含硫氨基酸與本征及缺陷石墨烯表面的相互作用

王 群, 孫玉希, 曹 宇, 王雪倩

(1.綿陽(yáng)師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 綿陽(yáng) 621006; 2.綿陽(yáng)師范學(xué)院光致功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽(yáng) 621006；3.山東省曲阜師范大學(xué)生命有機(jī)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東曲阜 273165； 4.北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100048)

1 前 言

半胱氨酸是人體非必需的氨基酸之一, 含有α-巰基, 研究表明低分子的硫醇在蛋白質(zhì)和酶的生物活性中發(fā)揮著巨大的作用[1], 小孩體內(nèi)缺乏半胱氨酸會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)緩慢, 肝臟受損, 體弱多病[2], 而且心血管疾病也被認(rèn)為與半胱氨酸水平升高有關(guān)[3].蛋氨酸是人體必需氨基酸之一, 是半胱氨酸, 牛磺酸和谷胱甘肽等多種氨基酸的前體.蛋氨酸是DNA, RNA和其它分子形成中甲基的主要來(lái)源[4].此外, 蛋氨酸是飲食中硫的來(lái)源, 可以防止頭發(fā)和皮膚的紊亂, 還可以通過(guò)增加肝臟中卵磷脂的產(chǎn)生來(lái)幫助降低膽固醇水平[5].人體內(nèi)缺乏蛋氨酸可以顯示出許多重要的疾病, 如肌肉麻痹, 脫發(fā), 抑郁, 生長(zhǎng)受損, 帕金森氏病和艾滋病毒感染等[6].考慮到半胱氨酸和蛋氨酸的重要意義, 因此, 快速而有選擇性的檢測(cè)生物樣品中特定含硫的生物分子可以提供解開(kāi)復(fù)雜化學(xué)機(jī)制中可能潛在的生物過(guò)程, 對(duì)加強(qiáng)診斷并發(fā)癥的早期發(fā)生是非常重要的.最近幾十年, 大量的研究報(bào)道二維納米材料, 比如: 石墨烯納米帶, 氧化石墨烯及碳納米管等可以用來(lái)有效檢測(cè)含硫的生物分子.Wu等人[2]研究了石墨烯納米帶對(duì)血清中的半胱氨酸的電化學(xué)檢測(cè), 結(jié)果表明石墨烯納米帶由于其優(yōu)越的導(dǎo)電性及大量的活性基團(tuán)從而表現(xiàn)出對(duì)半胱氨酸的高靈敏選擇性.Zor等人[7]研究了氧化石墨烯/a-環(huán)糊精對(duì)蛋氨酸的檢測(cè), 研究表明這種石墨烯基的傳感器是一種非常有前途的生物傳感器, 能夠有效地檢測(cè)蛋氨酸分子.

石墨烯具有sp2鍵結(jié)合的單層碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)[8].石墨烯杰出的特性使其在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中, 比如傳感器,復(fù)合電極和晶體管等, 吸引了越來(lái)越多研究者們的興趣[ 9, 10].然而, 石墨烯吸收氣體主要是通過(guò)物理吸附, 相互作用很弱, 因此, 科學(xué)家們?cè)谑┲幸敫鞣N缺陷來(lái)改善石墨烯的特性.這是因?yàn)槭┲幸刖Ц袢毕輹?huì)導(dǎo)致接近狄拉克點(diǎn)的電子態(tài)局域化, 從而可以有效改善化學(xué)反應(yīng)活性[11, 12].

鑒于檢測(cè)含硫氨基酸的重要作用, 目前已有本征石墨烯, 金屬摻雜石墨烯作為氣體傳感器, 有效檢測(cè)含硫的氨基酸[8, 13], 但據(jù)我們所知, 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詳細(xì)研究.在這項(xiàng)工作中, 采用密度泛函理論方法探討了本征及缺陷石墨烯對(duì)兩種含硫氨基酸的吸附能力.通過(guò)吸附能, 態(tài)密度, 差分電荷密度詳細(xì)地分析了它們之間的吸附機(jī)制.希冀這一結(jié)論能夠?qū)κ﹤鞲衅髟诤虬被岬臋z測(cè)方面提供有價(jià)值的理論參考.

