含硫氨基酸与本征及缺陷石墨烯表面的相互作用

2020-05-15孙玉希王雪倩

原子与分子物理学报 2020年3期

王群, 孙玉希, 曹宇, 王雪倩

(1.绵阳师范学院生命科学与技术学院, 绵阳 621006; 2.绵阳师范学院光致功能材料重点实验室, 绵阳 621006；3.山东省曲阜师范大学生命有机分析重点实验室, 山东曲阜 273165； 4.北京市食品风味化学重点实验室, 北京 100048)

1 前言

半胱氨酸是人体非必需的氨基酸之一, 含有α-巯基, 研究表明低分子的硫醇在蛋白质和酶的生物活性中发挥着巨大的作用[1], 小孩体内缺乏半胱氨酸会导致生长缓慢, 肝脏受损, 体弱多病[2], 而且心血管疾病也被认为与半胱氨酸水平升高有关[3].蛋氨酸是人体必需氨基酸之一, 是半胱氨酸, 牛磺酸和谷胱甘肽等多种氨基酸的前体.蛋氨酸是DNA, RNA和其它分子形成中甲基的主要来源[4].此外, 蛋氨酸是饮食中硫的来源, 可以防止头发和皮肤的紊乱, 还可以通过增加肝脏中卵磷脂的产生来帮助降低胆固醇水平[5].人体内缺乏蛋氨酸可以显示出许多重要的疾病, 如肌肉麻痹, 脱发, 抑郁, 生长受损, 帕金森氏病和艾滋病毒感染等[6].考虑到半胱氨酸和蛋氨酸的重要意义, 因此, 快速而有选择性的检测生物样品中特定含硫的生物分子可以提供解开复杂化学机制中可能潜在的生物过程, 对加强诊断并发症的早期发生是非常重要的.最近几十年, 大量的研究报道二维纳米材料, 比如: 石墨烯纳米带, 氧化石墨烯及碳纳米管等可以用来有效检测含硫的生物分子.Wu等人[2]研究了石墨烯纳米带对血清中的半胱氨酸的电化学检测, 结果表明石墨烯纳米带由于其优越的导电性及大量的活性基团从而表现出对半胱氨酸的高灵敏选择性.Zor等人[7]研究了氧化石墨烯/a-环糊精对蛋氨酸的检测, 研究表明这种石墨烯基的传感器是一种非常有前途的生物传感器, 能够有效地检测蛋氨酸分子.

石墨烯具有sp2键结合的单层碳原子构成的二维蜂窝状结构[8].石墨烯杰出的特性使其在广泛的应用领域中, 比如传感器,复合电极和晶体管等, 吸引了越来越多研究者们的兴趣[ 9, 10].然而, 石墨烯吸收气体主要是通过物理吸附, 相互作用很弱, 因此, 科学家们在石墨烯中引入各种缺陷来改善石墨烯的特性.这是因为石墨烯中引入晶格缺陷会导致接近狄拉克点的电子态局域化, 从而可以有效改善化学反应活性[11, 12].

鉴于检测含硫氨基酸的重要作用, 目前已有本征石墨烯, 金属掺杂石墨烯作为气体传感器, 有效检测含硫的氨基酸[8, 13], 但据我们所知, 半胱氨酸和蛋氨酸吸附在缺陷石墨烯表面的特性目前尚未被详细研究.在这项工作中, 采用密度泛函理论方法探讨了本征及缺陷石墨烯对两种含硫氨基酸的吸附能力.通过吸附能, 态密度, 差分电荷密度详细地分析了它们之间的吸附机制.希冀这一结论能够对石墨烯传感器在含硫氨基酸的检测方面提供有价值的理论参考.

2 模拟细节

2.1 模型的建立

半胱氨酸和蛋氨酸的模型: 半胱氨酸(Cysteine, Cys), 分子式为HSCH2CH(NH2)COOH, 功能基团有一个-NH2, 一个-COOH及一个-SH; 蛋氨酸(Methionine, Met), 分子式为CH3SCH2CH2CH(NH2)COOH, 含有一个-NH2, 一个-COOH及一个-SCH3功能团, 如图1所示.

本征石墨烯及缺陷石墨烯模型: 本征石墨烯模型是通过石墨切面获得, 本研究中构建了一个石墨烯晶胞.赋予石墨烯周期性, 于其上方加上厚度为30 Å的真空层[14], 如图2a所示.缺陷石墨烯是用本征石墨烯去掉中心的一个碳原子获得, 称之为点缺陷石墨烯, 如图2b所示.

图1 (a) 半胱氨酸和(b)蛋氨酸的三维结构.碳原子: 灰色; 硫原子: 黄色; 氢原子: 白色; 氮原子: 蓝色.Fig.1 Three-dimensional structures of (a)cysteine (Cys) and (b) methionine (Met).Carbon: gray; sulfur: yellow; Hydrogen: white; Nitrogen: blue.

