利用Janus MoSSe单层传感人工扩展遗传信息系统（Artificially Expanded Genetic Information System, AEGIS）DNA——密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）研究

《ACS Applied Nano Materials》：Sensing the Artificially Expanded Genetic Information System DNA Using Janus MoSSe Monolayers: A Density Functional Theory Investigation

　　

人工扩展遗传信息系统（Artificially Expanded Genetic Information System, AEGIS）通过引入合成核碱基扩展了经典遗传字母表，但在测序与检测中面临信号简并及缺乏高分辨率无标记传感手段等瓶颈。研究人员采用含范德华（van der Waals）修正的密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算及非平衡格林函数（Nonequilibrium Green's Function, NEGF）电子传输模拟，揭示Janus MoSSe单层可作为AEGIS核碱基无标记检测的通用平台。核碱基主要通过物理吸附（physisorption）结合，且硒（Se）端表面结合强于硫（S）端表面；吸附以碱基特异性方式调控MoSSe的电导与透射特性，可实现电子学区分。合成异源核碱基（xenonucleobases，如J）与自然碱基（如G）表现出最强结合与电子耦合，而T相互作用最弱。电荷转移与能带结构分析表明S端呈现明显的p型掺杂效应（引入带隙中间态），Se端扰动较微弱。NEGF传输计算显示碱基依赖的透射与电流差异，表明Janus MoSSe有望用于高选择性、高灵敏分子识别，是下一代生物传感器及读取扩展遗传字母的有前景候选方案。

利用Janus MoSSe单层传感人工扩展遗传信息系统（AEGIS）DNA——密度泛函理论（DFT）研究的解读

该论文发表于《ACS Applied Nano Materials》，围绕人工扩展遗传信息系统（Artificially Expanded Genetic Information System, AEGIS）——即在经典A/T/G/C四碱基基础上引入多达8种合成异源核碱基（xenonucleobases，如X、K、J、V、B、S、P、Z）形成12碱基体系——在直接、高保真测序与碱基水平检测方面受限于信号简并（signal degeneracy）及缺乏无标记（label-free）、高分辨传感平台这一现实问题展开。二维（two-dimensional, 2D）材料因原子级厚度、大比表面积与可调电子性质被用于核苷碱基无标记传感，其中过渡金属硫族化合物（transition metal dichalcogenides, TMDs）如MoS₂已证明可区分经典碱基乃至Hachimoji DNA八碱基；Janus TMD（如Janus MoSSe单层，S与Se原子分别位于Mo层两侧）因破缺面外镜面对称产生垂直偶极矩，可增强对吸附分子的灵敏度。研究人员采用第一性原理密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）结合范德华（van der Waals）修正及非平衡格林函数（Nonequilibrium Green's Function, NEGF）传输模拟，系统考察Janus MoSSe单层硫端（MoSSe_S）与硒端（MoSSe_Se）对完整12碱基AEGIS库的吸附几何、结合能、电荷转移、能带/投影态密度（projected Density of States, PDOS）及零偏/偏压下的电子传输特性，证实Janus MoSSe可通过碱基特异性吸附与电学响应实现天然与合成核碱基的无标记区分，且双面终端提供互补判别信息，其中S端在判别性能上总体优于Se端，为扩展遗传字母读取提供了理论依据与新传感思路。

主要关键技术方法

研究人员采用Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）进行周期边界DFT计算，交换关联采用广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）下Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函，芯电子–价电子相互作用用投影缀加平面波（Projector-Augmented Wave, PAW）描述，考虑DFT-D3范德华修正，平面波截断能500 eV，Monkhorst–Pack k点网格3×3×1，力与能量收敛阈值分别为5×10^–3eV/?与10^–6eV，真空层16 ?避免周期性镜像作用。核碱基与Janus MoSSe分别单独优化后置于H_C（六方中心）、B（桥位）、T_Mo（Mo顶位）、T_X（硫/硒顶位）等多初始取向全弛豫获取最稳定吸附构型。结合能E_b= E_{monolayer+base}– (E_monolayer+ E_base)，vdW贡献E_{b_vdW}= E_b– E_{b_ele}（E_{b_ele}为不含D3修正计算结果）。Bader电荷分解分析电荷转移ΔQ，差分电荷密度Δρ(r)=ρ_{monolayer+base}(r)–ρ_monolayer(r)–ρ_base(r)。电子传输用TranSIESTA基于NEGF形式，零偏透射系数由Γ_L/R与推迟/超前Green函数给出，电流按Landauer–Büttiker公式计算，电导G = G₀T(E_F)，传输灵敏度=|G–G₀|/G₀×100%，电流灵敏度=|I–I₀|/I₀×100%。所有计算在真空下进行，未考虑溶剂、磷酸骨架、相邻碱基及热涨落。

研究结果

Structural and Electronic Properties of the Janus MoSSe Monolayer（Janus MoSSe单层的结构与电子性质）

