用于检测单个氨基酸的石墨烯和MoS2纳米孔的介电响应

逐一看到生命的构件

蛋白质由仅二十种氨基酸构成，但它们的排列决定了从肌肉强度到免疫防御的一切。如果科学家能够可靠地逐个读取氨基酸，就能像现在测序DNA那样解读蛋白质，从而为快速疾病诊断和个性化医疗打开大门。本研究探讨了超薄材料如石墨烯和二硫化钼（MoS2）是否能够使用光而非电流，使这样的单个氨基酸检测成为可能。

超薄片上的微小孔洞

这项工作聚焦于纳米孔——在原子级薄的石墨烯或MoS2片上打出的纳米级孔。当单个氨基酸位于这样的孔内时，会微弱地改变周围材料中电荷和光的行为。传统纳米孔器件通过监测离子流被每个碱基阻挡的程度来检测DNA。但对于蛋白质，挑战更大：构件更多，氨基酸体积更小、电荷分布也不均匀。作者提出，如果我们关注材料与光的相互作用如何被氨基酸改变，而不是仅仅依赖电流，二维材料是否能更有效地感测个别氨基酸。

在纳米窗中模拟单个分子

因为在实验中直接探测每个细节很困难，研究人员使用量子力学模拟来研究直径约1.5纳米的石墨烯和MoS2纳米孔——刚好能容纳单个氨基酸。他们检查了五种代表性氨基酸，涵盖从像甘氨酸这样的微小分子到芳香族较大的苯丙氨酸和组氨酸等不同尺寸与化学性质。团队首先确定每种氨基酸在各自孔内的偏好取向，结果显示石墨烯倾向于更强且方向性更明显地抓取分子，而MoS2的相互作用更温和，允许更平滑的取向范围。

为何电信号不足以胜任

研究探讨的第一种传感模式是电学：当孔被占据时，横向（横向）流过石墨烯片的电流变化有多大。尽管石墨烯具有优良的导电性，模拟仅显示出非常小的电流差异——在空孔与被氨基酸占据的孔之间约为2%–6%。在实际实验条件下，如此微小的变化会被噪声和器件缺陷掩盖，使得仅凭电流几乎不可能区分不同氨基酸。对于导电性更差的MoS2，绝对电流将更小，从而削弱其作为电学读出通道的实用性。

光：更具信息量的信使

研究随后转向光学方法：不再跟踪电流，而是计算氨基酸存在如何改变材料的介电响应——也就是其在不同光子能量下对光的极化和吸收行为。在石墨烯纳米孔中，变化集中在几处明显的光学共振处，芳香族氨基酸引起的位移比简单氨基酸更明显。即便如此，石墨烯在特定能量处的最佳光学灵敏度也仅达到约40%–65%。MoS2纳米孔则表现出显著不同的行为。它们的光学响应更加丰富，分布在更宽的能量范围内，从远红外到约2电子伏特。当氨基酸存在时，模拟的光吸收在某些低光子能量处可变化高达70%–90%，即便是响应最弱的氨基酸也留下强烈且可区分的指纹信号。

迈向未来的蛋白质读取器

这些发现表明，原子级薄的纳米孔，尤其是MoS2，可能作为高度灵敏的单个氨基酸光学探针。未来的设备可以不依赖微小且嘈杂的电流，而是照射光线到纳米孔并观察随着每个氨基酸通过时其颜色和能量依赖的吸收谱如何移动。由于这些光学特征既宽广又具有识别性，它们可与先进的信号处理方法结合，从而高精度地读取蛋白质序列。简言之，这项工作表明，受光照并通过光学读出的二维纳米孔，可能为新一代蛋白质测序和生物传感技术提供强有力的基础。

引用: Li, L., Fyta, M. Dielectric response of graphene and MoS₂ nanopores in the detection of single amino acids. npj 2D Mater Appl 10, 47 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00694-1

关键词: 纳米孔传感, 石墨烯, MoS2, 单分子检测, 光学生物传感器