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卡内基梅隆大学Amir Barati Farimani课题组--哪种二维材料更适合DNA检测: 石墨烯,MoS2,还是 MXene?
       尽管利用纳米孔技术表征 DNA 检测用二维材料的研究很多,但目前还缺乏对不同二维材料性能的全面比较。在这项工作中,使用广泛的分子动力学模拟,我们比较了纳米多孔石墨烯,二硫化钼和碳化钛 MXene (Ti3C2)的 DNA 检测性能和灵敏度。DNA 的离子电流和停留时间通过数百次模拟表征在每种纳米多孔材料中。我们设计了两种统计测量方法,包括 Kolmogorov-Smirnov 检验和绝对成对差异来比较纳米孔的性能。我们发现石墨烯孔是鉴别 DNA 碱基最敏感的膜。MoS2能够比石墨烯和 MXene 更好地区分 A 和 T 碱基和 C 和 G 碱基。进一步研究了 DNA 在纳米孔中的物理吸附和取向,为分子研究不同纳米孔的性能特征提供了依据。
 
图1、(a)单链 DNA 和石墨烯纳米孔 MD 模拟系统示意图。(b)比较了石墨烯、 MoS2和 Ti3C2 MXene 纳米孔的快照。所有纳米孔的直径大约为1.6纳米。(c)用于裸孔模拟的三孔 I-V 特性。偏差范围从 -2到2V 增加0.5 V。误差线表示一个标准差,虚线作为0nA 电流和0v 偏差的参考。本文报道了回归系数 β 和测定系数 R2 。
 
图2、(a-c)计算石墨烯、 MoS2和 MXene 纳米孔的4个 DNA 碱基的停留时间和离子电流。每个数据点是16个基地 IC 和停留时间在每个模拟的平均值。我们在石墨烯中进行了270次 ssDNA 模拟,在 MoS2中进行了319次,在 MXene 纳米孔中进行了331次。三角形表示每个 DNA 碱基的所有模拟的平均 IC μI 和停留时间 μt。分别通过石墨烯、 MoS2和 MXene 纳米孔时,所有四种 DNA 碱基的离子电流(d-f)和停留时间(g-i)的直方图。
 
图3、(a-c)在10ns 的模拟过程中,DNA 碱基的平均数量分别吸附在石墨烯、 MoS2和 MXene 的表面。(d)吸附在石墨烯表面的聚 dA16的快照。
 
图4、(a)每个 DNA 碱基的平面定义为包含该碱基的芳香环的平面。DNA 碱基和膜之间的倾斜角 θ 是 DNA 平面和膜平面之间的角度。(b-d)分别位于石墨烯、二硫化钼和多氯联苯纳米孔内的 DNA 碱基与孔之间倾斜角的核密度估计图。KDE 图显示了倾斜角的平滑概率密度。将每条概率密度曲线归一化,使得曲线下面的面积(积分)等于1。 
 
       相关科研成果由卡内基梅隆大学Amir Barati Farimani等人于2022年发表在Nano Letters(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02603)上。原文:Which 2D Material is Better for DNA Detection: Graphene, MoS2, or MXene?。

转自《石墨烯研究》公众号
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