2 模擬細(xì)節(jié)

2.1 模型的建立

半胱氨酸和蛋氨酸的模型: 半胱氨酸(Cysteine, Cys), 分子式為HSCH2CH(NH2)COOH, 功能基團(tuán)有一個(gè)-NH2, 一個(gè)-COOH及一個(gè)-SH; 蛋氨酸(Methionine, Met), 分子式為CH3SCH2CH2CH(NH2)COOH, 含有一個(gè)-NH2, 一個(gè)-COOH及一個(gè)-SCH3功能團(tuán), 如圖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過(guò)石墨切面獲得, 本研究中構(gòu)建了一個(gè)石墨烯晶胞.賦予石墨烯周期性, 于其上方加上厚度為30 ?的真空層[14], 如圖2a所示.缺陷石墨烯是用本征石墨烯去掉中心的一個(gè)碳原子獲得, 稱之為點(diǎn)缺陷石墨烯, 如圖2b所示.

圖1 (a) 半胱氨酸和(b)蛋氨酸的三維結(jié)構(gòu).碳原子: 灰色; 硫原子: 黃色; 氫原子: 白色; 氮原子: 藍(lán)色.Fig.1 Three-dimensional structures of (a)cysteine (Cys) and (b) methionine (Met).Carbon: gray; sulfur: yellow; Hydrogen: white; Nitrogen: blue.

圖2 (a) 本征石墨烯和 (b) 點(diǎn)缺陷石墨烯的三維結(jié)構(gòu).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, 點(diǎn)缺陷石墨烯上的吸附體系:

半胱氨酸-石墨烯體系: 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, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后如圖3所示.

蛋氨酸-石墨烯體系: 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, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后如圖4所示.

2.2 模型參數(shù)

本論文使用Materials Studio 7.0(Accelrys, San Diego, CA)中基于第一性原理DFT的Dmol3軟件進(jìn)行計(jì)算研究.該模塊中用數(shù)值基組表示物理波函數(shù), 不僅可以帶來(lái)比較精準(zhǔn)的結(jié)果, 且計(jì)算成本相對(duì)較少.采用等同于Gaussian中6-31G**基組的DNP雙重?cái)?shù)值基組[15, 16].用DFT半核贗勢(shì)處理內(nèi)層電子.用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)廣義梯度近似(GGA)計(jì)算交換關(guān)聯(lián)能[17].依照Monkhorst-Pack方案, 布里淵區(qū)域內(nèi)的K點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為3×3×1[18], 全局軌道截?cái)?global orbital cutoff)設(shè)置為5.2 ?, 費(fèi)米拖尾效應(yīng)(Fermi smearing)設(shè)置為0.005 Ha(1Ha = 27.2114 eV).體系的幾何構(gòu)型優(yōu)化和能量計(jì)算收斂條件設(shè)置為:(a)自洽循環(huán)數(shù)量級(jí)≤1.0×10-6Ha/atom;(b)能量值數(shù)量級(jí)≤1.0×10-5Ha /atom;(c)最大位移≤0.005 ?;(d)最大應(yīng)力≤0.002 Ha /?.

表1展示了Dmol3計(jì)算的蛋氨酸的鍵長(zhǎng)和鍵角與文獻(xiàn)值的比較, 從而來(lái)測(cè)試本研究中交換關(guān)聯(lián)能及基組的準(zhǔn)確性, 結(jié)果表明與以前的文獻(xiàn)基本一致[19], 因此我們認(rèn)為采用Dmol3模塊中以上參數(shù)對(duì)本章中的吸附體系進(jìn)行計(jì)算是可行的.

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)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.相互作用距離單位為?.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 ?.

