贾梅拉·S·阿尔-奥塔伊比（Jamelah S. Al-Otaibi）、Y·希娜·玛丽（Y.Sheena Mary）、乌纳蒂·杰塔瓦（Unnati Jethawa）、布拉赫马南达·查克拉博尔蒂（Brahmananda Chakraborty）、玛丽亚·克里斯蒂娜·甘贝里尼（Maria Cristina Gamberini）
沙特阿拉伯利雅得努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学（Princess Nourah Bint Abdulrahman University）科学学院化学系，邮政信箱84428，邮编11671
**摘要**
本研究采用密度泛函理论（DFT）对两种吡咯衍生物（PYI和PYII）在Al12N12和Al12P12类富勒烯纳米笼子上的吸附行为进行了全面分析，旨在评估它们在传感和药物输送应用中的适用性。研究内容包括几何结构优化、吸附能计算、电子结构分析、分子描述符以及溶剂效应，所用理论水平为wB97XD/SDD。PYI和PYII均表现出自发的、放热的化学吸附现象，尤其是在水介质中，Al12P12的吸附效果更为显著。吸附作用导致电荷分布明显改变、HOMO-LUMO能隙减小、偶极矩和极化率增加，以及前线轨道分布的显著调整，这些变化均表明其电子反应性增强且与纳米笼子的表面相互作用更强。紫外-可见光谱（UV-Vis）和拉曼光谱（Raman）分析进一步显示，吡咯与纳米笼子之间存在强烈的耦合，表现为吸收峰的红移、吸收强度降低以及表面增强拉曼散射（SERS）现象。自然键轨道（NBO）和简化密度梯度（RDG）分析揭示了主要的超共轭相互作用及混合的吸引/范德华力作用，这些作用稳定了吸附复合物。与单独的吡咯相比，吸附后的体系与乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，1EVE）的分子对接实验显示结合亲和力显著提高，这为靶向治疗应用提供了可能。综上所述，基于铝的纳米笼子在吡咯传感、光催化增强及药物载体方面具有巨大潜力。
**1. 引言**
由于导电聚合物（CPs）在生物电子学、生物医学、屏蔽技术及显示材料等领域的广泛应用，近年来受到了越来越多的关注[1]–[7]。这些材料具有高迁移率、优异的稳定性、光学透明性和低加工温度等特殊机械和电气性能[8]–[9]。其导电性源于离域的π电子，为电子流动提供了便利。由于无毒、高导电性和易于合成，聚吡咯（polypyrrole）是研究最为深入的导电聚合物之一[10]。光催化剂PY因其出色的氧化还原性能、离子交换能力和成本效益而被专门用于去除和降解环境污染物[11]。然而，环境因素可能导致其导电性下降，从而限制了其应用范围[12]。因此，提高其吸附效率至关重要。通过在聚合物中引入纳米结构可以增加其表面积，使其成为光催化降解多种污染物和药物的有效吸附剂[12]。纳米材料作为掺杂剂可改善聚合物的导电性、溶解性和疏水性，从而提升其光催化活性[13]–[14]。合适的纳米材料应具备吸收大量光子的能力，并作为高效催化剂[15]–[16]。因此，用于光催化应用的半导体材料需具有1.8至2.2 eV的带隙[15]–[16]。Ti2O或ZnO常被用作PY的涂层材料，以增强其导电性和结晶性[17]。此外，复合材料及带隙最小化等策略也被证明能提升PY的性能[18]。
本研究选择Al12N12和Al12P12类富勒烯纳米笼子，是因为它们与分子吸附物之间具有强烈的相互作用潜力、可调的电子性质和结构稳定性，特别适合生物医学和传感应用。先前的理论研究表明，基于铝的纳米笼子通常比基于硼的笼子具有更强的吸附性能（例如Al12N12对多种气体分子的吸附能力更强，表明其反应性和灵敏度更高[19]）。磷的引入会减小HOMO-LUMO能隙并提高极化率，从而改善吸附后的电子响应（如Al12P12与其他III-V族纳米笼子的对比研究所示[20]）。最近的DFT研究还发现，含铝的纳米笼子对药物和污染物的吸附具有显著的电子扰动和高效的化学吸附作用，进一步凸显了其在传感和输送领域的潜力[21]。虽然其他纳米笼子（如B12N12或Be12O12）也用于气体传感和吸附研究，但Al12N12和Al12P12因更强的吸附能量、有利的电子调控及显著的光谱响应特性而成为更优选择。本研究扩展了现有框架，探讨了吡咯衍生物在吸附、电学和光谱信号方面的特性，为基于纳米笼子的传感器和载体的设计提供了有针对性的、广泛适用的参考。
