Zn修饰BC3单层材料对环丙沙星和左氧氟沙星的吸附机制及传感应用研究

本研究针对抗生素环境污染问题，通过密度泛函理论（DFT）探究了原始和Zn修饰BC3单层对环丙沙星（CIP）和左氧氟沙星（LEVO）的吸附性能。结果表明Zn-BC3通过化学吸附（吸附能-1.37/-1.36 eV）和显著电荷转移（0.240/0.588 e?）实现高效捕获，其HOMO-LUMO能隙缩小至2.33 eV的特性更可转化为电信号，为抗生素检测和废水处理提供了新型传感材料。

　　

抗生素在现代医疗和农业中的广泛应用已引发严峻的环境问题。据统计，2000至2015年间全球抗生素使用量激增65%，其中70%以上最终进入生态环境。作为第二代氟喹诺酮类抗生素的环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）和第三代左氧氟沙星（Levofloxacin, LEVO）因代谢不完全，在废水（浓度可达150 mg/L）和地表水中持续检出，不仅促进细菌耐药性传播，更通过食物链威胁人类健康。传统处理方法如膜分离、光催化等存在成本高、效率低的缺陷，而吸附法虽经济环保，但开发高性能吸附材料仍是挑战。

在此背景下，巴基斯坦科哈特大学的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表研究，首次通过密度泛函理论（DFT）系统评估了原始和锌修饰硼碳单层（Zn-BC₃）对CIP和LEVO的吸附性能。研究采用B3LYP/6-31G(d,p)基组进行几何优化，结合ωB97XD方法校正范德华力，通过量子原子理论（QTAIM）、自然键轨道（NBO）分析和电子密度差（ESP）等揭示相互作用机制，并计算HOMO-LUMO能隙评估电子特性变化。

几何与结构分析
原始BC₃单层呈六方晶格结构，每个晶胞含6个碳原子和2个硼原子。DFT计算显示，抗生素分子通过弱物理吸附（physisorption）与原始BC₃结合，而Zn修饰后吸附能显著增强至-1.37 eV（CIP）和-1.36 eV（LEVO），符合化学吸附（chemisorption）特征。QTAIM分析证实Zn-BC₃与药物分子间存在强电子相互作用，其中LEVO的电荷转移量达0.588 e^?，高于CIP的0.240 e^?。

电子特性与传感潜力
吸附后Zn-BC₃的HOMO-LUMO能隙（E_g）从3.50 eV降至2.33 eV（LEVO体系），电子态密度（DOS）显示费米能级附近新峰形成，表明导电性提升。这种电学特性变化可将抗生素吸附事件转化为可检测信号，赋予材料电子传感器功能。

结论与意义
该研究首次证实Zn-BC₃单层能通过化学吸附高效捕获氟喹诺酮类抗生素，其吸附性能提升源于Zn的电子调控作用。LEVO@Zn-BC₃体系更高的电荷转移和更小的E_g值，使其对LEVO的检测灵敏度优于CIP。研究成果不仅为抗生素污染治理提供了新型候选材料，更开创了基于二维材料的电化学传感新策略。沙特国王大学的资助支持（项目号RSPD2024R994）进一步推动了该成果的转化应用潜力。