Silicene as a new ultrafast DNA sequencing device
硅烯是硅的一种六方弯曲的2-D同素异形体，显示出作为许多新应用的平台的潜力，并且可能比石墨烯更容易与现有的硅基微电子集成。在这里，我们表明，硅烯可以作为一个超快的电子DNA测序设备。我们研究了这种新的纳米生物系统的稳定性，它的电子性质和对横向电子输运的显著影响，即，我们通过非平衡格林函数方法研究了每个碱基吸附引起的透射率和电导率的变化。有趣的是，尽管核碱基和硅烯之间的相互作用相对弱相互作用，我们预测在零偏压下透射率的显着变化，特别是对于两个核碱基胞嘧啶和鸟嘌呤。我们的研究结果表明，硅烯可以作为一个集成电路生物传感器的一部分，在一个芯片上的实验室设备的DNA测序。
2014-04-10 cond-mat.mes-hall
Aviram-Ratner rectifying mechanism for DNA base pair sequencing through graphene nanogaps
我们证明，生物分子，如沃森-克里克DNA碱基对可以作为生物Aviram-Ratner整流器，因为空间分离和弱氢键之间的核碱基。我们已经进行了并行计算的从头算非平衡格林函数（NEGF）理论，以确定石墨烯-碱基对-石墨烯结的电响应。结果显示吸附在石墨烯纳米间隙上的胞嘧啶-鸟嘌呤碱基对的不对称（整流）电流-电压响应。与此形成鲜明对比的是，我们发现胸腺嘧啶-腺嘌呤的反应是对称的。我们建议将电流-电压响应的不对称性作为传感标准应用于通过石墨烯纳米间隙进行快速DNA测序的技术挑战。
2012-02-17 cond-mat.mes-hall
Correlation Dynamics and Enhanced Signals for Serial DNA Sequencing
基于纳米孔的测序已经证明了开发用于下一代分子检测和测序的快速、准确和具有成本效益的指纹技术的巨大潜力。我们提出了一种特定的多层石墨烯基纳米孔器件架构，用于识别单个DNA碱基。分子检测和分析可以通过检测分子或DNA碱基易位通过纳米孔时的横向电流来完成。为了提高整体的信噪比和准确度，我们实现了一种新的“多点互相关”技术，用于在分子水平上识别DNA碱基或其他分子。我们证明了每个纳米孔之间的互相关将大大增强每个分子的横向电流信号。我们实施第一性原理运输计算的DNA碱基调查在多层石墨烯纳米孔系统，以说明所提出的几何形状的优点。互相关联函数的时间序列分析说明了这种方法用于提高信噪比的潜力。这项工作是利用固态技术促进单一生物分子指纹识别的重要一步。
2013-09-23 cond-mat.mes-hall
A MoS2-based capacitive displacement sensor for DNA sequencing
我们提出了一种水性功能化的二硫化钼纳米粒子悬浮在固体电极上作为第一个电容位移传感器，旨在确定DNA序列。可检测的测序事件产生于沃森-克里克碱基配对的组合，沃森-克里克碱基配对是自然界最基本的锁和钥匙结合机制之一，具有适当尺寸的原子级薄膜响应于亚纳牛顿力而显著弯曲的能力。我们采用精心设计的数值模拟和理论估计，以每秒约7000万个碱基的速度证明了出色的（79%至86%）原始目标检测精度和检测事件的电气可测量性。此外，我们证明了重复的DNA基序的可靠检测。最后，我们认为，纳米级开口（纳米孔）的使用是不必要的操作所提出的传感器，并提出了一个简化的传感器几何形状没有纳米孔作为传感元件的一部分。因此，我们的研究结果可能表明一个现实的，固有的碱基特异性，高通量的电子DNA测序设备作为一个具有成本效益的从头替代现有的方法。
2016-09-13 cond-mat.mes-hall
Recent progress in atomistic simulation of electrical current DNA sequencing
本文综述了近年来基于横向电流测量的DNA测序的研究进展。在文献中提出的设备配置进行分类，根据是否出现的分子指纹作为主要（模式I）或扰动（模式II）的电流信号。扫描隧道显微镜和隧道电极间隙配置属于前一类，而具有或不具有嵌入式纳米孔的纳米通道属于后者。模式I和模式II的分子传感机制分别大致对应于电子隧穿和电化学门控。特别强调计算机模拟研究，这在该领域的启动和发展中发挥了关键作用。我们还强调了低维纳米材料，如碳纳米管，石墨烯和石墨烯纳米带，允许新的模式II的方法。最后，在以前的计算研究中的几个问题进行了讨论，这指出了未来的研究方向更可靠的模拟电流DNA测序设备。