**2. 方法**
DFT计算采用Gaussian16和Gaussview软件完成[47]–[48]，基础设定为SDD，理论水平为wB97XD[49]。药物-纳米笼子复合物及吸附现象属于非共价相互作用、色散力、电荷转移和极化效应显著的系统。wB97XD是一种具有内置长程色散校正的混合泛函。近期关于纳米片-药物系统的研究及使用wB97XD描述非共价结合的结果表明，该泛函在分子吸附和药物-材料相互作用研究中应用广泛，以其可靠的色散和长程电荷转移捕获能力及合理的计算成本而受到认可[50]。尽管可通过与更高水平泛函（如M06 2X、CAM B3LYP）的对比来验证定量准确性，但对于大型复合物而言，此类比较在计算上较为复杂，且不太可能改变结合亲和力和相互作用特征的定性趋势。为准确描述非共价相互作用、长程转移和π-π相互作用（这些对纳米笼子-吡咯吸附系统至关重要），选择了wB97XD泛函。对于色散和电子离域重要的系统，wB97XD等长程校正泛函比传统混合泛函表现更优，尤其在吸附和表面-分子相互作用研究中[51]–[53]。SDD基础设定能保证电子结构和吸附能量的计算精度，同时利用有效核势平衡处理大原子，计算效率高[54]–[55]。B3LYP-D3虽是常用的色散校正泛函，但wB97XD在预测吸附能、前线分子轨道和扩展纳米结构中的电荷转移特性方面更为适用[54]–[55]。所有研究中的复合物均未经任何限制进行了优化。对于每个系统，考虑了一个初始的几何相互作用配置，在该配置中，药物分子与纳米笼表面平行放置，两者之间的间距小于3 Å以获得最大的相互作用，随后进行了完全优化以找到能量最小的复合物。为了验证每个几何结构的最低能量点，进行了频率计算，并确认这些结构确实是能量最小值。这一概念在早期的研究中已被成功应用，用于解释药物和生物分子与这类纳米笼之间的电学特性和相互作用 [56], [57]。用于计算每个复合物结合能的公式是 Ebind = Ecomplex – EPY - Enanocage，其中 Ecomplex、EPY 和 Enanocage 分别代表复合物、PY 和纳米笼的总能量。复合物在几何gCP下进行模拟，该模型可以处理分子间和分子内的BSSE [58]。wB97XD-gCP-D3/SDD能量校正也是从Gimme的Web服务中获得的 [59], [60], [61]。水相中的结合能是通过应用溶剂模型密度（SMD） [62] 来确定的。水相吸附能是使用SMD连续溶剂化模型计算的，该模型能够有效考虑体积溶剂效应，同时提供可靠的结合能趋势。分析了每种化合物的量子分子特性 [63], [64]。RDG等值面和散点图是使用Multiwfn [65] 和 VMD [66] 软件绘制的。
3. 结果
3.1. 吸附和化学性质
图1和S1展示了PYI、PYII以及AlN和AlP纳米笼的几何结构、FMOs和MEP图。优化后的AlN-PYI、AlP-PYI、AlN-PYII和AlP-PYII的几何结构分别显示在图2中。图1c显示，在H原子上存在一个正电荷区域，特别是NH基团，而在PYI和PYII的环上有一个显著的负电荷区域（红色和黄色）。根据MEP图（图S1c），在AlN/P上也可以看到一个中间的负电荷区域。当纳米笼在水相中优化时，没有明显的结构变化。
下载：下载高分辨率图像（197KB）
下载：下载全尺寸图像
图1. PY的（a）优化后的几何结构，（b）FMOs，（c）MEP图。
