基于第一性原理的研究：掺磷的SnS2单层薄膜作为乳腺癌诊断的有前景的生物传感器

《Chinese Journal of Physics》：First-Principles Investigation of Phosphorus-Doped SnS2 Monolayer as a Promising Biosensor for Breast Cancer Diagnosis

基于第一性原理计算，本研究系统探究了SnS?单层及其磷掺杂（P@SnS?）对乳腺癌相关挥发性有机化合物（VOCs）的吸附行为与电子响应机制。结果表明磷掺杂显著降低带隙（从1.50 eV降至1.37 eV），诱导p型半导体特性，增强VOCs（如正丙醇、2-丁酮等）的化学吸附亲和力，并展现出高脱附温度和长恢复时间，为开发非侵入式、高灵敏度的电阻型生物传感器提供了理论依据。

　　

Nayab Ul Malik|K.P. Tiwari|Imran Ullah|Mohan L. Verma

物理系，Government E，Raghavendra Rao研究生科学学院，Bilaspur，495006，恰蒂斯加尔邦，印度

摘要

如果癌症在早期被诊断出来，患者的生存率会大大提高，而纳米生物传感器是实现早期检测的有希望的平台。然而，对于低浓度挥发性有机化合物（VOCs）和乳腺癌生物标志物来说，实现高灵敏度仍然具有挑战性。在这项研究中，我们利用密度泛函理论（DFT）计算来研究原始SnS₂和磷掺杂的SnS₂（P@SnS₂）单层作为潜在的纳米生物传感器，用于检测与乳腺癌相关的VOCs，包括庚醛、2-丙醇、2-丁酮和2-壬酮。我们发现这两种系统在热力学和动力学上都是稳定的。磷掺杂显著降低了带隙，从1.50 eV（自旋向上）降至1.37 eV（自旋向下），并诱导出p型导电性，同时改变了费米能级附近的态密度。吸附结果表明，P@SnS₂对所研究的VOC分子表现出更强的吸附亲和力和高灵敏度。此外，较高的脱附温度和较长的恢复时间表明，P-SnS₂单层可以作为电阻型生物传感器，用于乳腺癌的早期检测。我们的计算旨在为实验人员提供传感纳米材料，以促进乳腺癌预后的研究进展。

引言

乳腺癌是全球主要的死亡原因之一，每年有数百万人因此遭受身体和心理上的影响[1]，[2]。乳腺癌的常见症状，如肿块、大小或形状的变化、皮肤凹陷以及乳头改变，在早期阶段通常很难察觉，或者根本不存在。因此，乳腺癌经常在晚期才被发现，此时治疗选择有限，预后也较差[3]，[4]。在乳腺癌的发展过程中，它会释放出DNA（ctDNA）、蛋白质、代谢物、微RNA和外泌体[5]等生物分子。这些分子的相对水平会随着疾病状态的变化而变化；它们之间的平衡变化可以作为乳腺癌筛查和诊断的有用生物标志物。现有的乳腺癌筛查方法，如乳腺X光摄影和活检，具有侵入性和成本高昂的特点，往往需要重复成像程序，这给患者带来了不适和焦虑，但仍不足以实现可靠的早期检测[6]。因此，开发一种易于操作、非侵入性、成本低廉且准确的筛查技术对于乳腺癌的早期诊断非常重要。在这方面，呼吸和尿液分析受到了越来越多的关注，因为多项研究报告了乳腺癌患者体内存在微量特定挥发性有机化合物（VOCs）。尽管VOCs已成为乳腺癌检测的有希望的非侵入性指标，但由于与其他病理状况的代谢重叠，单个VOCs很少具有疾病特异性。因此，最近的临床研究强调了基于多种VOCs组合的预测模型的使用，而不是依赖单一生物标志物，因为这种方法显著提高了准确性和区分能力[7]。特别是，包含醛类、酮类和醇类的VOC特征在区分乳腺癌患者和健康对照组方面表现出高灵敏度。这种选择使我们能够详细评估官能团化学在调控吸附行为、电荷转移和电子响应中的作用，这些都是理解传感器灵敏度和选择性的关键参数。虽然所选的VOCs并不被认为专门针对乳腺癌，但它们的综合诊断相关性和在预测性VOC模型中的贡献证明了它们作为本研究中代表性标志物的合理性。然而，还需要进一步的实验和临床研究来完全验证它们对非乳腺癌恶性肿瘤的特异性。然而，VOCs的排放浓度极低，范围在十亿分之一（ppb）到万亿分之一（ppt）之间。这就需要具有超高灵敏度的传感器来可靠地检测这些关键的乳腺癌生物标志物[7]，[8]，[9]，[10]。