2014-11-13 cond-mat.mes-hall
Nucleobase-functionalized graphene nanoribbons for accurate high-speed DNA sequencing
我们提出了一种水浸核碱基功能化的悬浮石墨烯纳米粒子作为一种固有的选择性的核苷酸检测装置。所提出的传感方法将沃森-克里克选择性碱基配对与石墨烯将各向异性晶格应变转换为纳米级电流变化的能力相结合。使用详细的原子分子动力学模拟，我们研究了传感器在环境条件下的操作。我们将模拟数据与理论参数相结合，以估计应变引起的可测量电信号变化水平，并确定所提出的传感机制显示出现实的DNA传感设备的重大承诺，而不需要先进的数据处理或高度限制性的操作条件。
2015-12-24 cond-mat.mes-hall
Functionalized Carbon Nanotube Electrodes for Controlled DNA Sequencing
在过去的十年中，固态纳米孔纳米间隙在DNA核苷酸的快速检测方面引起了人们的极大兴趣。然而，通过DNA核碱基的受控移位来减少噪声是开发基于纳米间隙纳米孔的DNA测序以实现单个核碱基分辨率的中心问题。此外，石墨烯孔隙间隙的高反应性表现出孔隙间隙的堵塞，导致孔隙间隙的堵塞，产生粘附和不可逆的孔隙闭合。为了解决碳纳米结构的功能化的前景和实现这一目标，在本文中，我们已经研究了功能化的封闭端帽碳纳米管CNT纳米间隙嵌入电极的性能，其可以改善通过非键合电子的耦合，并且可以提供N和O以及H π与核苷酸相互作用的可能性，因为单链DNA被迁移通过。我们研究了用嘌呤腺嘌呤、鸟嘌呤和嘧啶胸腺嘧啶、胞嘧啶分子功能化封闭端帽CNT 6，6电极的效果。探针分子和靶DNA核碱基之间形成的弱氢键增强了电子耦合，并暂时稳定了易位核碱基对取向波动，这可以减少实验测量期间电流信号中的噪声。我们的密度泛函理论和基于非平衡格林函数的研究的发现表明，这种建模的设置可以允许DNA核苷酸测序具有更好和可靠的产率，给出对于所有四种靶核苷酸的电流幅度相差至少1个数量级的电流迹线。因此，我们认为功能化CNT纳米间隙嵌入电极可用于受控DNA测序。
2020-03-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Physisorption of DNA bases on finite-size nanoribbons from graphene, phosphorene, and silicene: Insights from density functional theory
通过使用简单且具有成本效益的方法直接读取DNA碱基来检测和区分DNA碱基的能力是一个重要的问题，其解决方案可以为癌症和人类遗传疾病等领域产生重大价值。二维（2D）材料已经成为用于电子DNA测序的革命性材料，具有快速、单核苷酸直接读取DNA测序的强大潜力，消耗量最少。在2D材料中，石墨烯是DNA测序中探索最多的材料。这是因为它的商业价值。石墨烯的主要障碍是其疏水性，这导致DNA碱基粘附在其表面，减慢易位速度，并使单碱基识别变得困难，因为多个碱基在任何给定时间与石墨烯相互作用。因此，必须研究石墨烯以外的其他元素2D材料。利用密度泛函理论研究了石墨烯、磷烯和硅烯纳米带表面物理吸附的DNA碱基之间的电子相互作用。通过比较能带隙、结合能和态密度（DOS）的变化，我们观察到磷烯在使用物理吸附模态进行DNA测序时比石墨烯和硅烯表现得更好。
2021-11-30 cond-mat.mes-hall
Synthetic Hachimoji DNA Sequencing with Graphene Nanodevice