在AlN-PYI复合物中，通过与PYI的C28/29、N25和H33原子的相互作用，其相互作用距离分别为Al7-C28/29 = 2.33/2.93、N21-C28 = 3.54、Al7-N25 = 3.43、N9-C28 = 3.28 Å和Al7-H33；而在AlP-PYI中，相互作用通过C28、C26、H33和H31，其相互作用距离分别为Al9-C28/26 = 2.41/2.81、Al9-H33/31 = 2.64/3.19 Å。对于AlN-PYII，相互作用通过C33、N38、H40、H43，其相互作用距离分别为Al7-N38 = 2.12、Al7-H40 = 2.52、Al7-C33 = 3.08、N9-H30 = 1.86、Al4-H30 = 3.10、Al7-H43 = 3.02和N9-H40 = 3.19 Å；而在AlP-PYII中，相互作用通过C26、N25、H31、H30和H40，其相互作用距离分别为Al11-C26 = 2.18、Al11-H31 = 2.63、Al11-H30 = 3.09、Al11-N25 = 2.90和P23-H40 = 3.08 Å。真空/水相中的吸附能量（经过BSSE校正）分别为PYI为−25.62、−27.19（-23.98、−25.23）/−33.94、−36.17（-32.22、−35.64） kcal mol−1，对于PYII与AlN和AlP纳米笼的结合能分别为−32.07、−34.03（-31.73、−33.19）/−38.94、−39.42（-37.38、−38.85） kcal mol−1。在AlP上的吸附能量最高，并且在溶剂相中也会增加（表1）。药物在吸附过程中总是相对于纳米笼呈倾斜方向（图2）[67]。
表1. 能量、偶极矩、极化率和吸附能量
系统 能量（Hartree） 偶极矩（Debye） 极化率（A.u） 吸附能量（kcal mol−1）
EgCP-D3 PYI -210.1 1.90 39.68 --
PYII -627.9 2.60 144.73 --
AlN -356 7.24 0.01 287.85 --
AlP -700 6.80 0.00 613.56 --
真空 AlN-PYI -377 7.40 6.89 336.42 -25.62 -23.98
AlP -721 16.96 8.26 639.61 -27.19 -25.23
AlN-PYII -419 5.26 4.35 456.21 -32.07 -31.73
AlP -763 6.82 10.47 775.22 -34.03 -33.19
水 AlN-PYI -377 7.41 8.32 504.14 -33.94 -32.22
AlP -721 16.97 10.61 416.28 -36.17 -35.64
AlN-PYII -419 5.27 5.69 655.00 -38.94 -37.38
AlP -763 6.83 13.07 479.82 -39.42 -38.85
下载：下载高分辨率图像（245KB）
下载：下载全尺寸图像
图2. 优化后的几何结构：（a）AlN-PYI （b）AlP-PYI （c）AlN-PYII （d）AlP-PYII
在PYI中，两个FMOs都位于PYI之上，除了HOMO中的NH；对于PYII，FMOs（图1b）分布在整个区域，除了HOMO和LUMO中的H原子；此外，CH上没有LUMO浓度（图1b）。FMOs的分布大致位于电负性的N、P和电正性的Al上（图S1）[68]。
在AlN-PYI/PYII中，HOMO位于药物之上，而LUMO位于纳米笼之上（图3a和c）。在AlP-PYI中，两个FMOs都位于纳米笼内（图3b）；在AlP-PYII中，HOMO位于纳米笼之上，LUMO位于PYII之上。电子密度的重新分布表明在吸附过程中所有系统都发生了电荷转移[69]。
下载：下载高分辨率图像（262KB）
下载：下载全尺寸图像
图3. （a）AlN-PYI （b）AlP-PYI （c）AlN-PYII （d）AlP-PYII的FMOs
AlN、AlP、PYI和PYII的HOMO/LUMO能量分别为−6.47、−6.82、−5.58、−4.66/-2.54、−3.432、−1.27、−0.16 eV（表2）。AlN/P和PYI/PYII的费米能级能量分别为−4.51/-5.12和−3.42/-2.41 eV。Eg值分别为AlN/P为3.93/3.39，AlN-PYI/PYII为4.31/4.51 eV，这表明AlP的导电性比AlN高。Eg值也可用于研究纳米笼的动力学稳定性。因此，由于其较差的动力学稳定性，AlP比AlN更具反应性。在真空和水相中，所有化合物的带隙在吸附后都减小。硬度也表现出相同的带隙变化趋势。PYI和PYII的亲电性值在吸附纳米笼后增加，显示出生物活性（表2）[70]。