图2 (a) 本征石墨烯和 (b) 点缺陷石墨烯的三维结构.Fig.2 Three-dimensional structures of (a) pristine graphene (G) and (b) point defective G.

半胱氨酸和蛋氨酸在本征, 点缺陷石墨烯上的吸附体系:

半胱氨酸-石墨烯体系: 半胱氨酸平躺在本征及缺陷石墨烯表面, 垂直放置于本征及缺陷石墨烯表面, 结构优化之后如图3所示.

蛋氨酸-石墨烯体系: 蛋氨酸平躺在本征及缺陷石墨烯表面, 垂直放置于本征及缺陷石墨烯表面, 结构优化之后如图4所示.

2.2 模型参数

本论文使用Materials Studio 7.0(Accelrys, San Diego, CA)中基于第一性原理DFT的Dmol3软件进行计算研究.该模块中用数值基组表示物理波函数, 不仅可以带来比较精准的结果, 且计算成本相对较少.采用等同于Gaussian中6-31G**基组的DNP双重数值基组[15, 16].用DFT半核赝势处理内层电子.用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)广义梯度近似(GGA)计算交换关联能[17].依照Monkhorst-Pack方案, 布里渊区域内的K点网格设置为3×3×1[18], 全局轨道截断(global orbital cutoff)设置为5.2 Å, 费米拖尾效应(Fermi smearing)设置为0.005 Ha(1Ha = 27.2114 eV).体系的几何构型优化和能量计算收敛条件设置为:(a)自洽循环数量级≤1.0×10-6Ha/atom;(b)能量值数量级≤1.0×10-5Ha /atom;(c)最大位移≤0.005 Å;(d)最大应力≤0.002 Ha /Å.

表1展示了Dmol3计算的蛋氨酸的键长和键角与文献值的比较, 从而来测试本研究中交换关联能及基组的准确性, 结果表明与以前的文献基本一致[19], 因此我们认为采用Dmol3模块中以上参数对本章中的吸附体系进行计算是可行的.

图3 结构优化后: (a) 半胱氨酸平躺在本征石墨烯表面; (b) 半胱氨酸平躺在缺陷石墨烯表面; (c) 半胱氨酸垂直放置于本征石墨烯表面; (d) 半胱氨酸垂直放置于缺陷石墨烯表面.相互作用距离单位为Å.Fig.3 After structural optimization: (a)Cys lies on the pristine G surface in parallel; (b) Cys lies on the defective G surface in parallel; (c) Cys is placed vertically on the pristine G surface; (d) Cys is placed vertically on the defective G surface.The unit of interaction distance is Å.

图4 结构优化后: (a) 蛋氨酸平躺在本征石墨烯表面; (b) 蛋氨酸平躺在缺陷石墨烯表面; (c) 蛋氨酸垂直放置于本征石墨烯表面; (d) 蛋氨酸垂直放置于缺陷石墨烯表面.相互作用距离单位为Å.Fig.4 After structural optimization: (a) Met lies on the pristine G surface in parallel; (b) Met lies on the defective G surface in parallel; (c) Met is placed vertically on the pristine G surface; (d) Met is placed vertically on the defective G surface.The unit of interaction distance is Å.

2.3 吸附能

各种吸附体系都在找寻最稳定的结构, 即寻找最低的吸附能, 吸附能定义为：

Eads=Etotal-Eamino acids-Esurface

(1)

这里Etotal代表氨基酸和石墨烯表面结合的总体系吸附能,Eamino acids代表氨基酸的吸附能和Esurface代表石墨烯表面的吸附能.本论文中吸附能的值如表2所示, 吸附能越负, 则表示吸附体系越稳定[20].

3 结果与讨论

3.1 吸附能分析

各种体系的吸附能值如表2所示, 吸附能值越负, 表示这些吸附体系热力学上越稳定.当半胱氨酸吸附于本征石墨烯和缺陷石墨烯表面时, 吸附能分别是-1.80, -1.87, -1.62和-1.70 eV,吸附能均为负值, 且当半胱氨酸平躺于点缺陷石墨烯上时, 有最大的吸附能值为-1.87 eV, 表明它们之间有最强的相互作用.吸附能结果表明半胱氨酸吸附在缺陷石墨烯上相比于半胱氨酸吸附于本征石墨烯表面有更强的相互作用.同时, 我们发现当蛋氨酸吸附在本征石墨烯和缺陷石墨烯表面时, 吸附能分别是-1.90, -2.20, -1.56和-1.65 eV, 通过吸附能也能发现蛋氨酸均能较好地吸附于两种石墨烯表面, 其中也是平躺于缺陷石墨烯表面有最大的吸附作用.这是因为缺陷石墨烯上悬挂的C键比较活跃, 能够与吸附的分子发生相互作用, 从而增强了缺陷石墨烯和分子的吸附, 这一结论也是和Guo等人[14]的结论一致, 他们发现精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽(RGD)与缺陷石墨烯中伸出表面的C原子发生较大的相互作用, 因此RGD能够更稳定地吸附在缺陷石墨烯表面而不是本征石墨烯表面.

