镀铂的BN纳米笼作为一种有效的传感器材料，可用于检测5-氟尿嘧啶这种抗癌药物

纳米材料检测抗癌药物5-氟尿嘧啶的研究，采用密度泛函理论计算发现铂修饰的BN纳米笼（Pt@BNNC）对5-FU的吸附能（-49.11 kcal/mol）显著高于未修饰的PBNNC（-9.27 kcal/mol），且电子敏感性增强57.08%，工作函数变化46.15%，证实Pt@BNNC作为5-FU电子传感器的可行性。

　　

周毅修|阿卜杜勒萨拉姆·阿卜杜勒萨塔尔·阿卜杜勒阿齐兹|G.帕德玛·普里亚|苏巴什里·雷|阿姆里塔·帕尔|尤素福贝·尤苏波夫|法兹利丁·贾利洛夫|洛拉·萨法罗娃|阿西尔·斯梅拉特|沙哈德·穆萨纳·卡西姆|阿里·G·阿尔卡塔米

美国亚利桑那州立大学坦佩校区雷鸟全球管理学院，菲尼克斯，亚利桑那州85004

摘要

最近的研究表明，氮化硼纳米笼（BNNCs）具有作为传感器检测生物化合物（特别是药物）的能力。当前的研究重点是通过密度泛函理论（DFT）方法评估原始（PBNNC）和铂修饰（Pt@BNNC）氮化硼纳米笼对抗癌剂5-氟尿嘧啶（5FU）的电子敏感性。具体来说，计算是在DFT-D3水平上进行的，使用了B3LYP交换相关泛函和6–31++G(d,p)基组，系统地探讨了5FU在PBNNC和Pt@BNNC上的吸附结构、电子和能量特性。研究结果表明，5FU在PBNNC上的物理吸附能量为E_ads –9.27 kcal/mol，而在Pt存在下，这种相互作用增强为中等程度的化学吸附，能量为E_ads = –49.11 kcal/mol，并且在室温条件下具有可接受的回收时间（τ = 9.87 × 10^-2秒）。进一步研究了电子响应性，发现Pt@BNNC的敏感性显著提高，其带隙（ΔE_gap）相对于PBNNC变化了57.08%。此外，还评估了将该系统作为基于功函数的传感器的可行性；Pt修饰后功函数的变化最为明显，变化幅度为46.15%。综上所述，考虑到带隙调制和功函数变化，可以得出结论：Pt@BNNC是一种稳定且适合用于环境应用中选择性电子检测5FU分子的候选材料。

引言

由于5-氟尿嘧啶（5FU）在癌症治疗中的疗效，它在生物医学领域具有重要地位[1]。已经开发并使用了金属-药物偶联物作为5FU的控制释放前体药物，以减轻抗癌药物常见的不良反应[1]，[2]。关于5FU作为抗癌化合物的研究非常广泛，特别是在药物递送系统（DDSs）的背景下[2]。已经鉴定并评估了许多基于尿嘧啶的衍生物的抗癌特性[2]。目前，5-FU被广泛认为是治疗结直肠癌的有效化疗药物[3]。为了最大化5-FU的临床效益同时最小化不良反应，迫切需要开发精确、灵敏和快速的分析方法来定量其在生物样本中的含量。为此，已经探索了多种分析方法来准确检测5-FU[4]。文献中记录了多种用于生物样本中5-FU选择性定量的分析方法，包括液相色谱技术[5]，[6]，[7]，光谱荧光和分光光度法[8]，[9]，以及电化学检测方法[11]，[12]，[13]，[14]。

已经对氟他胺进行了广泛的科学研究，通过计算方法和DFT分析来评估其传感特性。许多研究集中于阐明氟他胺与各种基底纳米材料之间的相互作用，以推动生物传感技术的发展[15]，[16]，[17]，[18]。利用先进的计算方法，特别是DFT，研究小组研究了氟他胺分子在掺杂铜、镍和锌原子的纳米结构上的吸附能量和反应性[19]，[20]。目前，纳米材料在广泛的科学学科和工业领域中得到了广泛应用[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。纳米材料的广泛应用归因于它们所具有的独特性质[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。在这些性质中，生物相容性尤为重要，特别是对于生物医学应用，包括生物传感设备和靶向DDSs。生物传感器被定义为一种用于识别和定量特定生物分析物的仪器[31]，[32]，[33]，[34]。生物传感器在新型治疗方法的发展中发挥着关键作用，并且是疾病诊断的高灵敏度工具[35]，[36]，[37]，[38]，[39]。