表2. 化学描述符
系统 EH（eV） EL（eV） 能隙（eV） 硬度（eV） 化学势（eV） 亲电性指数（eV）
PYI -5.58 -1.27 4.31 2.16 -3.42 2.71
PYII -4.66 -0.16 4.51 2.25 -2.41 1.29
AlN -6.47 -2.54 3.93 1.97 -4.51 5.17
AlP -6.82 -3.43 3.39 1.69 -5.12 7.74
真空 AlN-PYI -5.92 -2.06 3.86 1.93 -3.99 4.12
AlP -6.23 -2.94 3.29 1.65 -4.59 6.38
AlN-PYII -4.84 -2.28 2.57 1.28 -3.56 4.94
AlP -6.01 -2.83 3.18 1.59 -4.42 6.14
水 AlN-PYI -6.19 -2.22 3.97 1.99 -4.20 4.45
AlP -6.15 -2.70 3.45 1.72 -4.42 5.67
AlN-PYII -4.92 -2.27 2.65 1.33 -3.59 4.87
图4显示了所有吸附复合物的分子静电势（MEP）图，与原始状态相比，反应区域的电荷发生了变化，表明组分内部发生了电荷转移[71]、[72]。PY系统的DOS光谱在吸附后明显显示出新的能级（图S2和S3）。
下载：下载高分辨率图像（126KB）
下载：下载全尺寸图像
图4. （a）AlN-PYI （b）AlP-PYI （c）AlN-PYII （d）AlP-PYII的MEP图
纳米笼的DM值接近零，而PYI和PYII的DM值分别为1.90和2.60 Debye。吸附后，无论是真空还是水介质中，PYI和PYII的偶极矩都增加（表1）。当它们与AlN和AlP纳米笼相互作用时，PYI的偶极矩分别为6.89和8.26，PYII的偶极矩分别为4.35和10.47。所有吸附复合物的极化率都高于原始值（表1），这导致复合物中不同模式的拉曼强度增加，这是由于SERS效应[73]、[74]。
通过计算PYI和PYII在AlN和AlP纳米笼上的吸附热力学参数，揭示了接触强度和自发性的显著变化。PYII在真空中的吸附能量明显高于PYI，表明其与两种纳米笼的结合更强。特别是对于PYII，ΔG达到−177.50 kcalmol−1，表明基于磷的纳米笼提供了更有利的吸附条件（表3）。PYI和PYII在水相中的吸附能量继续增加，表明在溶剂存在下相互作用得到改善。值得注意的是，PYII复合物表现出更强的负熵变（∆S），尤其是在水中（AlN-PYII为−54.62 kcalmol−1 K），表明吸附后结构有序程度更高。AlP纳米笼在真空和水相中都表现出更好的稳定性，总体而言，PYII的吸附更为强烈且更自发。这突显了分子结构和纳米笼组成对热力学有利性的影响。
表3 热力学参数的变化
系统 ΔE（kcal mol−1） ΔH（kcal mol−1） ΔG（kcal mol−1） ΔS（kcal mol−1 K−1）
真空 AlN-PYI -48.26 -47.75 -36.70 -37.05
AlP-PYI -53.13 -52.73 -41.48 -37.73
AlN-PYII -122.97 -122.49 -109.82 -42.48
AlP-PYII -139.80 -189.42 -177.50 -40.00
水 AlN-PYI -74.10 -73.44 -62.84 -35.54
AlP-PYI -71.93 -71.39 -66.90 -36.11
AlN-PYII -150.48 -150.95 -134.73 -54.61
AlP-PYII -161.17 -211.22 -198.05 -44.18
