对CD-、Fe-和Zn-金属卟啉上VOC（挥发性有机化合物）吸附的理论研究：迈向用于早期肺癌检测的无创呼吸传感技术

《Inorganic Chemistry Communications》：Theoretical investigation of VOC adsorption on cd-, Fe-, and Zn-Metallo-Porphins: toward non-invasive breath sensing for early lung Cancer detection

肺癌早期诊断中金属掺杂卟啉传感器研究。采用DFT、TD-DFT等理论计算分析Fe、Cd、Zn掺杂卟啉的电子结构、振动光谱及与VOCs（苯、异戊二烯、苯乙烯、甲基苯乙烯）的相互作用，发现ZnP具有最窄的HOMO-LUMO间隙和最高电子柔性，适合可重复使用传感器；FeP吸附能最高且结构稳定，CdP吸附能较低但更有利于气体脱附。研究证实金属掺杂显著调控卟啉传感性能，为开发选择性、稳定性和可重复性强的肺癌呼出气VOCs检测材料提供理论依据。

　　检测早期肺癌通过呼气分析正逐渐成为一种有前景的方法，这主要得益于呼出气体中存在的一些挥发性有机化合物（VOCs），例如苯、异戊二烯、苯乙烯和甲基苯乙烯。这些VOCs在肺癌患者的呼气中常被检测到，并且其浓度在早期阶段的患者中往往高于健康人或患有其他肺部疾病（如慢性阻塞性肺病或感染）的患者。因此，研究这些化合物在呼气中的变化对于早期肺癌的诊断具有重要意义。

本研究重点探讨了金属掺杂的卟啉框架，特别是铁（Fe）、镉（Cd）和锌（Zn）作为这些VOCs的潜在传感器。通过密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TD-DFT），我们分析了这些掺杂材料的结构、电子、振动和光学特性。此外，我们还采用了量子理论分析（QTAIM）、反应路径分析（RDG）和穆尔肯电荷计算等方法，以明确这些掺杂材料与VOCs之间的相互作用性质。研究结果表明，所有金属掺杂的卟啉保持了共价的M–N配位，并且保留了π共轭结构，这是传感器功能的关键。值得注意的是，锌掺杂的卟啉（ZnP）表现出最窄的HOMO–LUMO间隙和最高的电子软度，这表明其在传感器应用中具有较强的潜力。

模拟退火和分子动力学模拟进一步确认了这些材料对VOCs的吸附能力，尤其是在甲基苯乙烯的吸附中，其吸附能可达-15.26 kcal/mol，主要由范德华相互作用主导。能量图谱和径向分布函数（RDF）图进一步说明了稳定的吸附几何结构，而相互作用特征则因金属掺杂种类不同而有所变化。在研究的这些框架中，铁掺杂的卟啉（FeP）表现出最强的结合亲和力和结构刚性，而ZnP则具有更可逆的吸附行为，这表明其在传感器可重复使用性方面具有优势。

总的来说，这些研究结果强调了金属掺杂的卟啉，尤其是FeP和ZnP，作为具有选择性、热稳定性和可重复使用性的传感器候选材料，能够检测痕量水平的肺癌相关VOCs。尽管这些VOCs尚未被确认为临床意义上的生物标志物，但多项临床研究已经表明，苯、异戊二烯、苯乙烯和甲基苯乙烯在早期肺癌患者的呼气中均显示出升高的趋势，这进一步突显了它们作为早期诊断标志物的潜在价值。

呼气分析作为一种非侵入性的方法，近年来受到越来越多的关注。相较于传统的血液或组织活检，呼气分析更加便捷、安全，且可以实现实时监测。这种方法的可行性在于呼出气体中存在多种VOCs，这些化合物的浓度和种类可以反映体内代谢状态的变化。例如，苯和异戊二烯等化合物的浓度在肺癌患者中通常显著高于健康人，而这些化合物的检测可能有助于疾病的早期发现。

在这一背景下，研究金属掺杂的卟膦（porphin）作为传感器材料具有重要的意义。卟啉是一种基础的环状结构，它构成了更复杂的卟啉类化合物的核心骨架。与取代的卟啉不同，卟啉仅由基本的四吡咯环组成，没有额外的取代基。因此，它为研究金属配位对电子性质和吸附行为的影响提供了一个简洁的理论平台，同时也避免了外围取代基可能带来的干扰。通过将铁、镉和锌等金属引入卟啉的中心腔，我们构建了三种不同的金属掺杂材料，这些材料能够用于检测与肺癌相关的VOCs。

近年来，研究者们对金属卟啉类材料进行了广泛探讨，但大多数研究集中在铁和锌掺杂系统，这些系统通常用于检测气体如二氧化碳、氮氧化物或硫化氢。相比之下，针对肺癌相关VOCs的研究仍然较为有限。此外，尽管镉具有独特的离子半径和充满的d壳层，这些特性可能显著影响吸附行为，但目前对镉掺杂的卟啉尚未进行全面研究。因此，本研究旨在填补这一空白，通过直接评估FeP、CdP和ZnP对四种代表性VOCs的响应，为理解金属掺杂如何改变卟啉的传感特性提供新的视角。

为了实现这一目标，我们采用了基于密度泛函理论（DFT）的计算方法，对金属掺杂的卟啉系统进行了系统研究。我们分析了这些材料在选定VOCs上的吸附行为和光谱响应，并评估了关键的电子描述符，如HOMO–LUMO间隙、电荷转移和偶极矩。此外，我们还使用穆尔肯电荷和非共价相互作用（NCI）分析来表征这些材料与VOCs之间的相互作用性质和强度。通过这一系列计算方法，我们的研究为理解金属掺杂如何改变卟啉的传感特性提供了全面的视角，并支持了基于卟啉的传感材料在呼气诊断中的合理设计。

