Многомасштабное атомистическое моделирование биосенсорных материалов

1. Многомасштабное атомистическое моделирование биосенсорных материалов А.В.Одиноков, А.А.Багатурьянц ЦФ РАН

2. Биосенсорные материалы

3. Хромофорные системы и их лиганды DPAA Нильский красный Флуоресцеин DMBBF2 Cu2+ Hg2+ Zn2+

4. Иерархическая организация сенсорного материала Ансамбль наночастиц сенсорный материал структурная единица материала Наночастица Супрамоле- кулярная система молекула + ближайшее окружение при связывании генерирует отклик (сигнал) функциональная молекула A. Bagaturyants and M. Alfimov, in Chemical Sensors – Simulation and Modeling: Vol. 4, Ch. 1, pp. 1–38, 2013

5. Методы квантовой химии Уравнение Шредингера: Ансамбль наночастиц Наночастица Решаемые задачи: - расчёт энергии для фиксированной геометрии (координат ядер атомов) - нахождение оптимальной геометрии - расчёт возбуждённых состояний и энергий переходов (спектра) Супрамоле- кулярная система Предел: ~ 100 атомов функциональная молекула

6. Методы квантовой химии Спектр красителя ДФАА в присутствии молекулы аналита Ансамбль наночастиц Наночастица Супрамоле- кулярная система функциональная молекула В.С. Чащихин, Е.А. Рыкова, А.А. Багатурьянц, Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. № 9–10, 79–84.

7. Метод молекулярной динамики Уравнения движения Ньютона: Ансамбль наночастиц Наночастица Решаемые задачи: - нахождение ансамбля конфигураций системы - учёт среды (вода) в явном виде - расчёт связывательной способности (стандартной свободной энергии) Супрамоле- кулярная система функциональная молекула

8. Метод молекулярной динамики Предел: ~ 1000 000 атомов ~ 100 нс Ансамбль наночастиц Наночастица Крупнозернистые (coarse-grained) модели Супрамоле- кулярная система функциональная молекула

9. Метод молекулярной динамики Типичная схема организации вычислительной ячейки при моделировании взаимодействия элементов рецепторного центра на подложке Ансамбль наночастиц Молекулы красителя и аминокислотные остатки ковалентно пришиты к поверхности силикагеля через пропильный мостик Наночастица Супрамоле- кулярная система функциональная молекула

10. Метод молекулярной динамики Расчёт разницы свободной энергии Ансамбль наночастиц Наночастица При l = 0Aи Bне взаимодействуют, при l = 1 они образуют комплекс. Супрамоле- кулярная система функциональная молекула A.V. Odinokov, S.V. Titov, V.A. Tikhomirov, M.V. Basilevsky and M.V. Alfimov, Mol. Simul., 2013, doi10.1080/08927022.2012.740636

11. Многомасштабный подход Квантово-химический расчёт для кластера, вырезанного из МД ансамбля Ансамбль наночастиц Наночастица Супрамоле- кулярная система Неоднородное уширение спектра как распределение энергий перехода функциональная молекула

12. Сенсорный слой Подложка Моделирование строения и свойств слоя материала Самосборка в испаряющейся капле жидкости Ансамбль наночастиц Наночастица Супрамоле- кулярная система Расчёт оптического отклика функциональная молекула

13. Заключение - иерархическое строение биосенсорного материала подразумевает аналогичную иерархию в используемых вычислительных методах - многомасштабный подход к моделированию биосенсорных материалов позволяет связать отклик системы на присутствие анализируемого вещества с подробностями устройства рецепторного центра на молекулярном уровне

14. Благодарю за внимание!