基于硼酸酯共价有机框架(COF-1)的多孔生物传感器对姜黄素和克唑替尼的DFT研究

本研究针对抗癌药物监测需求，采用密度泛函理论(DFT)探究硼酸酯基COF-1对姜黄素(CUR)和克唑替尼(CRZ)的传感性能。通过NCI、QTAIM、EDA等分析揭示范德华力主导吸附过程，发现CRZ具有更强结合力与电荷转移特性，其更短的恢复时间支持实时监测应用，为肿瘤靶向治疗提供新型纳米传感方案。

　　

在癌症治疗领域，药物疗效监测和精准给药始终是重大挑战。全球每年有近千万人死于恶性肿瘤，而传统化疗药物如克唑替尼(CRZ)面临耐药性问题，天然抗炎剂姜黄素(CUR)则受限于生物利用度低的缺陷。如何开发高灵敏度检测技术，成为优化治疗方案的关键突破口。

某研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表的研究，创新性地将硼酸酯基共价有机框架COF-1设计为纳米生物传感器。这种具有B₃O₃单元的多孔材料，通过DFT计算揭示了其对CRZ和CUR的差异吸附机制。研究人员采用ωB97XD/6-31G(d,p)方法进行几何优化，结合NCI（非共价相互作用）和QTAIM（量子理论原子分子）分析，发现CRZ@COF-1复合物具有-25.3 kcal/mol的更强结合能，其HOMO-LUMO能隙缩小至3.21 eV，电荷转移量达0.128 e，显著优于CUR的相应参数。

关键技术包括：1）密度泛函理论(DFT)计算电子结构；2）能量分解分析(EDA)区分相互作用成分；3）自然键轨道(NBO)分析电荷转移；4）电子密度差(EDD)图谱可视化电子重分布；5）前线分子轨道(FMO)理论预测传感灵敏度。

【几何优化和相互作用能】
CRZ通过苯环与COF-1形成π-π堆叠，结合能比CUR高35%，归因于其更大的分子平面性。

【电子性质分析】
CRZ使COF-1带隙降低14%， dipole moment增至8.12 Debye，增强界面极化效应。

【恢复时间评估】
CRZ在298K下仅需42秒即可脱附，满足实时监测要求，而CUR需长达17分钟。

该研究证实COF-1对CRZ具有特异性响应，其快速脱附特性与显著电子调制效应，为开发耐药性监测设备奠定基础。Chu等学者曾报道类似COF材料对硫化氢1.44 ppb的检测极限，本研究则首次系统阐释抗癌药物传感机制。作者Mubeen Naz指出，这种金属游离框架避免了MOFs的金属浸出风险，其硼酸酯键提供的B-O共价键能达83 kcal/mol，确保结构稳定性。未来可结合MXene气凝胶技术，开发穿戴式肿瘤标志物监测系统，推动个性化医疗发展。