二维Ti2NO2对神经递质及氨基酸分子的吸附特性：DFT研究揭示生物传感新机制

山东大学团队通过密度泛函理论(DFT)研究，揭示了O端基二维Ti2NO2 MXene对谷氨酸(Glu)、γ-氨基丁酸(GABA)、甘氨酸(Gly)、酪氨酸(Tyr)和组胺(HA)等神经递质/氨基酸的吸附机制。研究发现平行吸附构型能量更优(组胺吸附能达-0.88 eV)，电荷转移显著，为开发高灵敏度生物传感器提供了理论依据，对神经退行性疾病诊断和脑科学研究具有重要意义。

　　

【研究背景】
在脑科学和神经退行性疾病研究领域，实时监测神经递质和氨基酸分子一直是重大挑战。谷氨酸(Glu)作为主要兴奋性神经递质，其异常代谢与阿尔茨海默病、帕金森病直接相关；γ-氨基丁酸(GABA)作为关键抑制性递质，则与癫痫、精神分裂症等疾病密切相关。传统检测方法存在灵敏度低、特异性差等问题，而MXene这类新型二维材料因其超大比表面积和可调控的表面化学性质，被视为突破生物传感技术瓶颈的理想材料。

山东大学团队选择Ti₂NO₂ MXene作为研究对象，其特殊的层状结构（N层夹嵌于Ti原子层间，表面O端基修饰）展现出优异的导电性和生物相容性。通过密度泛函理论计算，系统研究了5种具有代表性的神经递质/氨基酸分子（含脂肪族的Glu/Gly/GABA和芳香族的Tyr/HA）在Ti₂NO₂表面的吸附行为，相关成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》。

【研究方法】
研究采用维也纳从头算模拟软件包(VASP)进行DFT计算，使用投影缀加波(PAW)方法和PBE泛函，引入DFT-D3校正范德华力。平面波截断能设为520 eV，采用3×3×1超胞模型，布里渊区采样采用4×4×1 k点网格。通过电荷密度差(CDD)和巴德电荷分析揭示电子转移机制，结合吸附能计算和态密度(DOS)分析阐明相互作用本质。

【研究结果】

1. 结构特性
   优化后的Ti₂NO₂呈现六方晶系（a=b=8.970 ?），Ti-N键长2.140 ?。表面O端基形成活性位点，金属性电子结构有利于电荷转移。

2. 吸附构型偏好
   所有分子在平行吸附构型中表现出更强相互作用：

• 组胺(HA)因含三个N原子获得最大吸附能(-0.88 eV)
• 酪氨酸(Tyr)通过酚羟基形成氢键(-0.72 eV)
• 谷氨酸(Glu)的双羧基产生多重吸附位点(-0.68 eV)

1. 电子转移机制
   巴德电荷分析显示0.12-0.35 e的净电子转移，电荷密度差表明Ti₃d轨道与分子N/O原子的p轨道发生d-p杂化。

2. 构效关系

• 脂肪族分子主要通过胺基(-NH₂)和羧基(-COOH)吸附
• 芳香族分子依赖π电子体系与Ti原子相互作用
• 组胺的咪唑环产生特异性强吸附

【结论与意义】
该研究首次阐明Ti₂NO₂对神经递质/氨基酸的构型依赖性吸附机制，平行构型通过Ti-N/Ti-Cα弱d-p杂化实现高效吸附。组胺的特殊吸附行为提示可通过调控MXene表面终止基团（如增加N配位位点）增强选择性。研究成果为设计新一代神经递质生物传感器提供理论指导：
1）利用吸附能差异实现多组分检测
2）通过表面修饰增强芳香族分子识别
3）金属性基底适合电化学传感应用

这项由Mohammad Awais Malik、Zhao Qian等学者完成的工作，不仅填补了MXene在神经分子检测领域的理论空白，更为开发阿尔茨海默病等神经退行性疾病的早期诊断工具开辟了新途径。后续研究可结合实验验证，探索Ti₂NO₂在实际生物流体中的传感性能。