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

2 Биосенсорные материалы биосенсор биоселекторпреобразователь

3 Хромофорные системы и их лиганды Cu 2+ Hg 2+ Нильский красный Флуоресцеин DPAA DMBBF2 Zn 2+

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

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

6 Методы квантовой химии функциональная молекула Супрамоле- кулярная система Наночастица Ансамбль наночастиц Спектр красителя ДФАА в присутствии молекулы аналита В.С. Чащихин, Е.А. Рыкова, А.А. Багатурьянц, Российские нанотехнологии Т. 6. 9–10, 79–84.

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

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

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

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

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

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

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

14 Благодарю за внимание!