在本研究中，计算出的吡咯在液相中纳米笼上的吸附能量（范围从−33.94到−39.42 kcal mol⁻¹）表明存在强烈的相互作用，这种相互作用通常在基于DFT的研究中被归类为化学吸附（与最近文献中的纳米材料-药物系统相比，典型的化学吸附能量具有相似的数量级[75]。强烈的吸附能量可以提高药物-载体复合物的稳定性，确保在生理环境中循环时有效载荷始终与递送载体结合，这一点尤其重要，因为生物流体中溶剂和生物分子的相互作用是动态的[76]。此外，最近的综述强调，定制的表面相互作用，包括在选定活性位点上的强结合，有助于保持药物的完整性并防止在到达目标组织之前过早释放[75]。然而，在药物递送系统的背景下，如果所有可用表面位点上都存在过强的结合，可能会降低额外载荷的装载能力或阻碍控制释放。因此，需要根据环境触发因素（例如pH值、离子强度）来考虑这些吸附能量，这些因素会调节生理条件下的结合强度。刺激响应性释放策略利用局部生物环境的变化——例如肿瘤微环境中的较低pH值——已经在介孔和功能化纳米粒子系统中得到证明，可以适当减弱吸附，从而在系统传输过程中促进药物释放，同时保持强结合[77]。在评估纳米笼在生物医学应用中的性能时，必须仔细考虑这种吸附强度与控制释放之间的平衡。
3.2. NBO分析
由于PYI和复合物中N原子的孤对电子，存在强烈的超共轭相互作用：对于PYI，N1与C2-C4和C3-C5的相互作用能量为34.26 kcal mol−1；而在AlN-PYI中，N1与C3-C5和C2-C4的相互作用能量分别为52.19和41.25；在AlP-PYI中，N1与C2-C4和C3-C5的相互作用能量分别为51.97和48.12 kcal mol−1。对于PYII，N3与C10-C11和C18-C21的相互作用能量分别为36.46和34.42，N1与C2-C4的相互作用能量为32.45 kcal mol−1。在AlN-PYII中，N14与C9-C12和C17-C22的相互作用能量分别为39.38 kcal mol−1。在AlP-PYII中，N13与C10-C11和C18-C21的相互作用能量分别为38.75和38.37，而N14与C9-C12的相互作用能量为42.15 kcal mol−1[78]、[79]。所有这些能量值都显示了与纳米笼吸附后的相互作用。
通过NBO分析获得的PYI的电荷分别为N1、C4和C5的−0.56、−0.33和−0.33；而对于AlN-PYI，这些值分别为−0.52、−0.53、−0.28；对于AlP-PYII，这些值分别为−0.53、−0.50和−0.28e。由于与纳米笼的吸附，其他原子的电荷也发生了变化。对于PYII，N原子的电荷分别为−0.55（N1）、−0.56（N14）；而对于AlN-PYII，相应的电荷分别为−0.54和−0.76e。C原子的电荷分别为C2的−0.06、C3的0.10、C4的0.14、C9的0.09、C12的−0.30e；对于AlN-PYII，相应的电荷分别为−0.02、0.07、−0.15、−0.26e；对于AlP-PYII，相应的电荷分别为−0.46、0.23、0.01、0.07和−0.25e。电荷值的变化表明PYI和PYII与纳米笼之间发生了电荷转移，因此这种过程是化学吸附[80]。
PYI和PYII在纳米簇上吸附后的Mulliken电荷分别为0.11和0.18e（与AlN纳米笼结合）以及0.08和0.23e（与AlP纳米笼结合）。从PYI和PYII到相应纳米簇的电荷转移由正值表示[82]。吸附剂和吸附物之间的较高电荷转移会导致强烈的相互作用，因为电荷转移与强相互作用相关，反之亦然[83]。在这种情况下，电荷转移的数量导致PYI、PYII和纳米簇之间的相互作用。由于PYI和PYII与纳米簇之间的电荷转移增加，这一现象证实了化学吸附的存在。
3.3. 光谱分析
为了分析吡咯对纳米笼的影响，本研究还使用了TD-DFT来预测所有系统的紫外光谱。我们的目标是检查PY及其产生的复合物的紫外光谱（图S4和表S2）。PYI的紫外-可见光谱在182 nm处有一个峰值，而在AlN-PYI和AlP-PYI中，相应的峰值分别为379 nm和426 nm。当纳米笼吸附PYI时，峰值的强度显著降低，并且波长向更长方向移动。对于PYII，在紫外光谱中有两个峰值，分别位于246 nm和281 nm。在AlN吸附后，这些峰值分别移动到373 nm和539 nm；而在AlP吸附后，仅观察到一个峰值，位于463 nm。在所有与纳米笼吸附的情况下，强度都降低了，这意味着吸附过程是化学吸附[84]。