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)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.相互作用距離單位為?.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 ?.

2.3 吸附能

各種吸附體系都在找尋最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu), 即尋找最低的吸附能, 吸附能定義為：

Eads=Etotal-Eamino acids-Esurface

(1)

這里Etotal代表氨基酸和石墨烯表面結(jié)合的總體系吸附能,Eamino acids代表氨基酸的吸附能和Esurface代表石墨烯表面的吸附能.本論文中吸附能的值如表2所示, 吸附能越負(fù), 則表示吸附體系越穩(wěn)定[20].

3 結(jié)果與討論

3.1 吸附能分析

各種體系的吸附能值如表2所示, 吸附能值越負(fù), 表示這些吸附體系熱力學(xué)上越穩(wěn)定.當(dāng)半胱氨酸吸附于本征石墨烯和缺陷石墨烯表面時(shí), 吸附能分別是-1.80, -1.87, -1.62和-1.70 eV,吸附能均為負(fù)值, 且當(dāng)半胱氨酸平躺于點(diǎn)缺陷石墨烯上時(shí), 有最大的吸附能值為-1.87 eV, 表明它們之間有最強(qiáng)的相互作用.吸附能結(jié)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強(qiáng)的相互作用.同時(shí), 我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鞍彼嵛皆诒菊魇┖腿毕菔┍砻鏁r(shí), 吸附能分別是-1.90, -2.20, -1.56和-1.65 eV, 通過(guò)吸附能也能發(fā)現(xiàn)蛋氨酸均能較好地吸附于兩種石墨烯表面, 其中也是平躺于缺陷石墨烯表面有最大的吸附作用.這是因?yàn)槿毕菔┥蠎覓斓腃鍵比較活躍, 能夠與吸附的分子發(fā)生相互作用, 從而增強(qiáng)了缺陷石墨烯和分子的吸附, 這一結(jié)論也是和Guo等人[14]的結(jié)論一致, 他們發(fā)現(xiàn)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽(RGD)與缺陷石墨烯中伸出表面的C原子發(fā)生較大的相互作用, 因此RGD能夠更穩(wěn)定地吸附在缺陷石墨烯表面而不是本征石墨烯表面.

表1 蛋氨酸分子的鍵長(zhǎng)和鍵角與文獻(xiàn)值的比較(鍵長(zhǎng)單位為?, 鍵角單位為度)

Table 1 Comparison of the bond lengths and bond angles of the Met molecule between the literature and this work (bond lengths in ? 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 半胱氨酸與蛋氨酸吸附在本征, 缺陷石墨烯表面的吸附能

同時(shí), 吸附能結(jié)果表明當(dāng)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時(shí), 吸附能較平行放置于石墨烯表面的結(jié)果小, 那是因?yàn)榇藭r(shí)半胱氨酸中-SH和蛋氨酸中-SCH3基團(tuán)靠近石墨烯表面時(shí), S原子的孤對(duì)電子和石墨烯的π電子之間有一定的排斥作用, 雖然它們之間也存在著-SH…π，-SH…C(圖3c和3d)及-SCH3…π，-SCH3…C相互作用(圖4c和4d), 因此最后兩種氨基酸能垂直地吸附于石墨烯表面是這兩種作用共同影響的結(jié)果.這些結(jié)果與Qin等人[21]的結(jié)論也能夠吻合, 他們表明當(dāng)C2H5SH在本征, 缺陷的石墨烯表面吸附時(shí), C2H5SH的-SH與石墨烯之間有較大的排斥作用, 因此導(dǎo)致了它們之間有較弱的相互作用.