表1 蛋氨酸分子的键长和键角与文献值的比较(键长单位为Å, 键角单位为度)

Table 1 Comparison of the bond lengths and bond angles of the Met molecule between the literature and this work (bond lengths in Å and angles in degrees).

SymbolsLiterature[19]this workSymbolsLiteraturethis workO1-C11.2541.280O1-C1-O2125.7122.5O2-C11.2301.213O1-C1-C2116.7118.2C1-C21.5471.541C1-C2-N1109.3110.4C2-C31.5251.534C1-C2-C3112.3115.3C3-C41.5111.528N1-C2-C3110.8110.5C4-S11.8321.832C2-C3-C4111.1112.3S1-C51.8051.813C3-C4-S1107.3109.1C2-N11.4851.472C4-S1-C599.899.4

表2 半胱氨酸与蛋氨酸吸附在本征, 缺陷石墨烯表面的吸附能

同时, 吸附能结果表明当半胱氨酸和蛋氨酸垂直放置于本征石墨烯和缺陷石墨烯表面时, 吸附能较平行放置于石墨烯表面的结果小, 那是因为此时半胱氨酸中-SH和蛋氨酸中-SCH3基团靠近石墨烯表面时, S原子的孤对电子和石墨烯的π电子之间有一定的排斥作用, 虽然它们之间也存在着-SH…π，-SH…C(图3c和3d)及-SCH3…π，-SCH3…C相互作用(图4c和4d), 因此最后两种氨基酸能垂直地吸附于石墨烯表面是这两种作用共同影响的结果.这些结果与Qin等人[21]的结论也能够吻合, 他们表明当C2H5SH在本征, 缺陷的石墨烯表面吸附时, C2H5SH的-SH与石墨烯之间有较大的排斥作用, 因此导致了它们之间有较弱的相互作用.

半胱氨酸和蛋氨酸与缺陷石墨烯表面具有最强的相互作用, 也可以通过它们之间最短的相互作用距离和较多的相互作用位点来解释, 如图3及4所示.当半胱氨酸平躺在本征石墨烯表面时, -COOH, -SH与石墨烯之间形成了-COOH…π和-SH…π相互作用, 且相互作用距离分别为2.884及3.654 Å(图3a); 平躺在缺陷石墨烯上时, -COOH与石墨烯之间形成了-COOH…π相互作用, 且悬挂的C和-SH之间也形成了相互作用, 作用距离分别为2.848及3.344 Å(图3b); 当垂直放置于本征石墨烯和缺陷石墨烯表面上时, 仅只有半胱氨酸的-SH与石墨烯之间形成相互作用, 作用距离分别为3.695及3.467 Å(图3c和3d).因此从相互作用距离的长短及相互作用位点的多少也可以得出半胱氨酸平躺于缺陷石墨烯表面时有最大的相互作用.同时, 研究发现当蛋氨酸平躺在缺陷石墨烯表面时(图4b), 形成了-COOH…π, -SCH3…π以及-CH与悬挂C之间的相互作用, 作用距离分别为2.668, 3.449及3.291 Å, 且相比于其它几种模型, 有最多的作用位点及最短的作用距离, 因此, 蛋氨酸与缺陷石墨烯表面也有最强的相互作用.这几种相互作用在文献中也是可以发现的.例如Wang等人[11, 22]表明丝氨酸和石墨烯之间就存在非共价的-COOH…π相互作用, 苄硫醇中-SH与石墨烯之间形成了-SH…π相互作用.Kar等人[23]发现苯和萘与芳香族氨基酸之间也存在着-CH…π相互作用.而且, 蛋氨酸与缺陷石墨烯作用较半胱氨酸与缺陷石墨烯作用强, 这也是和它们之间具有较多的作用位点和较小的作用距离息息相关的(图3b和图4b).

小结: 半胱氨酸和蛋氨酸平躺于本征及缺陷石墨烯表面较垂直放置于两种石墨烯表面有较强的相互作用, 其中两种氨基酸平躺于缺陷石墨烯表面有最强的相互作用; 并且蛋氨酸平躺于缺陷石墨烯表面相比于半胱氨酸平躺于缺陷石墨烯表面有更强的相互作用.

