《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Modification of graphenylene nanostructure as a promising material for adsorption and sensing of 5-Fluorouracil: First-principles investigations
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本研究通过密度泛函理论（DFT）计算，系统分析了5-氟尿嘧啶（5FUL）在石墨烯纳米片（GrNL）及其铝修饰版本（Al@GrNL）上的吸附行为，揭示了Al修饰后材料与5FUL的强相互作用（吸附能-1.253 eV），并证实Al@GrNL在5FUL检测中表现出显著的电导率和磁性能变化，为开发高效化学传感器提供理论依据。
阿里·B·M·阿里|阿卜杜勒萨拉姆·阿卜杜勒萨塔尔·阿卜杜勒阿泽兹|G·帕德玛·普里娅|苏巴什丽·雷|阿姆里塔·帕尔|雷努·夏尔马|苏尔顿·乌萨诺夫|祖赫拉·阿塔穆拉托娃|埃利奥尔·赛托夫|阿西尔·斯梅拉特|穆罕默德·Y·阿尔沙赫拉尼
伊拉克卡尔巴拉瓦里特·阿尔-安比亚大学工程学院空调工程系
摘要
旨在开发高效检测抗癌药物5-氟尿嘧啶（5FUL）的材料的研发对于环境保护和人类健康至关重要。然而，实际应用这些材料需要克服诸多挑战。本研究利用密度泛函理论（DFT）计算，研究了5FUL在二维碳纳米结构石墨烯烯（GrNL）及其铝修饰版本Al@GrNL上的吸附行为。对Al@GrNL上的不同吸附位点及其与纳米片层的距离进行了详细分析，同时探讨了其电子和结构特性、吸附能、带隙值以及各种复合物的吸附能。结果表明，六元环位点（H2）是铝原子最理想的吸附位点。吸附能分析显示5FUL分子与Al@GrNL之间存在强烈的相互作用（Ead = –1.253 eV），而与纯GrNL的相互作用相对较弱。此外，Al@GrNL对5FUL具有高度敏感性，这体现在吸附后其电导率和磁性质发生显著变化。这些DFT计算为Al@GrNL作为高效5FUL检测化学传感器的潜力提供了重要见解。
引言
5-氟尿嘧啶（5FUL）是治疗食道癌、乳腺癌、胰腺癌、胃癌和结肠癌等癌症的最常用药物之一[1]。由于其体外和体内的有效性，5FUL的重要性日益凸显[2]、[3]。因此，开展了多项研究以减少5FUL广泛使用所带来的不良反应及其较低的生物利用度[4]。因此，使用具有可追溯特性和亲水性的高生物相容性药物载体对于解决这些问题至关重要[5]、[6]。除了减少5FUL的副作用及其治疗效果外，以简单方法检测生物介质中的5FUL也具有重要意义[7]。药物载体在将治疗剂输送到生物体内的目标区域方面起着关键作用。它们通过调节最佳剂量和浓度水平来增强治疗效果[8]、[9]。然而，大多数极性药物由于疏水性的双层结构而无法穿透细胞膜。为了解决这一限制，研究人员致力于寻找和开发能够促进高效药物递送的理想药物载体系统[10]。纳米材料能够改善靶向药物递送，尤其是在癌症治疗中，从而提高治疗精度和临床效果。先进药物传感技术的关键在于它们能够在生理环境中可靠地识别药物浓度，确保精确有效的药物给药[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
研究人员越来越关注二维材料，因为它们具备优异的综合性能。这些材料化学性质稳定[16]，生物相容性高[17]、[18]、[19]、[20]，机械强度高且柔韧性优异[21]、[22]、[23]、[24]，同时还具有出色的荧光猝灭性能[25]。它们的物理、化学、光学和电学特性使其非常适合多种先进的传感应用[26]、[27]、[28]。二维材料的横向尺寸通常在纳米到微米范围内，厚度仅限于几层原子。由于这种超薄结构及其较大的表面积与体积比，这些材料成为多种生物医学应用的有希望的平台，包括生化传感[29]、药物递送[30]以及体内和体外诊断[31]。石墨烯烯（GrNL）是一种特殊的二维sp2碳膜，由苯并二烯衍生而来，其特征是具有规则的方形、六边形和十二边形环结构。2012年，Brunetto等人[32]提出可以通过脱氢多孔石墨烯合成GrNL。后续研究证实基于GrNL的富勒烯和纳米管具有很高的稳定性[33]、[34]、[35]。Du等人[36]使用1,3,5-三羟基苯合成了GrNL（称为4–6碳苯），并将其应用于锂离子或钠离子电池的阳极、氢储存系统和水净化系统等领域。Song等人[37]展示了其作为多孔膜分离各种气体的有效性，特别是在常温下优先促进氢气扩散方面的优越性能，突显了其在高效选择性气体分离技术中的潜力。此外，GrNL作为锂离子和钠离子电池阳极纳米材料也展现出巨大潜力[38]。由于GrNL的显著能量特性，它引起了广泛关注。
利用纳米结构制造的药物传感系统有望通过检测升高的药物浓度来减少化疗的不良反应。目前文献中尚未有使用DFT进行理论研究来全面分析5FUL与石墨烯烯（GrNL）在原子尺度上的相互作用。因此，本研究采用DFT方法分析了5FUL在GrNL上的吸附行为和相互作用机制，以评估其作为5FUL检测传感器的潜力。
方法
高斯09程序（Gaussian 09）采用了M06-2X和6-31G(d,p)泛函，用于估算所有复合物的物理-电子属性[39]、[40]。M06-2X泛函是一种全局混合泛函，包含54%的Hartree-Fock交换项，适用于以色散相互作用为主的系统。铝原子采用LANL2DZ基组。许多研究采用类似的理论水平成功研究了这类复合物
纯GrNL和铝修饰GrNL的优化结构
在评估5FUL与纯GrNL或铝修饰GrNL之间的相互作用之前，首先需要确定铝原子在GrNL上的最适宜吸附位点。为此，将铝原子放置在GrNL的不同潜在位置（如图1a所示），并测量其与构成GrNL结构的140个碳原子的距离。图1a展示了GrNL上铝原子的7个不同吸附位点
结论
本研究探讨了5FUL分子在石墨烯烯（GrNL）上的吸附行为，特别关注铝（Al）原子对吸附性能的增强作用。通过DFT估算，研究了铝原子如何影响GrNL的电子和结构特性。研究了GrNL上7个不同的铝吸附位点，并基于总能量确定了最稳定的配置
CRediT作者贡献声明
祖赫拉·阿塔穆拉托娃：软件、资源、方法论、研究。苏尔顿·乌萨诺夫：方法论、形式分析、概念化。雷努·夏尔马：撰写初稿、可视化、研究、概念化。G·帕德玛·普里娅：撰写初稿、可视化、验证、数据管理、概念化。阿姆里塔·帕尔：资源、方法论、研究、概念化。苏巴什丽·雷：资源、方法论
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国王哈立德大学通过项目编号CL/CO/A/8提供的研究支持计划，为这项研究工作提供了资金支持。