基于结合密度泛函理论和非平衡格林函数量子输运研究，我们证明了置于氧封端的锯齿形石墨烯纳米电极之间的Hachimoji合成核酸的横向电导的量子干涉效应。我们推测QI效应可以很好地保留在核碱基分子和碳基纳米电极之间的π-π偶联中。我们的研究表明，QI效应，如反共振或Fano共振，影响横向电导的变化取决于核碱基的构象。此外，观察到高达2-5个数量级的变化，在旋转后的所有核碱基的电导。的电流-电压特性的结果表明，在整个拟议的纳米间隙设备的电子隧穿电流与所施加的偏置电压的所有五个碱基的明显变化。不同的旋转角度保持了碱基在横向电导和隧穿电流方面的独特特征。这两个特征都可以用于精确的合成DNA测序装置中。
2022-03-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Topological Line Defects around Graphene Nanopores for DNA Sequencing
石墨烯中的拓扑线缺陷代表了一种理想的方式来产生具有降低的维度的高度受控的结构，其可用于电子器件中。在这项工作中，我们提出使用石墨烯中的扩展线缺陷来提高基于纳米孔的DNA测序设备中的核碱基选择性。我们使用QM/MM和非平衡格林函数方法相结合的电导调制，充分考虑溶剂的影响。通过对分子动力学模拟产生的大量不同取向进行采样，我们从理论上证明了在基于石墨烯的电子器件中使用线缺陷区分四个核碱基似乎是可能的。电导的变化与费米能级附近的特定分子态的传输及其与孔的耦合有关。通过施加特定调谐的栅极电压，这样的装置将能够比没有拓扑线缺陷的石墨烯传感器更可靠地区分四种类型的核碱基。
2017-12-06 cond-mat.mes-hall
First-principles study of high conductance DNA sequencing with carbon nanotube electrodes
在单核苷酸水平上的快速和具有成本效益的DNA测序可以通过测量当单链DNA被拉过纳米尺寸的孔时的横向电子电流来实现。为了增强核苷酸和电极之间的电子耦合，从而增强电流信号，我们采用了一对单壁封闭端（6，6）碳纳米管（CNT）作为电极。然后，我们研究的电子输运性质的核苷酸夹在这样的电极之间，通过使用第一性原理量子输运理论。特别地，我们考虑电极之间的间隔是仍然允许DNA易位的最小可能的极端情况。在CNT的端帽处的类苯环可以与核碱基强烈地偶联，因此既减少构象波动又显著地提高电导。最佳的分子配置，在该核苷酸强烈耦合到碳纳米管，并产生最大的传输，首先确定。然后对这些最佳构型的电子结构和电子输运进行了分析。对于高达1 V的电压，典型的隧穿电流约为50 nA。在较高的偏压下，通过分子态的共振输运是可能的，电流约为几个$μ$ A。低于1V，与不同核苷酸相关的电流始终是可区分的，腺嘌呤具有最大的电流，鸟嘌呤第二大，胞嘧啶第三，最后胸腺嘧啶最小。我们进一步计算了传输系数的档案，作为核苷酸被拖沿DNA易位路径和调查的影响的构型变化。基于这些结果，我们提出了一个DNA测序协议结合三种可能的数据分析策略。
2011-09-07 cond-mat.mes-hall
Quantum DNA Sequencing using Gaussian Amplitude Amplification
本研究将DNA测序问题建模为最小成本哈密顿路径问题，通过顺序二部图转换并应用高斯振幅放大算法，在理想无错谱条件下将找到最优解的概率从随机选择的4.17%提升至约70.92%，验证了GAA用于基因组测序的可行性。
2023-10-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Transverse conductance of DNA nucleotides in a graphene nanogap from first principles
最近已经实现了在原子级薄的石墨烯中制造纳米孔，并且已经证明了DNA的移位。结合早期提出的将石墨烯纳米间隙用于DNA测序的目的，这种方法可以解决在电子核碱基检测中实现单碱基分辨率的技术问题。我们已经从理论上评估了石墨烯纳米间隙设置的全基因组测序的目的的性能，通过采用密度泛函理论和非平衡格林函数的方法来调查的横向电导性能的间隙内的核苷酸。特别是，我们确定了在有限的偏压下，由于核苷酸的方向和横向位置的变化的电隧穿电流的变化。虽然由此产生的隧道电流被发现波动超过几个数量级，四个DNA碱基之间的区别似乎是可能的，从而排名的方法有希望的快速全基因组测序应用。