在计算方法上，我们采用了一种综合的计算方法，结合量子化学计算与经典模拟方法。分子几何结构的优化和振动性质的评估是通过Gaussian 16在B3LYP理论水平上进行的。对于过渡金属（Fe、Cd、Zn），我们使用了LANL2DZ基组，而对于主族元素则使用了6-31G(d,p)基组。通过这种方式，我们确保了计算的准确性，并且验证了这些结构是否处于真正的能量最低点。我们通过排除虚频来确认结构的稳定性，从而确保了研究结果的可靠性。

在优化的结构中，FeP、CdP和ZnP的结构变化显著。铁掺杂的卟啉表现出较长的Fe–N键长，这与已报道的金属卟啉类材料的键长范围相符。锌掺杂的卟啉则显示出更短的Zn–N键长，这与锌较小的离子半径一致。而镉掺杂的卟啉则表现出不同的键长特征，这可能是由于镉的离子半径和电子性质与铁和锌有所不同。这些键长的变化不仅影响了材料的结构稳定性，还可能影响其与VOCs的相互作用能力。

除了结构优化，我们还研究了这些材料的吸附行为和能量特性。通过模拟退火和分子动力学模拟，我们发现这些材料对VOCs的吸附能力较强，尤其是在甲基苯乙烯的吸附中，其吸附能较高。这些吸附行为主要由范德华相互作用主导，这表明这些材料能够有效地与VOCs结合。同时，我们还通过能量图谱和径向分布函数（RDF）图进一步分析了吸附几何结构的稳定性，这些结构的变化可能影响材料的传感性能。

此外，我们还研究了这些材料的电子性质和化学反应性。通过DFT和TD-DFT计算，我们分析了这些材料的HOMO–LUMO间隙、电荷转移和偶极矩等关键参数。这些参数的分析有助于理解材料的电子行为，以及其在传感过程中的响应能力。我们发现，ZnP具有最窄的HOMO–LUMO间隙和最高的电子软度，这表明其在传感过程中具有更强的响应能力。相比之下，FeP表现出最强的结合亲和力和结构刚性，这可能使其在检测VOCs时更加稳定和可靠。

我们的研究还涉及了这些材料的光谱响应。通过模拟红外（IR）和紫外-可见（UV–Vis）光谱，我们分析了这些材料在吸附VOCs后的光谱变化。这些变化可能与材料的电子结构和化学反应性有关，从而影响其在传感过程中的表现。我们发现，这些材料的光谱响应在不同金属掺杂情况下表现出一定的差异，这进一步说明了金属掺杂对材料性能的影响。

在研究过程中，我们还考虑了这些材料的局限性。首先，所有计算均在气相中进行，未考虑溶剂效应或环境条件如压力和湿度。这些因素可能在实际应用中影响气体吸附行为，因此在未来的实验研究中需要进一步考虑。其次，我们使用了B3LYP泛函，尽管它在计算成本和准确性之间取得平衡，但已知其在物理吸附系统中会低估色散和电荷转移相互作用。因此，在未来的计算中可能需要采用更精确的泛函或方法来弥补这一不足。

此外，我们还采用了LANL2DZ基组和有效核心势（ECP）来计算过渡金属的性质，这可能影响材料的电子行为和吸附能力。因此，在未来的计算中需要进一步优化基组的选择，以确保计算结果的准确性。同时，我们还通过多种计算方法，如QTAIM、RDG和MD模拟，对材料的吸附行为和相互作用性质进行了全面分析，这有助于理解金属掺杂如何改变材料的传感特性。

我们的研究结果表明，金属掺杂的卟啉在检测肺癌相关VOCs方面具有较大的潜力。FeP表现出最强的结合亲和力和结构刚性，这可能使其在实际应用中更加稳定和可靠。ZnP则表现出更可逆的吸附行为，这可能使其在可重复使用性方面具有优势。这些结果为开发基于卟啉的传感器材料提供了重要的理论支持，并有助于理解金属掺杂如何影响材料的传感性能。

在临床研究中，这些VOCs的检测可能有助于疾病的早期发现。尽管它们尚未被确认为临床意义上的生物标志物，但多项临床研究已经表明，这些化合物在肺癌患者的呼气中显示出升高的趋势。因此，它们可能成为早期诊断的重要指标。通过研究这些材料的传感特性，我们希望能够为开发更加精确和高效的呼气诊断方法提供理论支持。

此外，我们的研究还强调了金属配位对材料性能的影响。通过将铁、镉和锌引入卟啉的中心腔，我们构建了三种不同的掺杂物系，这些系统能够用于吸附和传感VOCs。这些材料的结构和电子性质在不同金属掺杂情况下表现出一定的变化，这进一步说明了金属配位对材料性能的影响。这些研究结果为开发基于卟啉的传感器材料提供了重要的理论依据，并支持了未来在呼气诊断中的应用。

综上所述，本研究通过系统的理论分析，探讨了金属掺杂的卟啉在检测肺癌相关VOCs方面的潜力。通过结合多种计算方法，我们分析了不同金属掺杂对材料结构、电子性质和吸附行为的改变。研究结果表明，FeP和ZnP在传感性能方面表现出不同的优势，这为开发更加高效和可靠的呼气诊断方法提供了重要的参考。尽管这些VOCs尚未被确认为临床意义上的生物标志物，但它们在呼气中的浓度变化可能成为早期诊断的重要指标。我们的研究结果不仅为理解金属掺杂对材料性能的影响提供了新的视角，也为未来开发基于卟啉的传感器材料提供了重要的理论支持。