电场增强单层聚苯胺g-C3N用于肺癌标志物检测的第一性原理研究

《Scientific Reports》：Electric-field-enhanced high performance of monolayer polyaniline g-C3N for lung cancer identification: a DFT study

本文推荐研究人员针对肺癌早期诊断中高特异性生物标志物检测的难题，开展了基于单层聚苯胺g-C3N的电场增强型气体传感研究。通过密度泛函理论计算发现，g-C3N对肺癌标志物乙醛和丙烷具有可逆的物理吸附特性，外加电场可显著增强吸附能（最高达0.22 V/?）并诱导半导体-金属转变。该研究为开发可调控的电阻型、塞贝克效应型和功函数型肺癌呼气传感器提供了理论依据。

　　

肺癌作为全球癌症相关死亡的主要原因，其早期诊断一直是临床面临的重大挑战。传统诊断技术如计算机断层扫描（CT）、胸部X光等技术通常只能在癌症晚期提供明确诊断，导致患者生存率较低。近年来，通过检测呼气中的挥发性有机化合物（VOCs）来识别肺癌生物标志物成为一种新兴的无创诊断策略。其中乙醛（CH₃CHO）和丙烷（C₃H₈）被证实是肺癌患者呼气中特异性存在的关键标志物，特别是乙醛的产生与肿瘤大小直接相关，在恶性肿瘤细胞消除后停止产生，具有高度特异性。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，M.H. Omidvari等人通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，系统探讨了二维聚苯胺（g-C₃N）材料对肺癌标志物的检测性能及其电场增强效应。研究发现，g-C₃N monolayer对乙醛和丙烷的吸附能分别为-319 meV和-293 meV，属于可逆的物理吸附，室温下的解吸时间仅为235 ns和222 ns，适合重复使用。更重要的是，外加垂直电场（0.03-0.22 V/?）可显著增强吸附性能，使电荷转移量最高提升3倍，并在特定电场强度下诱导半导体-金属转变，为开发可调控的高性能传感器提供了新思路。

研究人员主要采用以下关键技术方法：基于量子ESPRESSO软件包的spin-polarized DFT计算，采用PBE泛函和DFT-D2色散校正；通过吸附能、电荷转移分析和能带结构计算评估传感性能；利用sawtooth势模拟垂直电场效应；采用L?wdin布居分析和功函数计算研究电子结构变化。

材料性能验证

研究首先通过几何优化确认g-C₃N单层具有平面蜂窝状结构，C-C和C-N键长分别为1.410 ?和1.411 ?，晶格常数4.887 ?。能带结构分析表明其为直接带隙半导体（0.437 eV），费米能级附近态密度主要来自C和N原子的p_z轨道杂化。

吸附构型分析

通过考察6个高对称吸附位点，发现乙醛最稳定构型为平行吸附（O原子指向基底），吸附距离2.992 ?；丙烷优选垂直构型（中间C原子位于N原子上方），吸附距离2.701 ?。电荷密度分布表明二者均为物理吸附，主要作用力为范德华力和偶极-偶极相互作用。

电子性质变化

乙醛吸附使g-C₃N带隙从437 meV降至382 meV，诱导p型特性转变，电荷转移量达0.045 e；而丙烷吸附仅引起0.002 eV带隙变化，电荷转移量为0.021 e。能级对齐分析表明，电子从g-C₃N价带流向乙醛的LUMO轨道是电荷转移的主要路径。

电场增强效应

外加电场显著提升吸附性能：在0.22 V/?电场下，乙醛吸附能增强至-580 meV，电荷转移量增加至0.12 e。能带结构分析显示，电场强度超过0.11 V/?时，体系呈现金属特性，同时功函数从2.899 eV显著增加，为功函数型传感器设计奠定基础。

研究结论表明，g-C₃N单层对肺癌标志物具有适中的吸附强度和快速解吸特性，外加电场可有效调控其传感性能。该工作首次揭示了g-C₃N在电场作用下对乙醛和丙烷的检测机制，为开发可逆、可调控的肺癌呼气传感器提供了理论指导，在热功率型、塞贝克效应型、电阻型和功函数型传感器设计中展现出应用潜力。