2011-01-14 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.ins-det
First-principles vs. semi-empirical modeling of global and local electronic transport properties of graphene nanopore-based sensors for DNA sequencing
使用第一性原理量子输运模拟，基于非平衡格林函数形式主义结合密度泛函理论（NEGF+DFT），我们研究了总的和局部的电子电流的变化与锯齿形边缘（ZGNR）托管纳米孔的平面内的DNA核碱基插入到孔诱导。我们发现，在将核碱基置于小直径\mbox{$D=1.2$ nm}的纳米孔内的最可能位置（根据分子动力学轨迹）后，两端ZGNR +纳米孔器件的零偏压电导发生了相当大的变化。虽然这种效应随着纳米孔尺寸增加到\mbox{$D=1.7$ nm}而降低，但是ZGNR +纳米孔和ZGNR +纳米孔+核碱基系统中的电流之间的对比度可以通过施加小的偏压$V_b \lesssim 0.1$ V来增强。这在微观上解释为由于DNA核碱基诱导的ZGNR边缘周围的局部电流密度的空间分布的改变。我们使用NEGF结合自洽电荷密度泛函紧束缚（NEGF+SCC-DFTB）或自洽扩展Hückel（NEGF+SC-EH）半经验方法重复相同的分析。我们发现从NEGF+DFT获得的结果与从NEGF+SCC-DFTB或NEGF+SC-EH方法获得的结果之间的巨大差异在选择用于快速DNA测序的最佳纳米电子传感器的{ \em in silico}设计的适当计算算法时可能非常重要。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
First principles investigation of nanopore sequencing using variable voltage bias on graphene-based nanoribbons
在这项研究中，我们研究了基于纳米孔的DNA测序的机制，使用跨石墨烯纳米管的电压偏置。利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，我们确定了腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶和尿嘧啶的透射光谱和电流分布作为偏置电压的函数，在能量最小化配置。利用传输电流，我们提供了一种用于开发基于三纳米孔石墨烯的装置的通用方法，该装置可用于区分用于DNA/RNA测序的各种核碱基。从我们的分析中，我们推断可以使用跨多纳米孔装置的不同横向电流来使用0.5、1.3和1.6 V的各种电压区分核碱基。总体而言，我们的目标是改进纳米孔设计以进一步DNA/RNA核碱基测序和生物分子鉴定技术。
2018-09-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
DNA Base Detection Using Two-Dimensional Materials Beyond Graphene
石墨烯在纳米孔DNA测序中的成功表明，除了石墨烯之外，还可以探索其他潜在的单原子和少原子厚的2D材料层，并且这些材料可以表现出优于石墨烯的DNA碱基检测的迷人和技术上有用的特性。在这篇文章中，我们回顾了使用石墨烯以外的2D材料进行DNA碱基检测的最新技术。首先，我们提出了一个概述的纳米孔为基础的DNA测序方法，使用生物和固态纳米孔，并讨论了几个挑战，限制其用于单碱基分辨率。然后，我们概述了使用石墨烯的进展，挑战和机遇。此外，我们还讨论了石墨烯以外的几种潜在的2D材料，如六方氮化硼，石墨烯以外的元素2D材料和2D过渡金属二硫属化物。最后，我们强调了使用范德华材料先进的DNA碱基检测技术的潜力。
2022-01-18 cond-mat.mes-hall
ssDNA sequencing by rectification