虽然PYII在246 nm（f=0.9817）和281 nm（f=0.1634）处的吸收主要来自H-1→L和H→L+跃迁以及H→L的激发，但自由的PYI分子在182 nm处显示出强烈的吸附，振子强度为0.1584，主要由HOMO→LUMO跃迁主导（96%）。吸附在AlN和AlP表面后，明显的红移表明吸附剂和基底之间的电子相互作用强烈。AlN-PYI和AlP-PYI在379 nm和426 nm处出现了新的吸收带。这些带主要包含靠近LUMO的更深占据轨道（H-1或H-2），表明分子前线轨道发生了显著破坏。对于PYII复合物，也观察到了类似的模式：AlP-PYII在463纳米处显示出可见区域的吸收，其振子强度相对较大（f=0.0284），而AlN在373和539纳米处显示出吸收，其中539纳米处的吸收对应于几乎纯的HOMO→LUMO跃迁。AlN和AlP基底的传感和检测能力得到了这些吸附诱导的红移和跃迁性质变化的支持，这些变化提供了独特的理论光谱特征，可能通过实际的UV-Vis测量来检测到。优化结构的红外光谱中缺乏虚频，保证了振动稳定性，并且使用拉曼光谱来阐明SERS增强机制。PYI、PYII及其复合物的拉曼光谱分别见图S5和S6。AlN的重要振动模式位于902、427、351、188和154厘米^-1，而AlP的模式位于518、490、454、437、301、216、198、112和89厘米^-1。对于PYI，NH模式位于3554厘米^-1，在AlN-PYI中移至3508厘米^-1，在AlP-PYI中移至3500厘米^-1，这种红移表明PYI与纳米笼之间存在相互作用。PYI的CH模式在3179和3138厘米^-1，在AlN-PYI中分别位于3171和3176厘米^-1。PYI的环模式位于1455、1378、1130和1061厘米^-1，而在AlN-PYI中分别位于1463、1149/1463、1140厘米^-1。此外，在AlN-PYI和AlP-PYI中还观察到了1522和1103厘米^-1的峰，而在PYI中则没有这些峰。对应于PYI的874模式，在AlN-PYI中位于899厘米^-1，在AlP-PYI中位于849厘米^-1。在AlN/P-PYI中，纳米笼的振动模式位于422、353、185、145/490、435、300、203、90厘米^-1，这与原始笼子的值一致。对于PYII，NH模式位于3545厘米^-1，在AlN-PYII中移至3518厘米^-1，在AlP-PYII中移至3515厘米^-1，这种红移表明PYII与纳米笼之间存在相互作用。在PYII中，只有一个NH模式，而在AlN/P复合物中，由于SERS效应，PYII的不活跃模式也存在。PYII的CH模式在3167和3145厘米^-1，在AlN-PYII中分别位于3152和3000厘米^-1，在AlP-PYII中分别位于3157、3136和3030厘米^-1，这里同样在复合物的光谱中观察到了PYII的不活跃模式。PYI的环模式位于1591、1499、1463、1381、1340厘米^-1，而在AlN-PYII中分别位于1583、1561、1504、1425、1330厘米^-1，在AlP-PYII中分别位于1593、1509、1447、1399、1362、1283、1073厘米^-1。此外，在AlN-PYI和AlP-PYI中还观察到了1561、1362、867厘米^-1的峰，而在PYI中则没有这些峰。在AlN/P-PYI中，纳米笼的振动模式位于425、325、147/530、310、205、95厘米^-1，这与原始笼子的值一致。吸附后PYI和PYII中不活跃模式的存在是由于极化率的变化和SERS效应[[85], [86], [87], [88]]。
3.4. 嵌配分析
