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本研究针对 Ti?N MXene 在 DNA 碱基分子传感应用研究匮乏的问题，利用 DFT-D2 方法，开展 DNA 碱基在原始、缺陷 Ti?N 及 Ti?NO?上的吸附行为研究。发现原始 Ti?N 吸附能最低、作用强，缺陷和氧官能化使其减弱，Ti?NO?利于缩短恢复时间，为研发 2D 传感材料提供理论指导。
在生命科学与医学领域，精准检测 DNA 碱基分子对于疾病诊断、基因突变分析等具有关键意义。二维（2D）材料因其独特的物理化学性质，如高表面积、优异的电子传导能力和对化学环境的高敏感性，在生物传感领域展现出巨大潜力。自 2004 年石墨烯被发现以来，各类 2D 材料如六方氮化硼、硅烯等被广泛研究用于气体传感及核酸检测。MXene 作为一类新兴的 2D 材料，由过渡金属碳化物或氮化物构成，在能源存储、催化等领域已崭露头角，但在生物医学检测，尤其是 DNA 碱基分子传感方面的研究却较为有限，特别是 Ti?N MXene 的相关应用探索更少。当前，开发高效、灵敏且能快速恢复的 DNA 碱基传感材料是领域内的重要挑战，而 Ti?N 基材料是否具备这样的潜力尚不明确。
为填补这一研究空白，山东大学的研究人员开展了 DNA 碱基分子（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶）在原始 Ti?N、含空位缺陷的 Ti?N（包括 Ti 空位和 N 空位）及氧官能化 Ti?NO?单层上吸附行为的研究，相关成果发表在《Applied Surface Science》。
研究人员主要采用密度泛函理论（DFT）结合范德华修正（DFT-D2）的方法，通过维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行计算，运用投影增强波（PAW）方法处理电子 - 离子相互作用，采用广义梯度近似（GGA）的 Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函描述交换关联能，对不同体系的总能量、电子结构（如能带结构、态密度）、吸附能、巴德电荷、电荷密度差及功函数等进行分析，以揭示吸附机制与材料性能差异。
原始 Ti?N 对 DNA 碱基的吸附特性
Ti?N 为 M?X 型六方结构，氮原子夹于两层钛原子之间，具有金属性，其导电特性利于检测 DNA 分子吸附引起的电信号变化，适合即时检测（POC）传感器应用。优化后的原始 Ti?N 对 DNA 碱基展现出最低的吸附能（更负的值），表明其与碱基间存在最强的相互作用，这种强吸附能力使其在 DNA 分子捕获中具有优势，但强结合可能导致传感器恢复时间较长，不利于重复传感应用。
缺陷及氧官能化对 Ti?N 吸附行为的影响
引入 Ti 或 N 空位缺陷后，Ti?N 的吸附能显著增加（相互作用减弱）。缺陷的存在改变了材料表面的电子结构和电荷分布，削弱了与碱基的结合强度。而氧官能化的 Ti?NO?体系中，表面氧基团通过引入特定的电子轨道和电荷转移机制，进一步调节吸附能，虽然其吸附强度弱于原始 Ti?N，但在缩短传感器恢复时间方面表现最佳，更适合作为 DNA 碱基传感的候选材料。
电子结构与电荷分析
通过态密度（DOS）、能带结构分析发现，原始 Ti?N 与碱基吸附后，电子结构发生明显改变，体现出强相互作用的特征；缺陷体系和 Ti?NO?的电子结构变化相对较小，与吸附能结果一致。巴德电荷分析和电荷密度差计算表明，原始 Ti?N 与碱基间存在显著的电荷转移，而缺陷和氧官能化减少了这种电荷转移，进一步解释了吸附强度的差异。功函数的计算结果也印证了不同体系表面电子状态的变化，与吸附性能密切相关。
研究结论与意义：该研究系统揭示了 Ti?N 基材料对 DNA 碱基分子的吸附机制，发现原始 Ti?N 具有强吸附能力，适用于 DNA 捕获，而缺陷 Ti?N 和 Ti?NO?因吸附能适中且 Ti?NO?恢复时间短，更适合作为传感材料。研究结果为设计高效的 2D 生物传感器提供了理论依据，特别是为 Ti?N MXene 在生物医学检测中的应用开辟了新方向，有助于推动基于 2D 材料的 DNA 碱基传感技术向实际应用迈进，为疾病诊断和基因分析等领域提供更便捷、高效的工具。