近年来，研究界对基于氮化硼的纳米材料（包括氮化硼纳米管（BNNTs）、二维六方氮化硼（h-BN）、纳米簇（如B₆N₆）和氮化硼纳米笼（(BNNC)_n）作为有毒气体传感器和DDSs的应用表现出日益增长的兴趣。这种兴趣源于它们合适的属性，包括短恢复时间、高灵敏度和快速检测能力。然而，原始B₁₂N₁₂纳米笼在传感器技术中的实际应用常常受到其与分析物表面相互作用较弱的限制，这限制了它们的整体传感性能[40]，[41]，[42]。将过渡金属（TMs）掺入纳米结构显著影响了它们的物理化学性质。值得注意的应用包括WO₃在丙酮检测中的应用，对各种X₁₂Y₁₂纳米笼的气体吸附进行了全面研究，以及使用DFT方法研究铜修饰氮化硼纳米笼上的光气吸附行为[42]，[43]。还利用DFT模拟了外部电场对涉及有毒气体的气体-表面相互作用的影响。此外，它还被用于评估大环化合物在氧还原反应中的应用，以及在铜修饰的B₁₂N₁₂纳米笼上检测一氧化氮（NO）[40]，[44]。这些应用突显了DFT在推进气体传感纳米材料研究和设计方面所起的关键作用。在这方面，Silva等人[45]进行了广泛的文献综述，重点研究了未修饰和修饰的B₁₂N₁₂纳米笼在有毒气体检测中的应用，特别是使用DFT作为主要计算框架的研究。先前关于原始和掺杂BN纳米管（如Ni掺杂的BNNTs和Al-/Ga掺杂的BNNTs）的理论研究表明，5-FU的吸附适中，并且电子性质发生了显著变化，表明这些纳米结构可能是潜在的载体或传感器[46]，[47]。同样，Si修饰的BN单层和Zn₁₂S₁₂纳米笼也被提出用于5-FU的吸附和递送，但它们的吸附强度和电子响应通常未针对可逆传感进行优化[48]。在实验方面，各种改性电极（例如Fe₂O₃@CoFe₂O₄/GO纳米复合材料、CuFe₂O₄纳米颗粒和其他基于碳的纳米结构平台）已经显示出对5-FU的灵敏电化学测定，具有低检测限和宽线性范围[49]，[50]，[51]。然而，许多系统仍然面临长期稳定性、干扰和在复杂介质中的再生等挑战。在此背景下，本文研究的Pt修饰B₁₂N₁₂纳米笼旨在结合与5-FU的强而可恢复的相互作用以及明显的电子响应，从而在物理吸附的理论载体和高度灵敏但再生能力较差的实验电极之间占据了一个独特而合适的位置。

根据现有文献，尚未发现任何研究探讨用过渡金属（TMs）修饰B₁₂N₁₂纳米笼（BN纳米笼（BNNCs）以研究其对5FU的吸附行为和传感能力。因此，本工作的目标是在DFT水平上进行理论研究，评估用过渡金属（特别是铂（Pt）修饰BNNC对其与5FU相互作用的影响。本研究还旨在评估Pt修饰BNNC作为环境检测5FU的合适材料的可能性。

计算细节

所有几何优化和能量计算均使用Gaussian 09计算软件包[52]完成。计算采用了密度泛函理论（DFT），具体使用了Becke、三参数Lee–Yang–Parr（B3LYP）混合交换相关泛函作为理论框架[53]，[54]。所有计算均使用B3LYP泛函进行。B、N、F和H原子采用6-31++G(d,p)基组，而LanL2DZ基组用于

5FU在PBNNC上的吸附

图1展示了5FU的优化分子结构、最高占据轨道（HOMO）和分子静电势（MEP）图。计算得到的键长和键角与先前理论和实验报告的数据高度一致[59]。MEP图的分析表明，5FU分子中的氧和氟原子具有很强的亲核性，这归因于它们的孤对电子。这些富电子位点能够与

结论

通过密度泛函理论（DFT）估计，研究了5-氟尿嘧啶（5FU）在原始氮化硼纳米笼（PBNNC）和铂修饰氮化硼纳米笼（Pt@BNNC）上的吸附行为，以评估它们作为5FU检测电子传感器的适用性。计算结果表明，5FU与Pt@BNNC之间的相互作用比与PBNNC的相互作用更强。

CRediT作者贡献声明

G. 帕德玛·普里亚：资源、方法论、研究、数据管理。苏巴什里·雷：资源、方法论、研究。阿姆里塔·帕尔：写作——审稿与编辑、数据管理、概念化。尤素福贝·尤苏波夫：资源、方法论、研究、形式分析。法兹利丁·贾利洛夫：软件、资源。洛拉·萨法罗娃：方法论、研究、形式分析、数据管理。阿西尔·斯梅拉特：方法论、研究、形式分析、数据管理。沙哈德·穆萨纳·卡西姆：可视化，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国王哈立德大学的科学研究院通过大型研究项目（项目编号RGP.02/534/44）资助了这项工作。