组成图示
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传感器类型
其他（分子铁卟啉气体生物传感器）
检测对象
一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）；干扰物：氧气（O2）；样品基质：空气/气相污染物
检测原理
该传感器以 sGC 的五配位亚铁卟啉-组氨酸配合物为识别单元。NO、CO 或 O2 与 Fe2+ 配位后，5C 高自旋结构转为 6C 低自旋结构，Fe-配体键长和角度改变：CO 线性（179.9°），NO、O2 弯曲（139.9°、121.7°）。配位改变前线轨道、HOMO-LUMO 间隙、态密度和自旋极化，使金电极单分子结 I-V 曲线由 5C 锯齿/库仑阻塞变为 6C 平滑。弯曲配体破坏对称性，在 VCD 中产生不同旋转强度；IR/Raman 的 Fe-配体伸缩频率也随配体变化。结合量随浓度增加时，特征谱峰与电学特征相应增强；原文未给定量校准，但 I-V 与 VCD/IR/Raman 可识别 NO、CO 并区分 O2。
检测灵敏度
原文未报告检出限(LOD)、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
计算结果表明，模型对 NO 的亲和性最强，结合能为 -136.42 kcal/mol，明显高于 CO（-18.67 kcal/mol）和 O2（-22.84 kcal/mol），说明 NO 更易被识别。O2 虽可结合，但作者指出需结合 sGC 酶环境才能避免其干扰。VCD 对配体几何对称性敏感：NO 和 O2 的弯曲构型产生可区分的旋转强度，而 CO 的线性 Fe-C-O 构型几乎不产生 VCD 信号，因此 CO 较难检测。I-V 测量可区分 5C 与 6C 配位状态，但 CO、NO、O2 的 6C 电导曲线相似，需依赖光谱进一步判别。原文未报告实验 RSD、稳定性、加标回收率或与 ELISA/HPLC/qPCR 的对比，作者主张该分子模型可用于大气污染物 NO/CO 检测及 O2 干扰识别。
传感器的构成
- 换能器电极：金原子/金电极（Au），位于卟啉上下正交位置，形成单分子结并用于电流-电压（I-V）读出
- 连接层：有机硫醇基团（thiol, -SH），取代卟啉末端氢，将分子锚定到 Au 电极
- 识别核心：亚铁卟啉（ferrous porphyrin, FeP），中心 Fe2+ 与四个吡咯氮配位，提供气体配位位点
- 轴向识别元件：组氨酸（histidine, his），模拟 sGC 近端组氨酸，与 Fe 形成轴向配位
- 被测物结合位点：五配位亚铁中心（5C Fe2+），结合 NO/CO/O2 形成六配位（6C）配合物
- 信号读出：VCD/IR/Raman 光谱与 I-V 电流-电压特性，用于区分配体结合和配位状态
中文摘要
本文基于可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）的卟啉核构建了一个五配位亚铁卟啉-组氨酸配合物分子生物传感器模型，用于检测一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO），并考察氧气（O2）的干扰。采用密度泛函理论（DFT，B3PW91/LANL2DZ 与 6-31G(d)）优化配合物几何结构，分析前线轨道、态密度、分子静电势及自旋态，并计算未配位与配位 NO、CO、O2 后的振动圆二色（VCD）、红外（IR）和拉曼（Raman）光谱，以及金电极单分子结的电流-电压（I-V）特性。结果显示，NO、CO 和 O2 均可与亚铁中心配位，使五配位（5C）结构转变为六配位（6C）结构；CO 呈线性 Fe-C-O 构型，VCD 信号弱，而 NO 和 O2 呈弯曲构型，产生可区分的 VCD 特征。该模型有望用于大气污染物气体检测与 O2 干扰识别。
英文摘要
A sensor model based on the porphyrin nucleus of the soluble guanylate cyclase enzyme is modeled and tested with nitric oxide and carbon monoxide. Molecular oxygen is tested as a possible interferer. Geometries and electronic structures of the model are assessed by density functional theory. Vibrational circular dichroism (VCD), infrared, and Raman spectra are obtained for the iron complexes uncoordinated and coordinated with the gas moieties. The sensor is capable of detecting the ligands to different extents. Carbon monoxide is less detectable than nitric oxide due to the adopted position of the molecule in the sensor; carbon oxide is aligned with the iron atom, while nitric oxide and molecular oxygens bend with an angle detectable by the VCD. It is suggested that pollutants may be detected and measured with the proposed biosensors.