联苯单层作为高灵敏度和选择性DNA/RNA核碱基检测的有力候选材料：基于第一性原理的研究

《Applied Surface Science》：Biphenylene monolayer as a promising contender for highly sensitive and selective DNA/RNA nucleobase detection: A first-principles investigation

本文通过DFT和NEGF方法系统研究BPN单层对九种核酸碱基的吸附行为，发现腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）及甲基化碱基以范德华力物理吸附，而胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）通过化学吸附显著改变BPN电子结构，沿armchair方向的灵敏度分别达2.04和3.21，恢复时间短，具备高灵敏、高选择性和可重复使用的核酸检测应用潜力。

　　

徐中辉|吴立昌|杨宁|王岩|侯春竹|刘国刚

江西科技大学信息工程学院，中国赣州341000

摘要

快速准确地识别核碱基分子对于个性化医疗和早期疾病诊断具有重要意义。在本研究中，系统地研究了各种DNA/RNA核碱基在联苯网络（BPN）单层上的吸附行为，以评估BPN单层作为高性能核碱基生物传感材料的可行性。结果表明，腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）以及甲基化核碱基5-甲基胞嘧啶（5mC）、5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC）主要通过弱范德华相互作用吸附在BPN单层上，而胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）则表现出明显的化学吸附，这一点通过电荷转移分析和键合特性得到了证实。化学吸附的核碱基C和U可以显著改变BPN单层的电子结构，从而通过导电性变化实现选择性检测。相应地，基于BPN设计的核碱基传感器对C和U表现出明显的各向异性敏感性，在扶手椅方向上的最大灵敏度分别达到2.04和3.21。此外，C（0.2毫秒）和U（0.04毫秒）在基底表面的快速恢复时间表明基于BPN的核碱基传感器具有良好的重复使用性。这些发现展示了BPN单层在开发结合高灵敏度、强选择性和重复使用性的核碱基检测生物传感器方面的巨大潜力。

引言

在现代社会中，长期的慢性压力和环境污染物的暴露日益导致细胞损伤和基因组不稳定，从而增加了癌症和其他遗传疾病的发生率[1]、[2]、[3]、[4]。因此，在这些疾病的早期阶段快速准确地识别分子层面的变化对于及时干预和有效治疗至关重要[5]、[6]。在这方面，精确识别核酸中的核碱基是早期分子诊断的基本前提[7]、[8]。有五种天然存在的核碱基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U），它们是核酸的基本构建块，并共同编码遗传信息。除了这些常规核碱基外，越来越多的证据表明，核碱基的化学修饰（如DNA甲基化）在调节基因表达中起着重要作用。特别是，包括5-甲基胞嘧啶（5mC）在内的表观遗传标记物已成为早期肿瘤诊断的重要生物标志物[9]、[10]、[11]。迄今为止，已经开发了多种分析技术来检测核碱基及其衍生物，包括基于荧光的方法[12]、[13]、电化学技术[13]、[14]、比色测定[15]、[16]、液相色谱[17]和质谱[18]。尽管这些方法有效，但它们存在一些固有的局限性，如样品制备复杂、仪器成本高和分析时间长，这严重限制了它们的大规模和常规应用。

纳米技术的快速发展，特别是二维（2D）材料，为生物传感应用开辟了新的机会，使得设计出快速、灵敏、方便和可靠的核碱基检测设备成为可能。在广泛的2D材料家族中，基于碳的系统，如石墨烯[19]、[20]、pop-石墨烯[21]、phagraphene[22]、[23]、penta-石墨烯[24]、[25]、Ψ-石墨烯[26]、[27]、Stone-Wales石墨烯[28]、R-石墨烯[29]和T-石墨烯[30]、[31]，引起了大量研究兴趣。由于这些材料具有原子级厚度、高电导率、结构稳定性和优异的机械性能，它们非常适合用于小分子传感应用。例如，Rahimi等人使用密度泛函理论计算研究了鱼腐败相关挥发性胺类（包括甲胺（MA）、二甲胺（DMA）和三甲胺（TMA）在原始penta-B₂C和penta-石墨烯单层上的吸附[32]。他们的结果表明，这两种材料都表现出φ型传感行为，其特征是在胺类吸附后导电性增强和电阻降低。Guaman等人证明，强相互作用

