探索MoTe 两种纳米片在灾后环境中用于基于挥发性有机化合物（VOC）的人类遗骸检测的方法：一种基于第一性原理的研究途径

《Journal of Molecular Liquids》：Exploring MoTe 2 nanosheets for VOC-based detection of human remains in post-disaster situations: A first-principles approach

本研究采用密度泛函理论（DFT）探究二维材料MoTe?单层对11种与人体分解相关的VOCs吸附行为，发现其吸附能范围-0.1254 eV至-2.2467 eV，其中吡啶、二甲基三硫醚和辛烷吸附最强，导致电子结构从半导体向金属转变。研究揭示了化学吸附（如丁醇、己醛）与物理吸附的差异，并模拟了实际救援场景中VOCs浓度分布，为开发高效、低成本纳米传感器提供理论依据。

　　本研究聚焦于一种二维材料——钼碲化物（MoTe?）单层在检测与人体分解相关的挥发性有机化合物（VOCs）方面的潜力。VOCs作为人体生命活动和死后生化过程的重要化学标志物，在灾难救援和受害者定位中展现出广阔的应用前景。传统的搜索与救援犬虽然在快速覆盖大面积和精准追踪气味方面表现优异，但其高昂的训练和维护成本、较短的工作时间以及无法明确识别具体化学物质的局限性，促使科学家们寻求更为先进、经济且可靠的替代方案。MoTe?作为一种新型的过渡金属二硫属化合物，其独特的物理化学性质使其成为气体传感领域的理想材料之一。通过密度泛函理论（DFT）的计算方法，研究人员对MoTe?单层在多种VOCs吸附过程中的行为进行了系统分析，揭示了其在实际应用中的优势和挑战。

VOCs在人体生命过程中由多种代谢活动产生，包括呼吸、皮肤、尿液和血液等途径。而在死后，随着机体的分解，VOCs的种类和数量会显著变化，主要来源于细胞自溶和微生物腐败等过程。这些化合物的排放受环境条件、微生物活性以及个体生理状况等多种因素影响。因此，识别与人体分解相关的VOCs不仅有助于理解生命和死亡过程中的化学变化，也为灾难救援中的受害者检测提供了新的思路。例如，某些VOCs如甲胺和庚烷与活体人类有关，而其他如二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基三硫醚（DMTS）、苯甲醛、丁醇、己醛、吡啶、辛烷、苯和甲苯则更多地出现在尸体分解过程中。这些化合物的种类和浓度变化，为检测技术提供了独特的信号特征。

近年来，二维材料因其独特的物理化学性质被广泛应用于气体传感领域。这些材料通常具有高表面积与体积比、可调的电子结构以及对表面相互作用的高敏感性。过渡金属二硫属化合物（TMDs）在能量存储、催化、光电探测器和传感器等方面表现出卓越的性能。特别是，单层TMDs能够实现从间接带隙到直接带隙的转变，从而增强其光电子响应能力。基于TMDs的气体传感器可以在室温下工作，具有快速的响应和恢复时间，这使其在实际应用中具备显著优势。然而，尽管TMDs在气体传感领域表现出色，MoTe?由于其较长的键长、较弱的结合能和较窄的带隙，仍然相对较少被研究。这些特性不仅提高了其气体吸附效率，也使得MoTe?在实际应用中展现出更佳的响应时间和易于脱附的优势。

本研究旨在填补这一空白，通过第一性原理密度泛函理论（DFT）对MoTe?单层与十一类VOCs的吸附行为和传感能力进行深入分析。这些VOCs包括苯、苯甲醛、丁醇、己醛、庚烷、辛烷、甲胺、二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基三硫醚（DMTS）、甲苯和吡啶。这些化合物的选择基于其与人体生命和死亡过程的已知关联。研究的目标是为基于VOCs的纳米传感技术的发展提供理论支持，从而在大规模灾难环境中提升受害者检测的效率和准确性。通过分析吸附能、电荷转移、电子结构以及脱附行为等关键参数，研究人员揭示了MoTe?与这些目标VOCs之间的相互作用机制，为开发灵敏、低成本且易于部署的气体传感器奠定了基础。

