掺杂硼、钛和钙的石墨烯单层在阿尔茨海默病生物标志物检测中的应用：基于密度泛函理论的研究

《ACS Omega》：Boron, Titanium, and Calcium Doped Graphene Monolayers for Alzheimer’s Disease Biomarker Detection: A Density Functional Theory Study

钙掺杂石墨烯通过密度泛函理论计算，展现出对阿尔茨海默病早期诊断标志物d-丝氨酸和甘氨酸的高灵敏度、快速响应及可逆吸附特性，半导体-金属相变增强导电性调控，为非侵入式生物传感提供新策略。

　　阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种逐渐发展的神经退行性疾病，目前全球影响超过5500万人，预计到2050年将增加三倍。由于人口老龄化，这一疾病的诊断和治疗成为公共卫生领域的重要挑战。传统诊断技术在灵敏度和侵入性方面存在局限，难以在疾病早期提供准确的检测。因此，研究者们正在探索新型生物传感技术，以实现更快速、非侵入性以及高灵敏度的诊断手段。二维单层材料因其独特的物理和化学特性，成为这种检测方法的潜在候选材料之一。这些材料具有高表面积、电子可调性以及化学多样性，能够支持多种生物分子的检测。本文研究了掺杂石墨烯单层材料在阿尔茨海默病两种新兴生物标志物——甘氨酸和d-丝氨酸上的吸附行为，并评估了其作为生物传感器的性能。

### 石墨烯的生物传感潜力

石墨烯作为一种典型的二维材料，因其卓越的导电性、机械强度以及高表面积而受到广泛关注。然而，纯石墨烯在检测中性生物分子时表现出较低的灵敏度和选择性。为解决这一问题，研究者们尝试通过异原子掺杂来调整石墨烯的电子特性，以增强其与目标分子的反应能力。异原子掺杂不仅能够改变石墨烯的电子结构，还能提高其对特定生物分子的吸附能力。例如，硼掺杂能够引入局部正电荷中心，有助于与电子丰富的生物分子相互作用；而钛掺杂则可以增强对含氧官能团的吸附能力，这在许多生物分子中普遍存在。钙掺杂则表现出独特的电子调控能力，尤其在吸附生物分子时能够显著改变其电子行为，从而提高检测灵敏度和可逆性。

### 掺杂石墨烯的性能比较

本研究采用密度泛函理论（DFT）计算方法，对纯石墨烯以及硼、钛、钙掺杂的石墨烯进行了系统分析。通过计算吸附能量、恢复时间、电荷转移特性以及电子结构的变化，研究者们比较了不同掺杂方式对生物分子检测性能的影响。结果显示，钙掺杂石墨烯在多个指标上表现出最优的传感特性。甘氨酸在钙掺杂石墨烯上的吸附导致恢复时间为0.170秒，表明其传感器响应迅速且具有高度的可逆性。这两种生物标志物在吸附过程中均引发了半导体到金属的转变，显著增强了石墨烯的电导率。进一步的电荷密度和能带结构分析表明，吸附过程中发生了强烈的轨道相互作用，并对电子特性产生了显著的调控作用。

### 研究意义与未来方向

这些发现表明，钙掺杂石墨烯是一种极具前景的材料，可用于开发高灵敏度、高可逆性以及实时的生物传感器，以实现阿尔茨海默病早期的无创诊断。与硼掺杂和钛掺杂相比，钙掺杂石墨烯在吸附能力、电子调控以及恢复时间之间取得了更好的平衡。硼掺杂石墨烯虽然在吸附强度上有所提升，但其恢复时间较短，难以维持稳定的分子结合。钛掺杂石墨烯则表现出最强的吸附能力，但由于其恢复时间极长，可能不适合需要可逆检测的应用。相比之下，钙掺杂石墨烯不仅在吸附能力上表现优异，还能实现显著的电导率变化和较快的恢复速度，这使其成为阿尔茨海默病生物标志物检测的理想选择。

此外，本研究为未来在二维材料领域的生物传感技术发展提供了重要的理论基础。通过系统分析不同掺杂方式对生物分子吸附行为的影响，研究者们揭示了石墨烯基材料在生物检测中的潜力，并指出了其在实际应用中的优化方向。例如，未来的研究可以集中在实验验证这些计算结果，以及评估其他可能的阿尔茨海默病生物标志物，以拓展其诊断适用范围。同时，也可以探索不同的计算方法，如使用混合泛函（如B3LYP）或许多体方法（如GW-BSE），以进一步提高预测精度和实用性。这些努力将有助于推动非侵入性、高灵敏度的生物传感器技术的发展，从而为阿尔茨海默病的早期诊断提供新的解决方案。