通过分析患者的呼吸进行结核病的早期诊断：深度学习技术的应用

《Journal of Nanotechnology》：Early Diagnosis of Tuberculosis by Analyzing the Breath of Patients: A DFT Insight

肺结核早期检测中，Pt和Au掺杂氮化镓纳米管（GaNNTs）的吸附性能及电子结构变化研究表明，掺杂后材料对结核病特异性挥发性有机物（C9H12和C7H14）的吸附能分别提升4.8%-9.3%和5.3%-19.8%，其中Pt2掺杂结构吸附能最显著（-3.912 eV），同时其禁带宽度降低0.936 eV，表明电子传导性增强。红外光谱证实掺杂-吸附复合物处于能量最低态，结构稳定。本研究为开发实时非侵入式肺结核传感器提供了理论支撑。

　　

摘要

肺结核（TB）是肺部感染中最严重的健康问题之一，每年导致约160万人死亡。一种简便、快速且无创的早期检测方法对于挽救生命至关重要。本文研究了使用过渡金属（Pt、Au）掺杂的氮化镓纳米管（GaNNTs）来检测TB。采用密度泛函理论（DFT）研究了两种挥发性有机化合物（VOC）生物标志物C₉H₁₂和C₇H₁₄在原始和掺杂GaNNTs表面的吸附机制，这两种化合物存在于TB患者的呼吸中。研究发现，掺杂后的纳米管对C₉H₁₂的吸附能量提高了4.8%–9.3%，对C₇H₁₄的吸附能量提高了5.3%–19.8%。其中，GaNNT_(Pt2)的吸附亲和力最强（C₉H₁₂为?3.912?eV），其次是GaNNT_(Au1)（?3.770?eV）和GaNNT_(Au2)（?3.751?eV）。GaNNT_(Pt2)的带隙显著减小（C₉H₁₂为0.936?eV，C₇H₁₄为0.779?eV），表明其导电性增强。此外，这些相互作用具有自发性和放热性，其中GaNNT_(Pt2) + C₉H₁₂的组合表现出最低的吉布斯自由能（?3.191?eV）和最低的焓（?3.808?eV），表明其吸附效果最强且最稳定。红外（IR）光谱验证了这些复合物的结构稳定性，未观察到虚频，表明它们处于真正的能量最小值。综上所述，GaNNT_(Pt2)具有开发实时传感器以在早期阶段诊断TB的最佳特性。

1. 引言

肺结核（TB）由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）引起，仍然是影响肺部最严重的传染病之一。在COVID-19大流行之前，它是导致死亡的主要原因[1–3]。即使在今天，TB仍位列十大死因之一，2023年约有125万人因此死亡，同时新增病例达1080万[4, 5]。尽管世界卫生组织（WHO）的“终结TB战略”使全球TB发病率在2015至2019年间下降了9%[3），但COVID-19大流行严重扰乱了TB控制工作。大流行削弱了国家和国际医疗系统，导致每年新增大量感染病例[6–8]。鉴于这些挑战，一种简便、快速且无创的早期检测方法至关重要。由于准确和快速的诊断工具获取有限，加之医疗系统不完善，近30%的患者未能接受任何形式的治疗[9, 10]。因此，一种早期、实时、可获取且无创的诊断方法在控制TB传播方面起着关键作用[8]。传统的TB诊断方法，如各种显微镜检查、培养测试、胸部X光和计算机断层扫描等，通常成本高昂、耗时较长，在资源匮乏的环境中难以实施[11–13]。然而，纳米传感技术和分析化学的发展使得通过检测呼出气体中的疾病特异性生物标志物成为可能，这种方法因其成本效益、速度快和易于获取而具有潜力[14–18]。多项研究证实了活动性TB患者呼出气体中存在挥发性有机化合物（VOC）生物标志物[13, 16, 19–22]。例如，2010年Phillips等人使用气相色谱和质谱分析了来自不同国家的226名患者的呼吸样本，确认了其中存在10种独特的生物标志物[13。同样，2018年Mellors等人开展了一项试点项目，检测了感染结核分枝杆菌的猕猴的呼吸样本中的生物标志物，他们的研究表明这可能用于TB的诊断[20。

在纳米技术时代，由于各种纳米材料的发展，高灵敏度的纳米颗粒被广泛应用于生物医学领域，尤其是在推进传感设备以检测不同VOC生物标志物方面[23–30]。2024年，Alimohammadi等人使用密度泛函理论（DFT）研究了硫丙胺在MgO纳米管上的吸附行为，以探讨其作为硫丙胺检测和非法药物控制传感器的可行性[31₃N₄）表面的吸附机制，发现金属掺杂显著提高了g-C₃N₄的灵敏度，其中Fe修饰的结构表现出最高的灵敏度[32]。在众多纳米材料中，纳米管由于具有独特的物理化学性质、较大的表面积、良好的化学稳定性以及丰富的电子芳香结构，对多种生物分子具有更高的灵敏度，使其成为理想的传感材料[31, 33–39]。2018年，Wan等人使用DFT研究了两种肺癌生物标志物——苯（C₆H₆）和苯胺（C₆H₇N）在过渡金属（TM）铑（Rh）掺杂碳纳米管（CNT）表面的吸附机制，发现掺杂纳米管适用于这些VOC的早期肺癌诊断[17]。最近，Rahman等人（2024年）使用DFT研究了两种生物标志物2-甲基辛烷（C₉H₂₀）和3,3-二甲基戊烷（C₇H₁₆）在铝磷化物纳米管（AlPNT）和镓磷化物纳米管（GaPNT）表面的吸附行为，得出GaPNT具有更优的灵敏度[15]。基于不同纳米材料的优异性能，III-V族纳米管，尤其是氮化镓纳米管（GaNNTs），因其宽带隙、高电子迁移率、生物相容性和化学稳定性而受到研究人员的高度关注，适用于气体传感应用[40–43]。此外，GaN及其合金因其长寿命、高效率和可靠性强，被认为是构建纳米设备的理想候选材料[44–47]。2022年，Yang等人研究了Ag修饰的GaNNT在SF₄、甲醇、HF、H₂O和SO₂气体存在下对有毒气体OF₂的吸附行为，预测其吸附机制为物理吸附，并证实Ag修饰增强了GaNNT的吸附能力[41]。2023年Li等人使用GaN/rGo纳米复合材料检测NH₃气体，再次证明了GaN在III-V族材料中的优越性。

掺杂是通过引入外来原子来改善纳米材料的物理化学性质（如比表面积）的过程，从而增强吸附剂的吸附能力[32, 49–59]。特别是，用过渡金属（TM）掺杂可以改善结构稳定性，并增强其他电学和热力学性质，使原始结构更适合检测不同的生物标志物[51–54]。在各种TM中，铂（Pt）和金（Au）化学性质稳定且生物相容性好，显著提升了化合物的结构、电学和光学性能，使其适用于体内和体外生物医学应用[60, 61]。例如，Yeasmin等人（2022年）开发了一种基于金掺杂分子印迹聚合物（MIP）的电化学传感器。