在实际的VOC检测过程中，特别是在灾难现场，环境噪声如湿度和共存气体（如H?O、CO?、NO?、SO?、H?S和NH?）可能会对传感器的性能产生干扰。这些气体可能与目标VOCs竞争吸附位点，导致误报、信号掩盖或改变传感器的恢复动态。因此，虽然本研究主要关注MoTe?在单一VOCs吸附过程中的内在传感性能，但未来的实验研究应着重解决这些实际问题。例如，可以研究关键干扰物如水蒸气的竞争吸附效应，分析温度和湿度对脱附行为的影响，以及通过表面功能化或掺杂异原子来提高传感器的选择性。

此外，MoTe?的二维结构和可调带隙也为将其集成到实际传感系统中提供了可能性。例如，可以将其应用于电阻式或场效应晶体管（FET）平台，从而实现对VOCs的高效检测。未来的工作应包括原型制造、在真实环境条件下的验证，以及开发便携式或可穿戴的检测系统。同时，将传感器阵列与统计或机器学习算法结合，可能进一步提高对复杂气体混合物的模式识别能力和选择性。这不仅有助于提升传感器的性能，也为在灾难救援和法医学领域的应用提供了新的方向。

为了更全面地理解MoTe?在VOCs吸附过程中的行为，本研究采用了先进的计算方法，包括几何优化和分子动力学（MD）模拟。首先，使用GFN1×TB模型进行几何优化，以获得初步的结构松弛结果。随后，通过ADF:BAND模块进行进一步的几何修正，以提高计算的准确性。最终，使用分子动力学方法模拟了实际传感场景中的气体流动和浓度变化，以评估MoTe?在真实环境中的表现。这些计算方法不仅能够提供详细的吸附能数据，还可以揭示电荷转移、电子结构变化以及脱附行为等关键信息。

研究结果表明，MoTe?单层在吸附某些VOCs时，其电子结构会发生显著变化。例如，当吸附吡啶、二甲基三硫醚和辛烷时，MoTe?表现出从半导体到金属的转变，从而增强了其导电性和传感响应能力。这一特性使得MoTe?在检测高浓度或强相互作用的VOCs时具有更高的灵敏度。相比之下，其他VOCs如丁醇、己醛、庚烷、二甲基二硫醚和吡啶则表现出更强的吸附能力，而甲胺、苯和甲苯则表现出较弱的吸附行为。这种差异可能与VOCs的极性、分子结构以及与MoTe?表面的相互作用方式有关。

为了进一步验证这些计算结果，研究人员还分析了MoTe?在吸附不同VOCs时的电荷转移情况。结果显示，某些VOCs如吡啶和二甲基三硫醚能够引起显著的电荷转移，从而改变MoTe?的电子结构。这种电荷转移不仅影响传感器的导电性，还可能改变其对其他气体的响应能力。因此，理解电荷转移机制对于优化传感器的性能至关重要。此外，研究人员还分析了MoTe?在吸附不同VOCs时的电子局域函数（ELF）和费米面变化，以评估其对电子结构的影响。这些分析为揭示MoTe?与VOCs之间的相互作用机制提供了重要的理论依据。

本研究的发现表明，MoTe?单层在检测与人体分解相关的VOCs方面具有显著潜力。其较高的吸附能、较强的电荷转移能力和改善的电子结构，使其成为一种高效的纳米传感器材料。然而，MoTe?在室温下的灵敏度较低，这可能是由于热激活过程的限制。因此，未来的实验研究应探索如何通过优化材料结构或引入其他元素来提高其在室温下的检测性能。此外，研究还指出，MoTe?在实际应用中需要考虑环境因素的影响，如湿度和共存气体的存在，以确保其在复杂环境中的稳定性和可靠性。

综上所述，本研究通过密度泛函理论对MoTe?单层与多种VOCs的吸附行为进行了系统分析，揭示了其在实际应用中的潜力和挑战。研究结果表明，MoTe?单层在吸附某些VOCs时，其电子结构会发生显著变化，从而增强其导电性和传感响应能力。这一特性使其成为一种有前景的纳米传感器材料，尤其适用于灾难救援和法医学领域的应用。然而，为了进一步提升其在实际环境中的表现，还需要解决其在室温下的灵敏度问题以及环境噪声对检测结果的影响。未来的研究应着重于优化材料性能、验证实际应用效果，并探索将其集成到便携式或可穿戴检测系统中的可能性。这些努力将有助于推动基于VOCs的纳米传感技术的发展，为提高灾难救援和受害者检测的效率提供新的解决方案。