快速、可靠和廉价的DNA测序是医疗保健领域的重要追求，特别是在可能产生深远社会影响的个性化医疗领域。尽管各种基于纳米孔的测序配置取得了重大进展，但分辨率（由于热波动或对分子取向的敏感性）和速度方面仍然存在挑战，需要新的方法。在这里，我们提出了一个测序协议的DNA易位通过一个纳米孔与侧嵌入的N-终止的碳纳米管电极。采用DFT和非平衡格林函数形式主义，我们表明，整流比（响应方脉冲的交替偏置）具有高的核碱基特异性。整流出现由于偏置依赖的电阻不对称的脱氧核糖核苷酸电极接口。不对称性诱导分子充电和HOMO钉扎到电极之一的电化学电势，由终止的电极末端处的偶极子引起的间隙内电场效应辅助。该测序方案是灵敏的，具有数量级的选择性，具有高分辨率，并且对分子取向是稳健的。
2018-10-10 cond-mat.mes-hall
DNA Translocation through Graphene Nanopores
纳米孔-可以传输离子和分子的纳米尺寸的孔-是用于基因组筛选，特别是DNA测序的非常有前途的装置。然而，固态孔和生物孔都有缺点，即构成孔的通道很长，即DNA分子中两个碱基之间距离的10-100倍（对于单链DNA为0.5nm）。在这里，我们证明了有可能实现和使用石墨烯单层中制造的纳米孔用于单分子DNA易位。通过将石墨烯薄片放置在氮化硅膜中的微米尺寸孔上并使用电子束在石墨烯中钻出纳米尺寸孔来获得孔。当单个DNA分子通过孔移位时，在通过纳米孔的离子电流中观察到特征性的暂时电导变化，为未来的基因组筛选奠定了基础。
2010-05-26 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Graphene Quantum Dot as a Probe for DNA Nucleobase Detection: A First Principle Study
本论文采用密度泛函理论研究了石墨烯量子点吸附DNA核碱基的结构稳定性、电子、光学和振动性质。基于最新的电子结构计算，我们预测了GQD对DNA碱基的灵敏度顺序为胸腺嘧啶>胞嘧啶>鸟嘌呤>腺嘌呤。GQD与DNA核碱基的相互作用导致电子能隙的调制。我们计算的UV/vis和IR振动光谱显示了独特的光谱带，可以用于下一代DNA测序诊断中的指纹。
2019-10-13 cond-mat.mes-hall
Identification of DNA Bases Using Nanopores Created in Finite-Size Nanoribbons from Graphene, Phosphorene, and Silicene
石墨烯用于纳米孔DNA测序的成功表明，有可能探索石墨烯之外的其他潜在的单原子和少原子厚的元素2D材料层（例如，磷烯和硅烯）。利用密度泛函理论，我们研究了DNA碱基与由石墨烯、磷烯和硅烯形成的有限尺寸纳米带中的纳米孔的相互作用。我们观察到，与石墨烯相比，使用来自磷烯和硅烯的纳米孔的DNA碱基的结合能通常较小。与石墨烯相比，磷烯和硅烯的带隙由于与DNA碱基的相互作用而显著改变。我们的研究结果表明，磷烯和硅烯是有前途的替代石墨烯的DNA碱基检测使用先进的检测原理，如横向隧道电流测量。
2021-12-14 cond-mat.mes-hall
Detection of basepair mismatches in DNA using graphene based nanopore device
我们提出了一种独特的方法来检测DNA碱基对错配导致不同的表观遗传疾病的纳米孔测序的方法。基于基于石墨烯纳米孔的装置的紧密结合制剂，使用格林函数方法，我们测量当我们将双链DNA移位通过嵌入在锯齿形石墨烯纳米颗粒中的纳米孔时装置的电子输运性质的变化。在目前的工作中，我们不仅成功地检测到通常的AT和GC对，但也没有任何歧义的互补碱基配对中的一组可能的错配。我们的研究表明，该装置也可以用于其他生物分子的可靠的连续检测。
2016-02-01 cond-mat.mes-hall
Silicene-based DNA Nucleobase Sensing
我们提出了一种基于硅烯纳米孔的DNA测序方案。使用第一性原理理论，我们计算这样的孔的存在和不存在的核碱基的电性能。在一个两端的几何形状，我们分析的电流-电压关系的存在下，具有各种取向的核碱基。我们证明，当核碱基通过一个孔，即使在许多方向采样后，带的电特性的变化可以用来区分基地。
2014-05-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