半胱氨酸和蛋氨酸與缺陷石墨烯表面具有最強(qiáng)的相互作用, 也可以通過(guò)它們之間最短的相互作用距離和較多的相互作用位點(diǎn)來(lái)解釋, 如圖3及4所示.當(dāng)半胱氨酸平躺在本征石墨烯表面時(shí), -COOH, -SH與石墨烯之間形成了-COOH…π和-SH…π相互作用, 且相互作用距離分別為2.884及3.654 ?(圖3a); 平躺在缺陷石墨烯上時(shí), -COOH與石墨烯之間形成了-COOH…π相互作用, 且懸掛的C和-SH之間也形成了相互作用, 作用距離分別為2.848及3.344 ?(圖3b); 當(dāng)垂直放置于本征石墨烯和缺陷石墨烯表面上時(shí), 僅只有半胱氨酸的-SH與石墨烯之間形成相互作用, 作用距離分別為3.695及3.467 ?(圖3c和3d).因此從相互作用距離的長(zhǎng)短及相互作用位點(diǎn)的多少也可以得出半胱氨酸平躺于缺陷石墨烯表面時(shí)有最大的相互作用.同時(shí), 研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鞍彼崞教稍谌毕菔┍砻鏁r(shí)(圖4b), 形成了-COOH…π, -SCH3…π以及-CH與懸掛C之間的相互作用, 作用距離分別為2.668, 3.449及3.291 ?, 且相比于其它幾種模型, 有最多的作用位點(diǎn)及最短的作用距離, 因此, 蛋氨酸與缺陷石墨烯表面也有最強(qiáng)的相互作用.這幾種相互作用在文獻(xiàn)中也是可以發(fā)現(xiàn)的.例如Wang等人[11, 22]表明絲氨酸和石墨烯之間就存在非共價(jià)的-COOH…π相互作用, 芐硫醇中-SH與石墨烯之間形成了-SH…π相互作用.Kar等人[23]發(fā)現(xiàn)苯和萘與芳香族氨基酸之間也存在著-CH…π相互作用.而且, 蛋氨酸與缺陷石墨烯作用較半胱氨酸與缺陷石墨烯作用強(qiáng), 這也是和它們之間具有較多的作用位點(diǎn)和較小的作用距離息息相關(guān)的(圖3b和圖4b).

小結(jié): 半胱氨酸和蛋氨酸平躺于本征及缺陷石墨烯表面較垂直放置于兩種石墨烯表面有較強(qiáng)的相互作用, 其中兩種氨基酸平躺于缺陷石墨烯表面有最強(qiáng)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強(qiáng)的相互作用.

3.2 態(tài)密度分析

態(tài)密度(Density of states, DOS)表示某個(gè)能量狀態(tài)下電子態(tài)的數(shù)目.如果相鄰原子的局域態(tài)密度(PDOS)在同一個(gè)能量上同時(shí)出現(xiàn)了尖峰, 則被稱之為雜化峰(hybridized peak), 可以較直觀地展示相鄰原子之間的相互作用強(qiáng)弱[24].在接下來(lái)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兩個(gè)模型的態(tài)密度進(jìn)一步分析兩種氨基酸和兩種石墨烯之間相互作用情況.從圖5和表3分析可以得到, 半胱氨酸與本征石墨烯在-3.884, -12.210, -17.188 eV位置有峰重疊, 半胱氨酸與缺陷石墨烯在-3.886, -8.660, -12.183, -14.138, -17.088 eV位置有峰重疊.蛋氨酸與本征石墨烯在-1.788, -3.743, -8.008, -8.753, -10.973, -14.076 eV位置有峰重疊, 蛋氨酸與缺陷石墨烯在-0.821, -1.842, -3.821, -6.032, -10.919, -14.032, -15.545 eV位置有峰重疊, 這些峰重疊表明半胱氨酸和蛋氨酸與本征和缺陷石墨烯基底之間在這些能量所處的軌道上有可能兩兩相互作用.其中, 當(dāng)?shù)鞍彼崞教捎谌毕菔┍砻嫔蠒r(shí)有最多的雜化峰重疊, 因此相比于其它幾種模型, 此種模型應(yīng)該具有最大的相互作用可能性, 這也是與吸附能的結(jié)果相一致的.