研究人员优化获得Janus MoSSe原胞晶格常数a = b = 3.22 ?（介于MoS₂与MoSe₂间），直接带隙约1.75 eV（K点），导带底（Conduction Band Minimum, CBM）与价带顶（Valence Band Maximum, VBM）主要由Mo 4d（d_x²–y²、d_xy）轨道贡献，VBM含S/Se p轨道成分，CBM中Se p轨道贡献大于S。Mo面内d轨道利于与核碱基π体系轨道杂化与电子耦合，为吸附诱导电导变化奠基。

Adsorption of Modified DNA Bases on MoSSe Monolayer（修饰DNA碱基在MoSSe单层的吸附）

12种核碱基均以平躺取向物理吸附于MoSSe_S与MoSSe_Se，最稳定吸附位点具碱基与端基依赖性（如A、G倾向H_C位；C、J、P倾向T_Mo位；K在S端取B位而在Se端取T_Se位等）。结合能均远超过室温热能（~0.026 eV），热力学稳定。Se端结合能整体较S端高约3%以上（J最强达–1.013 eV于Se端B位，T最弱–0.742 eV于S端），吸附距离因Se原子半径大而略大于S端。吸附机制以物理吸附为主——vdW贡献占结合能55–60%，E_{b_vdW}主导稳定化，少数碱基（G、J、V及Se端C）具微弱电子稳定贡献（E_{b_ele}为负）。结合能排序S端：J > G > V > K > B > P > Z > X > S > A > C > T；Se端：J > G > V > B > P > K > Z > X > S > A > C > T。Bader分析与差分电荷密度显示：Se端吸附普遍致MoSSe层净电荷耗竭（电子转移至碱基），S端电荷转移方向因碱基而异（耗尽或积累），与S电负性高于Se有关。合成碱基（除个别外）结合一般强于天然碱基，J因扩展π共轭与适宜氢键/供受体基团具最强吸附。

Electronic Properties upon Nucleobase Adsorption（核碱基吸附后的电子性质）

PDOS与能带结构显示：MoSSe_S端吸附后在带隙内引入源自碱基的分子态（靠近VBM），引起带隙微缩并产生类似p型掺杂效应（碱基LUMO与MoSSe VBM能差越小掺杂越强，C、Z、X、V、S较显著），T例外几无带隙态；MoSSe_Se端通常无带隙内分子态（除B外），分子态多位于VBM之下或CBM之上，电子扰动较轻微。吸附基本不改变MoSSe主体能带形貌，佐证物理吸附本质。S端与Se端不对称电子响应对同碱基产生不同调制，可用于双重判别。

Electronic Transport Properties（电子传输性质）

构建双探针器件（散射区为MoSSe单层，两端半无限电极同质），NEGF计算零偏透射T(E)与偏压I–V特性。 pristine MoSSe呈典型半导体透射禁带，碱基吸附后在~+1.20 eV附近透射受抑程度具碱基特异性。零偏传输灵敏度与结合能（关联滞留时间τ∝exp(E_b/k_BT)）组合在S端可有效分组区分多数碱基（仅V与K结合能接近难分）；Se端亦可区分部分组合（B与G靠结合能差区分，K与V仍难分）。偏压扫描（0–2.4 V）得I–V曲线，2.4 V下电流灵敏度S端最高为A(~45%)，趋势A > K > G > V > X > J > S > Z > T > B > P > C；Se端最高为G(~21.5%)，趋势G > X > P > K > A > S > Z > B > C > J > T > V。结合传输灵敏度、电流灵敏度与结合能，S端总体判别能力强于Se端。功函数灵敏度（S_W）在S端变化更显著且与带隙内分子态位置关联，再次印证S端传感优势。

讨论与结论翻译（Conclusion部分浓缩与直译）

研究人员通过DFT与NEGF全面考察了Janus MoSSe单层对天然及AEGIS扩展核碱基的吸附与电子传感潜力。所有碱基主要通过vdW作用稳定物理吸附于双面，Se端平均结合更强；S端与Se端吸附几何、电荷转移及电子扰动的差异体现了Janus MoSSe本征不对称性，可实现双模传感。S端吸附引入带隙中分子态促p型掺杂与明显能带调制，Se端诱导较细微变化（态多位于带边外）。电子传输模拟证实碱基吸附产生特异性透射谱与I–V特征调制，支持选择性碱基判别；vdW修正在双面均显著强化结合能。综合传输灵敏度、电流调制与结合能（关联易位动力学），硫端界面判别性能持续优于硒端，是异源核碱基传感更有效界面。Janus MoSSe是具备潜力的无标记、高灵敏、可扩展平台，可用于鉴别扩展遗传字母系统，对合成生物学中天然与非天然碱基快速多元判别具重要意义，经实验验证与器件集成后可望补充及拓展现有自然与合成遗传系统测序技术。