虽然基于DFT的吸附能量可以定量评估某些几何结构的结合强度和电学效应，但嵌配是一种配置和筛选方法，可以找到可能的结合取向、相互作用位置和主要的非共价接触点。特别是对于柔性分子或复杂表面，仅靠吸附计算并不能保证优化结构对应于物理上可访问或可能的结合位置。因此，嵌配有助于创建现实的初始配置，然后DFT对其进行细化和验证。由于PY具有抗阿尔茨海默病的活性，使用HDOCK软件将蛋白质1EVE与目标化合物进行嵌配[89]。HDOCK服务器的目的是使用混合技术预测两种分子（如蛋白质和核酸）之间的结合复合物。为了预测两种分子之间的结合复合物，HDOCK执行全局嵌配。因此，进行嵌配工作时不需要有关结合点的信息。为了提高预测模型的准确性，服务器现在提供了生成结合位点残基的能力（如果这些信息可用的话）。当置信度超过0.7时，两种分子结合的概率很大；当分数在0.5到0.7之间时，它们有可能结合；当置信度低于0.5时，它们结合的可能性较小[90], [91]。PYI、AlN-PYI、AlP-PYI的嵌配分数分别为-57.35、-183.33、-99.21，PYII、AlN-PYII、AlP-PYII复合物的嵌配分数分别为-153.80、-216.87、-166.22。复合物中的嵌配分数较高，表明纳米笼具有药物输送载体的效果（表S3）。置信分数也较高，这支持了上述论点。交互作用的2D图见图S7.4。
RDG等值面和散点图有助于阐明基底与分析物之间的相互作用性质，为精确识别相互作用位点提供视觉辅助。散点图突出了RDG函数S(r)与ρ(r)sign(λ2)之间的关系，其中ρ(r)代表电子密度。λ2的符号是区分相互作用性质的关键指标：对于立体相互作用为正，对于共价和非共价相互作用为负。交互作用强度的颜色代码：红色/绿色/黄绿色/蓝色分别表示强烈的立体排斥/范德华力/弱/强吸引。如图5a,c和6a,c所示，在RDG散点图中，低ρ(r)和低S(r)附近存在尖锐的绿色尖峰，强调了非共价相互作用的存在。等值面图（图5b,d和6b,d）突出了PY与纳米笼之间强吸引和范德华力相互作用的共存，其中强吸引起了主导作用。对于AlP-PYI和AlP-PYII，吡咯的碳原子经历了主要的吸引力。此外，AlN纳米笼的氮原子与PYII的氢原子之间的蓝色圆盘（图6d）强调了它们之间的强电子吸引力[92], [93]。
下载：下载高分辨率图像（534KB）
下载：下载全尺寸图像
图5. AlP-PYI（AlP-PYII）的RDG等值面（a）（b）和RDG散点图（c）（d）。
下载：下载高分辨率图像（542KB）
下载：下载全尺寸图像
图6. AlN-PYI（AlN-PYII）的RDG等值面（a）（b）和RDG散点图（c）（d）。
4.1. 恢复时间
传导电子数的方程为N = AT^3/2 exp(-Eg/kT) [73]。这种方法的结果通常与实验结论一致[94]。当N呈指数增长且Eg下降时，通常会产生电信号。纳米笼可以通过其电噪声识别PY。此外，还检查了工作函数（φ）传感器的主要元素。使用开尔文振荡器在PY吸附到纳米笼之前和之后测量样品的φ。当PY吸附显著影响吸附剂的φ时，栅极电压会发生变化，并产生有助于识别PY的电信号[95]。在传感器相关研究中，经常使用公式φ = EF来表示从费米能级提取一个电子所需的最小能量。对于复合物，PY吸附后的工作函数从3.42变化到3.99和4.59（AlN/P-PYI），以及2.41–3.56和4.42 eV（AlN/PYII）。PY吸附后纳米笼的工作函数变化表明纳米笼与电子的结合不那么牢固。Richardson Dushman方程解释了为什么费米能级会随着工作函数的变化而变化，并与场发射的变化有关。它指出j = AT^2(exp- φ/kT)，φ值与电子电流密度有关[72]。因此，从纳米笼释放的电流密度有显著变化，可以将纳米笼视为PY吸附传感器。强化学相互作用不适合传感器，因为功能性传感器需要快速脱附。从技术上讲，吸附通常会导致较长的恢复时间，这对于传感器应用来说是不理想的（表4）。
表4. 在400 K下，PYI和PYII从纳米笼表面恢复的时间（秒）
复合物 结合能（kcal mol^-1） 尝试频率（Hz）
3.0 × 10^16 7.5 × 10^14 4.3 × 10^10 1 × 10^18
真空 AlN-PYI -25.6 3.32E-03 1.33E-01 2.32E+03 9.96E-05
AlP-PYI -27.19 2.39E-02 9.58E-01 1.67E+04 7.18E-04
AlN-PYII -32.07 1.11E+01 4.44E+02 7.75E+06 3.33E-01
AlP-PYII -34.03 1.31E+02 5.23E+03 9.12E+07 3.92E+00
