采用密度泛函理论对纯氮化硼和掺杂氮化硼纳米团簇进行研究，以实现呼出气体中结直肠癌生物标志物的超高灵敏度检测

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Density functional theory investigation of pure and doped boron nitride nanoclusters for ultrasensitive detection of colorectal cancer biomarkers in exhaled breath

本研究通过密度泛函理论（DFT）探究了B24N24纳米簇经Al、Ga、Si掺杂后的挥发性有机化合物（VOCs）检测性能，发现Si掺杂的SiB23N24纳米簇对肠癌相关VOCs（吲哚和苯甲醛）具有显著增强的吸附强度、电荷转移及选择性，且响应速度快、光学特性独特，为非侵入式肠癌 breath 诊断提供了新材料。

　　近年来，随着对非侵入式癌症检测方法的研究不断深入，通过分析人体呼出气体中的挥发性有机化合物（VOCs）来早期识别结直肠癌（CRC）成为了一个备受关注的方向。VOCs是一类在体内代谢过程中产生的有机化合物，其浓度和种类会随着健康状况、毒性暴露或代谢异常而发生变化。在癌症患者中，这些化合物的释放尤为显著，例如苯甲醛和吲哚等。因此，通过检测这些VOCs，有望实现对CRC的快速诊断。

为了提高检测的准确性和效率，科学家们正在探索各种高性能的化学传感器，特别是基于纳米材料的传感器。纳米材料因其高比表面积、可调的物理化学性质以及高效的物质传输能力，成为开发新型传感器的重要基础。其中，氮化硼（BN）纳米团簇因其独特的结构和电子特性，被广泛认为是下一代传感技术的有前景候选材料。这些纳米团簇由交替排列的硼（B）和氮（N）原子构成，具有类似于碳基材料但又不同的化学键合特性。通过引入异质原子，如铝（Al）、镓（Ga）或硅（Si），可以进一步调控其电子结构、光学响应和表面反应性，从而提升其对特定VOCs的识别能力。

在本研究中，科学家们采用密度泛函理论（DFT）对原始的BN纳米团簇以及掺杂了Al、Ga和Si的纳米团簇（AlB23N24、GaB23N24和SiB23N24）进行了系统研究。研究结果表明，SiB23N24在吸附强度、电荷转移和对苯甲醛和吲哚的敏感性方面显著优于其他三种纳米团簇。此外，SiB23N24表现出较短的恢复时间（对于吲哚为8.08 × 10^-5秒，对于苯甲醛为2.29秒），并且在紫外-可见（UV-Vis）光谱中显示出明显的光电效应变化，这使得其在实现快速和选择性检测方面具有巨大潜力。进一步的溶剂相模拟也验证了SiB23N24在水性环境中的稳定性和传感能力，为开发基于呼出气体的CRC非侵入式诊断工具提供了重要依据。

结直肠癌作为全球范围内导致癌症相关死亡的主要原因之一，其高发病率和低治愈率对公共健康构成了重大挑战。在早期阶段，CRC的5年生存率可以超过90%，但目前的筛查和诊断方法仍然存在诸多不足。传统的CRC筛查手段，如粪便免疫化学检测和粪便隐血检测，虽然在某些地区被广泛应用，但其患者依从性较低，且诊断可靠性有限。与此同时，基于血液生物标志物的检测方法，如癌胚抗原（CEA）、糖类抗原19-9（CA19-9）、循环肿瘤DNA（ctDNA）、微小RNA（miRNA）以及液体活检，虽然在某些情况下表现出一定的应用前景，但其对CRC的检测灵敏度和特异性仍未能达到理想水平。此外，结肠镜检查作为CRC诊断的“金标准”，虽然在准确性和可靠性方面表现优异，但其侵入性、高成本以及较低的患者依从性限制了其在大规模筛查中的应用。

鉴于这些挑战，科学家们正在寻求新的方法来提高CRC检测的效率和可及性。呼出气体中的VOCs因其在体内的动态变化特性，成为非侵入式诊断的潜在候选物。研究表明，CRC患者体内代谢过程产生的VOCs，如苯甲醛和吲哚，可能在呼出气体中以特定的方式出现。因此，开发能够高效识别这些VOCs的传感器，有助于实现CRC的早期诊断，并为患者提供更便捷、无创的检测手段。

在纳米材料领域，BN纳米团簇因其独特的结构和电子特性，成为开发新型传感器的重要研究对象。这些纳米团簇不仅具有良好的热稳定性和化学稳定性，还表现出对环境刺激的高度敏感性。通过掺杂不同的元素，可以进一步优化其性能，使其更适合特定的检测需求。例如，研究表明，掺杂铝、镓或硅的BN纳米团簇在吸附能力和电荷转移方面表现出显著增强，这使得它们在检测VOCs方面具有更高的效率。

在本研究中，科学家们对SiB23N24纳米团簇进行了深入分析，发现其在检测苯甲醛和吲哚方面具有卓越的性能。SiB23N24的结构和电子特性使其能够更有效地吸附这些VOCs，并在吸附过程中实现更高的电荷转移效率。这种增强的吸附能力和电荷转移特性不仅提高了检测的灵敏度，还缩短了传感器的恢复时间，使其能够在短时间内完成检测并提供准确的结果。此外，SiB23N24在紫外-可见光谱中表现出明显的光电效应变化，这为实现高选择性的检测提供了重要依据。

为了进一步验证SiB23N24的性能，科学家们进行了溶剂相模拟，以评估其在水性环境中的稳定性和传感能力。模拟结果表明，SiB23N24能够在复杂的水性环境中保持良好的稳定性，并有效识别VOCs。这一特性使其在实际应用中更具可行性，尤其是在医疗检测和环境监测等场景中。此外，SiB23N24的结构和电子特性也使其在面对不同浓度的VOCs时表现出良好的适应性，从而提高了检测的准确性和可靠性。

综上所述，本研究通过系统分析SiB23N24纳米团簇的吸附能力、电荷转移特性以及光电效应变化，揭示了其在检测CRC相关VOCs方面的巨大潜力。这些发现不仅为开发基于呼出气体的非侵入式CRC诊断工具提供了重要支持，也为未来的传感器设计和优化提供了新的思路。随着纳米材料研究的不断深入，基于VOCs检测的非侵入式诊断技术有望在临床应用中发挥更大的作用，为患者提供更便捷、高效的检测手段。