-块氢化物（NH₃、PH₃、AsH₃和SbH₃）的吸附可以显著改变T-石墨烯的电子结构，表明其在气体传感应用中的潜力[33]。此外，Sheikhsoleimani等人报告称，掺镓的phagraphene对NO和NH₃的选择性及灵敏度优于其他气体分子（如NO₂、SO₂和SO₃）[34]。

最近，Fan等人通过表面间聚合物脱氟反应成功合成了新型石墨烯同素异形体联苯网络（BPN）[35]。与石墨烯不同，BPN具有由sp²-杂化碳原子周期性排列成的平面结构，形成四边形、六边形和八边形环。BPN单层的实验实现不仅扩展了2D碳同素异形体的家族，还因其独特的结构特性和有前景的应用潜力而引起了广泛关注。后续的理论研究探讨了BPN的各种功能特性。Liu等人提出了几种基于BPN的纳米器件，并系统研究了它们在扶手椅方向和之字形方向上的电子传输行为[36]。他们的结果表明，BPN单层表现出明显的电子各向异性，在负差分电阻（NDR）器件、气体传感和肖特基势垒电子学中具有相当大的应用潜力。Martins等人报告称，银原子掺杂可以显著增强BPN对甲醇和乙醇分子的吸附能力，为设计基于BPN的微型气体传感器提供了理论见解。同样，Luo等人表明，Sc修饰显著改善了BPN单层对H₂的吸附，表明其作为二维氢储存材料的潜力[37]。此外，Su等人发现，联苯网络中的独特四边形环基元在氧化物分解和甲烷到甲醇转化反应中表现出比原始石墨烯更优越的催化活性[38]。尽管对这些BPN的电子、催化和气体传感特性进行了广泛研究，但将其作为敏感的核碱基生物传感材料的应用仍然很大程度上未被探索。

在这项工作中，结合密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）方法，从理论上评估了BPN单层作为核碱基生物传感材料的可行性。首先系统地研究了原始BPN单层的几何结构和电子特性。随后，考虑了所有可能的吸附位点，并基于吸附能量计算确定了九种代表性核碱基（A、T、G、C、U、5mC、5hmC、5fC、5caC）在BPN单层上的最稳定构型。然后通过全面的Bader电荷转移、差分电荷密度、电子局域化函数和加权带结构分析阐明了潜在的吸附机制。最后，构建了一个基于BPN的核碱基传感器，并计算了其电流-电压（I-V）特性，以阐明核碱基吸附与产生的电子响应之间的关系。这些发现表明，BPN单层是一种极具前景的材料，适用于快速和灵敏的核碱基检测，具有先进的生物传感应用潜力。

计算方法

本工作中所有的密度泛函理论（DFT）计算都是使用维也纳Ab initio模拟包（VASP）[39]、[40]进行的。采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换-相关函数[41]的广义梯度近似（GGA）来描述电子-电子相互作用。为了进一步验证电子能带结构，还应用了更准确的Heyd-Scuseria-Ernzerhof混合函数（HSE06）[42]。长程范德华

BPN单层的结构和性质

为了评估BPN单层作为核碱基生物传感器的可行性，首先需要研究其几何结构和电子性质。3 × 3 × 1 BPN超胞的完全优化几何结构如图1(a)所示，其中红色虚线代表由六个碳原子组成的矩形原始胞，空间群为Pmmm。值得注意的是，BPN具有独特的2D原子结构，由四元、六元和八元环组成，这些环都是sp²

结论

总结来说，利用第一性原理计算系统研究了基于BPN的生物传感器对各种核碱基的传感性能，包括五种天然碱基（A、T、G、C和U）和四种代表性的甲基化碱基（5mC、5hmC、5fC和5caC）。结果表明，这些核碱基分子可以分为两类：物理吸附（A、G、T、5mC、5hmC、5fC和5caC）和化学吸附（C和U）。

CRediT作者贡献声明

徐中辉：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、实验研究。吴立昌：撰写 – 初稿撰写、形式分析、数据管理。杨宁：数据可视化、形式分析。王岩：数据可视化、形式分析。侯春竹：项目监督、项目管理。刘国刚：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：12364024, 11864014）、江西省自然科学基金（资助编号：20224BAB201023, 20151BAB212004）、江西省低维量子材料与传感器器件重点实验室（编号：GanJiaoKeZi-20241301）、江西省多维智能感知与控制重点实验室（编号：2024SSY03161）以及的博士启动资金的支持。