水 AlN-PYI -33.94 1.17E+02 4.67E+03 8.14E+07 3.50E+00
AlP-PYII -36.17 1.93E+03 7.72E+04 1.35E+09 5.79E+01
AlN-PYII -38.94 6.30E+04 2.52E+06 4.39E+10 1.89E+03
AlP-PYII -39.42 1.15E+05 4.61E+06 8.04E+10 3.46E+03
能隙（Eg）是决定材料电导率的关键因素之一，它们的关系表示为σ = exp (-Eg/2kT)，其中σ和K分别是电导率和玻尔兹曼常数[96]。因此，传导电子数呈指数增长，在给定温度下较小的Eg会导致更高的电导率。因此，药物吸附会改变电导率。因此，我们提出这些纳米笼在药物输送系统和药物传感应用中具有很强的潜力。恢复时间（τ）是传感器应用中的一个关键指标，应确定系统的吸附和脱附行为。恢复时间定义为τ = υ^-1 exp (-Eads/kT)，其中T代表温度，υ代表尝试频率[96]。根据这个方程，较高的Eads值会导致较长的恢复时间（τ），因为较强的吸附剂-表面相互作用会阻碍脱附，表明系统可能需要较长的恢复期（表4）。尽管较长的恢复时间可能会限制其作为传感器的重复使用，但恢复时间仍然强烈依赖于尝试频率和释放（脱附）温度。如表所示，恢复时间在可接受范围内，支持了系统的有效药物脱附和可重复使用性。
对于在400 K下的真空和水介质中吸附在AlN和AlP表面的PYI和PYII，表4显示恢复时间在很大程度上依赖于结合强度和估计的尝试频率。即使对于紧密结合的PYII物种，所有复合物在最高尝试频率（1 × 10^18 Hz）下也显示出超快恢复（10^-4至100秒），表明在高度激活条件下脱附迅速。当尝试频率降低到4.3 × 10^10和7.5 × 10^14 Hz时，恢复时间系统性地增加；对于PYII来说这种效应更为明显，因为它们的结合能更高。在真空中，AlN和AlP上的PYI复合物在3.0 × 10^16 Hz下在几毫秒到几秒内恢复，而PYII复合物在水中则需要几秒到几分钟。溶液中更强的吸附能与水环境的显著延长恢复时间相兼容；例如，在3.0 × 10^16 Hz下，恢复时间从约10^-3秒增加到约10^2秒。由于AlP与PYI和PYII的相互作用更强，它在所有基底中始终表现出更长的恢复时间。总体而言，通过改变尝试频率，可以调整传感器的重复使用性，中等频率（10^14至10^16 Hz）在足够的吸附强度和合理的恢复时间之间提供了可行的平衡[97], [98]。
5. 结论
这项理论研究详细探讨了PYI和PYII在Al12N12和Al12P12纳米笼上的吸附机制，并强调了它们在传感和生物医学应用中的强大潜力。这两种吡咯衍生物都以放热方式与纳米笼结合，并且具有负的吉布斯自由能，证实了在真空和水环境中发生的自发化学吸附。吸附导致前沿分子轨道的显著重组、带隙减小、偶极矩增加以及极化率增强，这些共同支持了纳米笼与药物相互作用时的电荷转移和电子响应性的提高。光谱分析显示UV-Vis吸收中的显著红移以及复合物中SERS活性拉曼模式的出现，证实了吡咯与笼架之间的强耦合。NBO和RDG分析识别出显著的超共轭和混合非共价相互作用，这些相互作用有助于吸附系统的稳定性。针对乙酰胆碱酯酶（1EVE）酶的嵌配模拟显示，纳米笼药物复合物的嵌配和置信分数显著提高，表明这些纳米笼作为药物输送载体的可行性。总体而言，结合能量、电子、光谱和嵌配的结果表明Al12N12和特别是Al12P12纳米笼是吡咯吸附、传感和靶向光催化技术的有效平台。
CRediT作者贡献声明
Brahmananda Chakraborty：撰写——原始草稿，可视化，研究，数据管理。
Maria Cristina Gamberini：撰写——原始草稿，可视化，方法学，研究，数据管理。
Mary Dr. Y.Sheena：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，方法学，研究，数据管理。
Unnati Jethawa：撰写——原始草稿，可视化，方法学，研究，数据管理。
S.Al-Otaibi Dr. Jamelah：撰写——原始草稿，可视化，软件，方法学，数据管理，概念化。
打赏
