化学吸附的性质。Pt改性WSSe表面的带隙较小，表明这些纳米结构的导电性优于纯系统。我们的结果表明，由于化学吸附导致结构畸变的Pt-WSSe单层是一个有用的传感平台，对所研究的核苷酸具有最佳的灵敏度。在正常情况下，核碱基分子从单层上的脱附时间很长，但可以通过高温退火并在紫外光照射下显著缩短。因此，预计Pt掺杂的WSSe单层可以作为一种天然的功函数型核碱基传感器。这项研究对我们了解可能的DNA传感平台及其电子特性做出了重要贡献，将进一步推动利用改进的DNA测序技术实现个性化医疗的发展。

引言

DNA（脱氧核糖核酸）是生命的基本组成部分，它编码了调控所有生物体功能的遗传指令，由核苷酸组成，每个核苷酸都通过糖-磷酸骨架连接四种天然产生的核碱基之一[1]。DNA序列作为蛋白质生产的模板并传递遗传信息。DNA中的每个基因编码一种特定的蛋白质，这种蛋白质可能具有多种用途，对细胞至关重要，包括细胞信号传导和人类疾病的病理生理学。在研究特定疾病时，识别DNA序列至关重要[2]。利用基因组序列分析的分子诊断方法为检测传染病、遗传变异和病原体提供了一种敏感且定量的手段。数十年来，许多研究和技术的目标都是直接且超灵敏地检测特定的DNA序列。纳米技术的出现加速了不同科学学科的整合，打破了传统学科之间的界限，从而催生了纳米技术及其相关生物子领域——纳米生物技术这一新的多学科领域[3]。

该领域的进步和创新催生了纳米医学的发展，涵盖了再生医学、分子成像、药物输送系统以及诊断材料和设备等多个领域[4]。值得注意的是，得益于传感和处理技术的进步，纳米医学使得体外和体内的非侵入性诊断和精准治疗成为可能。基于纳米技术的成像技术目前正被用于医学中的非侵入性诊断。除了在食品分析[5]、生物恐怖主义和环境监测[6],[7],[8]中的应用外，纳米生物传感器在持续的人类健康监测中也变得越来越普遍。目前，基于DNA的纳米生物传感器是最具前景和吸引力的[9,10]。

作为DNA核碱基检测的传感平台，研究人员研究了多种二维材料，包括石墨烯[11,12]、磷烯、h-BN[13]、Ti₂CO₂[14,15]、MXene、Ti₃C₂ MXene[11,16,17]、单层C₂N[18]和单层GaS[19]。二维过渡金属硫属化合物（TMDs）因其显著的光学和电学特性以及高表面积与体积比而受到更多关注[20,21]。从概念上和实践上讲，研究人员都研究了单层MoS₂的DNA检测能力[22]。Farimani等人[23]通过原子级和量子模拟发现，单层MoS₂“纳米孔和纳米通道”在DNA测序方面具有优异的性能。MoS₂纳米孔能够以低噪声检测单个核碱基，并显示出独特的电流信号。

Jin等人[24]描述了一种独特的Au掺杂单层MoS₂传感器，该传感器能够快速、灵敏且针对性地检测DNA分子。由于SH基团和Au基团之间的反应，DNA在MoS₂上的吸附效率提高了大约一个数量级。Graf等人[25]证明技术上可以实现具有纳米孔的独立MoS₂纳米带。通过分析流经纳米带的横向电流和纳米孔的离子电流的相关信号来检测DNA分子[25]。尽管纳米孔测序技术被广泛用于DNA检测，但它仍存在许多缺点。因此，我们在这项工作中倾向于研究一种更可靠、成本更低且更具商业可行性的方法。我们试图探索这种传感的机制，而不是纳米孔机制[26]。MoSSe是最常用的Janus TMDs之一，理论研究表明它具有出色的核碱基分子传感能力[22]。此外，理论研究还表明，在许多实际应用中，掺有金属原子的WSSe单层表现出显著的传感能力[27,28]。需要注意的是，掺杂过渡金属（TM）的WSSe单层作为核碱基传感器的研究较少。针对这一主题的理论研究可以大大提升基于WSSe的纳米材料的潜力，为更深入研究Janus TMDs打开大门。

与通用的DNA检测或非Janus TMDs相比，将Pt掺杂与Janus WSSe平台结合用于特定DNA碱基的检测是一种独特的方法。通过独特的方式利用Pt的催化作用实现基于碱基的区分，并具有前所未有的灵敏度——这比现有的InSe[29]或石墨烯[30]传感器有了显著改进。这些材料通过提供强的碱基相互作用和改进的电子可调性，克服了单原子掺杂或纯二维材料的固有局限性，为快速、精确的基因诊断创造了新的机会。

在检测DNA核碱基时，掺杂Pt的Janus单层WSSe预计将表现出独特的传感性能。因此，本工作的目的是利用密度泛函理论（DFT）探索二维材料（主要是Pt改性的WSSe单层）在DNA核碱基检测中的潜在应用，通过确定DNA核碱基的理想间距和吸附位点。我们使用常用的理论特性（如电荷转移和吸附能）来评估传感能力。除了增进我们对Pt-WSSe表面DNA电子特性的理解外，我们的研究还有助于开发先进的生物传感平台，最终有助于实现个性化治疗和提升诊断能力。这些知识将有助于寻找有前景的DNA传感应用候选材料。

计算细节

计算研究使用了Materials Studio软件中的Dmol3[31]模拟包进行基于密度泛函理论的第一性原理计算。交换-相关相互作用采用Perdew-Burke-Ernzerh（PBE）泛函的广义梯度近似（GGA）来描述[32,33]，相对论效应则通过DFT半核心赝势（SPP）来处理[34]。价电子采用双数值加极化（DNP）方法进行模拟[34]

功能化WSSe单层和核碱基初始结构的优化

为了理解Pt掺杂对Janus WSSe单层几何形变的影响，图2展示了Janus WSSe单层的最佳原子和电子结构。首先，观察图1(a)和(b)中的Janus WSSe单层形态，W原子位于S原子和Se原子之间，“夹在”两者之间，形成了74.24°的键角（S?W?Se）。经过原子位置调整后，Janus WSSe单层的优化晶胞参数为a = b = 3.22 ?

结论

在这项工作中，我们利用密度泛函理论系统研究了Pt-WSSe单层对四种核碱基的电子和吸附特性。以下是主要结论：

(1)

Pt的掺杂显著提高了Janus WSSe基底的导电性，电子结构分析表明Pt的改性减少了能隙。

(2)

A、C、G和T核碱基在Pt-WSSe单层上的吸附能分别为?2.53、?2.457、?2.52和?1.95 eV

CRediT作者贡献声明

Noora H. Ali：软件、方法论、研究设计、数据分析、概念化。Lafy F. Al-Badry：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。