3.2 态密度分析

态密度(Density of states, DOS)表示某个能量状态下电子态的数目.如果相邻原子的局域态密度(PDOS)在同一个能量上同时出现了尖峰, 则被称之为杂化峰(hybridized peak), 可以较直观地展示相邻原子之间的相互作用强弱[24].在接下来的分析中, 主要用半胱氨酸和蛋氨酸平躺于本征石墨烯和缺陷石墨烯表面的两个模型的态密度进一步分析两种氨基酸和两种石墨烯之间相互作用情况.从图5和表3分析可以得到, 半胱氨酸与本征石墨烯在-3.884, -12.210, -17.188 eV位置有峰重叠, 半胱氨酸与缺陷石墨烯在-3.886, -8.660, -12.183, -14.138, -17.088 eV位置有峰重叠.蛋氨酸与本征石墨烯在-1.788, -3.743, -8.008, -8.753, -10.973, -14.076 eV位置有峰重叠, 蛋氨酸与缺陷石墨烯在-0.821, -1.842, -3.821, -6.032, -10.919, -14.032, -15.545 eV位置有峰重叠, 这些峰重叠表明半胱氨酸和蛋氨酸与本征和缺陷石墨烯基底之间在这些能量所处的轨道上有可能两两相互作用.其中, 当蛋氨酸平躺于缺陷石墨烯表面上时有最多的杂化峰重叠, 因此相比于其它几种模型, 此种模型应该具有最大的相互作用可能性, 这也是与吸附能的结果相一致的.

图5 态密度图.(a) Cys-parallel-G体系, Cys和G; (b) Cys-parallel-defective-G体系, Cys和defective G; (c) Met-parallel-G体系, Met和G；(d) Met-parallel-defective-G体系, Met和defective G.Fig.5 DOSs of (a) Cys-parallel-G system, Cys and G; (b) Cys-parallel-defective-G system, Cys and defective G, (c) Met-parallel-G system, Met and G； (d) Met-parallel-defective-G system, Met and defective G.

表3 (a) Cys-parallel-G, (b) Cys-parallel-defective-G, (c) Met-parallel-G； (d) Met-parallel-defective-G体系中杂化峰值

Table 3 Hybridized peak values of the (a)Cys-parallel-G, (b) Cys-parallel-defective-G, (c) Met-parallel-G; (d) Met-parallel-defective-G systems.

ModelsEnergy(eV)Cys-parallel-G-3.884-12.210-17.188Cys-parallel-defective-G-3.886-8.660-12.183-14.138-17.088Met-parallel-G-1.788-3.743-8.008-8.753-10.973-14.076Met-parallel-defective-G-0.821-1.842-3.821-6.032-10.919-14.032-15.545

3.4 差分电荷密度分析

电荷密度的结果进一步展示了氨基酸和石墨烯之间的相互作用, 图6和7表明了半胱氨酸及蛋氨酸与本征及缺陷石墨烯表面差分电荷密度的结果.差分电荷密度表明了电荷密度在吸附过程中的变化, 是由整个吸附体系的总电荷密度(ρtotal)减掉氨基酸(ρamino acids)和石墨烯表面(ρsurface)的电荷密度之和, 公式如下：

ρads=ρtotal-(ρamino acids+ρsurface)

(2)

蓝色区域代表电荷减少的区域, 红色区域代表电荷聚集的区域.半胱氨酸吸附于本征及缺陷石墨烯表面的差分电荷密度如图6所示.在图6a, 6b及6c中, 研究发现电荷主要聚集在-COOH周围的石墨烯表面, 蓝色聚集在-SH周围石墨烯表面, 上述现象与文献中结论是一致的[11,22], 因此半胱氨酸和石墨烯表面发生了电荷转移, 它们之间形成了相互作用.同时研究发现蛋氨酸平躺在本征及缺陷石墨烯表面上时, 也是-COOH周围的石墨烯表面发生了电荷聚集, 在-SCH3周围石墨烯表面发生了蓝色聚集, 当蛋氨酸垂直放置于石墨烯表面时, 与前两种模型相比电子云几乎未重叠, 表明蛋氨酸垂直放置于两种石墨烯表面时相互作用较小.

图6 差分电荷密度图(等值面电荷密度为0.05 e/Å3): (a) Cys-parallel-G, (b) Cys-parallel-defective-G, (c) Cys-vertical-G；(d) Cys-vertical-defective-G.Fig.6 Differential charge density maps with theisosurface of 0.05 e/Å3: (a) Cys-parallel-G; (b) Cys-parallel-defective-G; (c) Cys-vertical-G; (d) Cys-vertical-defective-G.

图7 差分电荷密度等值面图(等值面电荷密度为0.05 e/Å3): (a) Met-parallel-G; (b) Met-parallel-defective-G; (c) Met-vertical-G; (d) Met-vertical-defective-G.Fig.7 Differential charge density maps with theisosurface of 0.05 e/Å3: (a) Met-parallel-G; (b) Met-parallel-defective-G; (c) Met-vertical-G; (d) Met-vertical-defective-G.