盡管利用納米孔技術(shù)表征 DNA 檢測用二維材料的研究很多，但目前還缺乏對不同二維材料性能的全面比較。在這項工作中，使用廣泛的分子動力學(xué)模擬，我們比較了納米多孔石墨烯，二硫化鉬和碳化鈦 MXene (Ti
3C
2)的 DNA 檢測性能和靈敏度。DNA 的離子電流和停留時間通過數(shù)百次模擬表征在每種納米多孔材料中。我們設(shè)計了兩種統(tǒng)計測量方法，包括 Kolmogorov-Smirnov 檢驗和絕對成對差異來比較納米孔的性能。我們發(fā)現(xiàn)石墨烯孔是鑒別 DNA 堿基最敏感的膜。MoS
2能夠比石墨烯和 MXene 更好地區(qū)分 A 和 T 堿基和 C 和 G 堿基。進(jìn)一步研究了 DNA 在納米孔中的物理吸附和取向，為分子研究不同納米孔的性能特征提供了依據(jù)。
圖1、(a)單鏈 DNA 和石墨烯納米孔 MD 模擬系統(tǒng)示意圖。(b)比較了石墨烯、 MoS
2和 Ti
3C
2 MXene 納米孔的快照。所有納米孔的直徑大約為1.6納米。(c)用于裸孔模擬的三孔 I-V 特性。偏差范圍從 -2到2V 增加0.5 V。誤差線表示一個標(biāo)準(zhǔn)差，虛線作為0nA 電流和0v 偏差的參考。本文報道了回歸系數(shù) β 和測定系數(shù) R
2 。
圖2、(a-c)計算石墨烯、 MoS
2和 MXene 納米孔的4個 DNA 堿基的停留時間和離子電流。每個數(shù)據(jù)點是16個基地 IC 和停留時間在每個模擬的平均值。我們在石墨烯中進(jìn)行了270次 ssDNA 模擬，在 MoS
2中進(jìn)行了319次，在 MXene 納米孔中進(jìn)行了331次。三角形表示每個 DNA 堿基的所有模擬的平均 IC μI 和停留時間 μt。分別通過石墨烯、 MoS
2和 MXene 納米孔時，所有四種 DNA 堿基的離子電流(d-f)和停留時間(g-i)的直方圖。
圖3、(a-c)在10ns 的模擬過程中，DNA 堿基的平均數(shù)量分別吸附在石墨烯、 MoS
2和 MXene 的表面。(d)吸附在石墨烯表面的聚 dA16的快照。
圖4、(a)每個 DNA 堿基的平面定義為包含該堿基的芳香環(huán)的平面。DNA 堿基和膜之間的傾斜角 θ 是 DNA 平面和膜平面之間的角度。(b-d)分別位于石墨烯、二硫化鉬和多氯聯(lián)苯納米孔內(nèi)的 DNA 堿基與孔之間傾斜角的核密度估計圖。KDE 圖顯示了傾斜角的平滑概率密度。將每條概率密度曲線歸一化，使得曲線下面的面積(積分)等于1。
相關(guān)科研成果由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Amir Barati Farimani等人于2022年發(fā)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?。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
