Graphene as a Sensor for Lung Cancer: Insights into Adsorption of VOCs Using vdW DFT

Bài báo thuộc danh mục ISI-Scopus do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- Giảng viên Vật lý khoa Khoa học cơ bản – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội và TS. Phùng Thị Việt Bắc- Trường VinUNI; GS. Đinh Văn An- Đại học Osaka, Nhật Bản; Trần Quang Huy- Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2; TS. Lương Thị Thêu- Đại học Hòa Bình xuất bản ngày 03 tháng 01 năm 2024 trên tạp chí ACS OMEGA (Q1).

Bài báo này nhóm tác giả đã nghiên cứu một cách có hệ thống cơ chế hấp phụ của ethanol, benzen và toluene trên graphene bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ có tính đến tương tác van der Waals. Nghiên cứu đã xác định được các cấu hình bền của hệ thống hấp phụ, thế năng lượng hấp phụ dọc theo bề mặt graphene, sự trao đổi điện tích và công hoạt động. Năng lượng hấp phụ được tính toán bằng revPBE-vdW, phù hợp khá tốt với dữ liệu thực nghiệm. Năng lượng hấp phụ thấp nhất khi hấp phụ ethanol và cao nhất đối với toluene. Phiếm hàm revPBE-vdW mô tả khá tốt cơ chế vật lý của quá trình hấp phụ các khí VOC trên graphene. Điện tích chuyển từ đế lên khí ethanol, benzen và toluene lần lượt là 0,064 e, 0,043 e và 0,061 e, phù hợp với hình ảnh về sự phân bố điện tích. Sự hấp phụ khí VOC có thể làm giảm độ dẫn điện của graphene dùng để xác định sự có mặt của khí VOC. Các mức năng lượng trong vùng hóa trị của khí được dự đoán bị nâng lên gần mức Fermi hơn khi tương tác với graphene. Nhóm tác giả dự đoán rằng sự tương tác của các phân tử khí VOC với eletrons ở trạng thái π và π* của các nguyên tử C trong graphene sẽ phá vỡ tính đối xứng của graphene, dẫn đến việc mở vùng cấm khoảng 5–12 meV. Nhóm tác giả nghiên cứu nhận thấy graphene rất nhạy cảm với khí VOC và có thể ứng dụng để chế tạo cảm biến phạt hiện ung thư phổi sớm thông qua đo nồng độ VOC trong khí thở. Nghiên cứu này mở đường cho các nghiên cứu tiếp theo về graphene và các vật liệu 2D khác hướng tới phát triển các cảm biến sinh-hóa tiên tiến hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Abstract: The adsorption mechanism of individual volatile organic compounds (VOCs) on the surface of graphene is investigated using nonempirical van der Waals (vdW) density functional theory. The VOCs chosen as adsorbates are ethanol, benzene, and toluene, which are found in the exhaled breath of lung cancer patients. The most energetically favorable configurations of the adsorbed systems, adsorption energy profiles, charge transfer, and work function are calculated. The fundamental insight into the interactions between the considered VOC molecules and graphene through molecular doping, i.e., charge transfer, is estimated. It is found that the adsorption energy is highly sensitive to the vdW functionals. Adsorption energies calculated by revPBE-vdW are in good agreement with the available experimental data, and the revPBE-vdW functional can cover well the physical phenomena behind the adsorption of these VOCs on graphene. Bader charge analysis shows that 0.064, 0.042, and 0.061e of charge were transferred from the graphene surface to ethanol, benzene, and toluene, respectively. All of the considered VOCs act as electron acceptors from graphene. By analyzing the electronic structure of the adsorption systems, we found that the energy level of the highest occupied molecular orbitals of these considered VOCs is shifted backward toward the Fermi level. The interaction of the VOCs with the π and π* states of the C atoms in graphene breaks the symmetry of graphene, leading to the opening of a band gap at the Fermi level. The adsorption of these considered VOCs onto the pristine graphene produces a band gap of 5–12 meV.

Keywords: Adsorption; Aromatic compounds; Hydrocarbons; Two dimensional materials; Volatile organic compounds

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsomega.3c06159

Một vài hình vẽ trong bài báo