二维（2D）材料在过去几十年中因其独特的电子和化学特性而引起了极大的兴趣，使其成为光电子学、能源设备、催化、生物传感和环境监测等多种技术的理想候选材料[11]，[12]，[13]，[14]。在化学电阻生物传感中，2D材料的厚度通常仅为一到几个原子层，这种结构提供了高的表面积与体积比，使得它们能够与生物分子（例如蛋白质、VOC生物标志物或代谢物）充分接触，从而实现显著的灵敏度响应，使其成为选择性、灵敏和稳定的生物传感器的理想选择。这类生物传感器的基本工作原理依赖于生物分子-表面相互作用引起的电导率调制，遵循关系式$\sigma =\rho \mu e$，其中ρ表示载流子密度，μ代表载流子迁移率，e表示元素电荷[15]。表面吸附现象通过改变载流子浓度或传输迁移率来引起可测量的电阻变化，这一特性可以在多种2D半导体中系统地工程化[16]。在各种2D材料类别中，如石墨烯及其衍生物、六方氮化硼、碳氮化物、过渡金属硫属化合物（TMDs）、金属氧化物、锗烯和硅烯等，许多材料已被探索用于传感应用[15]，[17]，[18]，[19]，[20]。大多数关于特定VOCs的研究都是在TMDs上进行的，如WS₂、WSe₂、WTe₂、MoSe₂和MoS₂。相比之下，关于后过渡金属硫属化合物（PTMDs）如SnS₂的报道较少，主要集中在金属掺杂系统上，尽管这些系统也具有成本效益。

此外，通过单原子掺杂对2D材料进行表面修饰已成为一种有效的策略，可以在保持宿主晶格内在电子结构的同时增强传感性能。单掺杂剂的最大化利用避免了团簇的形成，并能够在原子尺度上精确调节电荷分布和吸附强度，这对于生物传感应用特别有利。我们选择磷（P）作为SnS₂单层的掺杂剂，因为原始表面被化学惰性的硫（S）原子钝化，这限制了活性位点的数量并削弱了气体吸附。磷掺杂有效地调节了电子结构，提高了电导率，并促进了与吸附分子的更强电荷转移。此外，磷在SnS₂中的掺入在能量上是有利的，表明在晶格内的替代是稳定的。磷和硫相似的共价半径和化学亲和力进一步促进了替代掺杂和稳定的P–Sn键的形成[21]，[22]，[23]。

在这项研究中，我们研究了原始SnS₂和P@SnS₂单层的结构、电子性质以及它们与与乳腺癌相关的VOCs（包括庚醛、2-丙醇、2-丁酮和2-壬酮）的相互作用。这项工作的新颖之处在于证明了在S位点引入磷掺杂后，SnS₂单层的带隙减小，并在费米能级附近引入了额外的态。此外，原始SnS₂对VOCs的物理吸附行为转变为化学吸附，使其成为电阻型生物传感器的有希望的候选材料。此外，这项工作旨在提供关于吸附机制和电子响应的原子级见解，而设备级别的性能指标（如检测限和湿度效应）超出了第一性原理计算的范围。通过第一性原理计算，评估了吸附能量、总态密度（TDOS）、投影态密度（PDOS）、能带结构、差分电荷密度（DCD）分析、静电势、功函数调制、脱附温度、恢复时间、热力学分析以及外部电场对电荷转移和费米能级调制的影响，以了解VOCs与原始SnS₂和P@SnS₂单层相互作用的确切机制。

方法论

使用Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函和广义梯度近似（GGA）对原始SnS₂和P@SnS₂单层的结构、电子和稳定性性质进行了研究，该泛函用于交换-相关相互作用，实现方式是在西班牙电子模拟千原子计划（SIESTA）软件包中[24]，[25]，[26]，[27]。众所周知，PBE泛函倾向于低估绝对带隙值

原始SnS₂和P@SnS₂单层的几何分析和结构优化

对于原始SnS₂，放松后的平面晶格常数为3.70 ?，最近邻Sn–S键长为2.61 ?，Sn–S–Sn和Sn–S–Sn的键角分别为90.4^°，表明Sn原子周围形成了未畸变的八面体配位。在磷替代后，晶格畸变可以忽略不计，晶格常数几乎保持不变，仍为3.71 ?，键长（Sn–X，其中X表示S或P）为2.62 ?，键角也略有变化（Sn–P–S =

结论

利用第一性原理DFT计算，我们系统地研究了SnS₂单层中的磷掺杂，并评估了P@SnS₂对四种典型乳腺癌相关VOCs的吸附行为，以评估其作为电阻型生物传感器的潜力。单个磷原子可以稳定地掺入SnS₂单层中，具有强结合能和高化学稳定性，而不会引起显著的晶格畸变。P@SnS₂单层对所有四种VOCs都表现出强烈的化学吸附

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Chat GPT来改进手稿的语言和可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

Nayab Ul Malik：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，软件，资源，方法论，研究，形式分析，数据整理，概念化。K.P. Tiwari：写作 – 审稿与编辑，监督。Imran Ullah：写作 – 审稿与编辑，软件，方法论，研究，概念化。Mohan L. Verma：写作 – 审稿与编辑，监督，软件，概念化。

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