圖5 態(tài)密度圖.(a) Cys-parallel-G體系, Cys和G; (b) Cys-parallel-defective-G體系, Cys和defective G; (c) Met-parallel-G體系, Met和G；(d) Met-parallel-defective-G體系, 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體系中雜化峰值

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 差分電荷密度分析

電荷密度的結(jié)果進(jìn)一步展示了氨基酸和石墨烯之間的相互作用, 圖6和7表明了半胱氨酸及蛋氨酸與本征及缺陷石墨烯表面差分電荷密度的結(jié)果.差分電荷密度表明了電荷密度在吸附過(guò)程中的變化, 是由整個(gè)吸附體系的總電荷密度(ρtotal)減掉氨基酸(ρa(bǔ)mino acids)和石墨烯表面(ρsurface)的電荷密度之和, 公式如下：

ρa(bǔ)ds=ρtotal-(ρa(bǔ)mino acids+ρsurface)

(2)

藍(lán)色區(qū)域代表電荷減少的區(qū)域, 紅色區(qū)域代表電荷聚集的區(qū)域.半胱氨酸吸附于本征及缺陷石墨烯表面的差分電荷密度如圖6所示.在圖6a, 6b及6c中, 研究發(fā)現(xiàn)電荷主要聚集在-COOH周圍的石墨烯表面, 藍(lán)色聚集在-SH周圍石墨烯表面, 上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)中結(jié)論是一致的[11,22], 因此半胱氨酸和石墨烯表面發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移, 它們之間形成了相互作用.同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)蛋氨酸平躺在本征及缺陷石墨烯表面上時(shí), 也是-COOH周圍的石墨烯表面發(fā)生了電荷聚集, 在-SCH3周圍石墨烯表面發(fā)生了藍(lán)色聚集, 當(dāng)?shù)鞍彼岽怪狈胖糜谑┍砻鏁r(shí), 與前兩種模型相比電子云幾乎未重疊, 表明蛋氨酸垂直放置于兩種石墨烯表面時(shí)相互作用較小.

圖6 差分電荷密度圖(等值面電荷密度為0.05 e/?3): (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/?3: (a) Cys-parallel-G; (b) Cys-parallel-defective-G; (c) Cys-vertical-G; (d) Cys-vertical-defective-G.

圖7 差分電荷密度等值面圖(等值面電荷密度為0.05 e/?3): (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/?3: (a) Met-parallel-G; (b) Met-parallel-defective-G; (c) Met-vertical-G; (d) Met-vertical-defective-G.

4 結(jié) 論

研究含硫的氨基酸類物質(zhì)在材料表面的吸附機(jī)制對(duì)于研究它們的生物學(xué)特性起著至關(guān)重要的作用.本研究使用密度泛函理論方法探討了半胱氨酸, 蛋氨酸在本征及缺陷石墨烯表面的吸附機(jī)理, 主要研究結(jié)論如下:

(1)半胱氨酸, 蛋氨酸與本征及缺陷石墨烯表面可以形成-COOH…π, -SH…π和-SCH3…π相互作用, 而且兩種氨基酸與缺陷石墨烯表面還可以形成-SH…C及-CH…C相互作用.

(2)各種石墨烯表面的吸附能力一定程度上取決于半胱氨酸和蛋氨酸的初始構(gòu)型, 兩種含硫氨基酸平躺在本征及缺陷石墨烯表面比垂直放置于本征及缺陷石墨烯表面有更大的相互作用, 同時(shí)在平躺的模型中, 可以發(fā)現(xiàn)兩種氨基酸在缺陷石墨烯表面較本征石墨烯表面穩(wěn)定.

(3)從吸附能, 吸附距離及態(tài)密度雜化峰數(shù)目研究發(fā)現(xiàn)蛋氨酸在本征及缺陷石墨烯表面的吸附能力較半胱氨酸稍強(qiáng).希望這些結(jié)論能夠?qū)Πl(fā)展含硫類氨基酸的石墨烯傳感器提供有用的理論參考價(jià)值.