Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Farrokhpour,Hassan Hadadzadeh
حسین فرخ پور (استاد راهنما) حسن حداد زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
MOJGAN MOVAHEDI
مژگان موحدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Theoretical Study of Geometry, Interaction and Electronic Structure of DNA Bases Adsorbed on the Cu(111) Nanosurface using Hybrid Method in Quantum mechanics
The study of the interaction between isolated DNA bases and metallic surface can be considered as a useful source of information in atomic scale to understand the nature of interaction of DNA with metallic surfaces and its geometry relative to the surface. The structures of four bases of DNA were optimized on the Cu(111) surface using ONIOM method so that the first layer of the surface interacting with the bases was considered in quantum mechanical (QM) region and the second layer in the molecular mechanical (MM) region. The DFT method employing wB97XD functional and universal force field (UFF) was selected for the QM and MM parts, respectively. For the QM region, the 6-31+G(d) basis set was used for the DNA bases and LANL2DZ for the Cu atoms of the first layer. The valence electrons of Cu atoms in the first layer were described by DZ basis set. A two layer of Cu(111) surface containing 77 atoms which 38 and 39 atoms form the first and second layers of the surface, respectively were considered for the calculations. The tilted angle between the plane of the molecule and the surface (a) in the optimized orientation of the DNA bases on the Cu(111) surface for AD, CY, GU and TY are 1.8, 15.1, 6.5 and 0.7°, respectively. It is seen that using a DFT functional such as wB97XD which considers the vdW interactions predicts more parallel geometry for the DNA bases on the Cu(111) surface especially for CY compared to the result reported in literature. Also interaction, adsorptio and deformation energies were calculated for the DNA bases on the Cu(111) surface. The calculated interaction energies were corrected by basis set superposition error (E). The calculated values of E int,corr for AD, TY, CY and GU are -0.881, -0.753, -0.849 and -1.073 eV, respectively. The calculated values of E ad for AD, TY, CY and GU are -1.351, -1.204, -1.277 and -1.567 eV, respectively. It was found that the using of the van der Waals corrected DFT functional such as wB97XD functional increases the adsorption energies of the DNA bases on the Cu(111) surface. The calculated values of deformation energies for the DNA bases on the Cu(111) surface are small and for GU AD CY TY are 0.078, 0.049, 0.045 and 0.011 eV, respectively. The electronic structure of DNA bases on the Cu(111) surface was investigated and observed a strong hybridization between the base and metal states. So, there is some portion of the charge density on the base, as well as a significant portion distributed over the cu surface. It was observed overlap between the molecular orbitals of DNA bases with the d atomic orbitals of Cu atoms, especially for CY and GU which is very important in the charge transfer between molecules and surface.
به دست آوردن اطلاعات ساختاری و انرژی در مورد جذب باز های DNAروی سطوح فلزی ، باعث درک طبیعت بر هم کنش بین مولکول DNA و تغییر شکل آن هنگام جذب روی سطوح سخت مثل سطح فلزات می شود. در این پایان نامه برای تعیین جهت گیری های بهینه باز DNA نسبت به نانو سطح مس(111) از روش محاسباتی QM:MM استفاده شده است. بدین منظور نانو سطح مس به صورت یک آرایه ی دو بعدی شامل 77 اتم مس که 34 و 33 اتم به ترتیب در لایه اول و دوم قرار دارند در نظر گرفته شد. در این بهینه سازی برای ناحیه کوانتومی روش DFT با استفاده از تابعی wB97XD که قادر به در نظرگرفتن برهم کنش های وان دروالسی است و برای ناحیه مکانیک مولکولی میدان نیرویUFF استفاده شد. برای انجام محاسبات QM:MM از روش ONIOM استفاده گردید. مجموعه پایه ی 6-31+G(d) برای اتم های باز DNA و شبه پتانسیل LANL2DZ برای اتم های مس در ناحیه ی کوانتومی انتخاب گردید. محاسبات نشان داد که باز های DNA در جهت گیری بهینه با زاویه انحراف به ترتیب برای آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین 8/1، 7/0، 1/15 و 5/6 درجه نسبت به سطح مس (111) قرار می گیرند. همچنین محاسبات نشان داد در نظر گرفتن برهم کنش های وان دروالسی باعث کاهش قابل ملاحضه زاویه انحراف نسبت به سطح شده در مقایسه با کارهای پیشین که این به خصوص در مولکول سیتوزین بسیار مشهود است. همچنین بررسی تغییرات ساختاری باز های DNA قبل و بعد از جذب بر روی نانو سطح مس(111) نشان داد در حالی که این تغییرات در آدنین و تیمین بسیار ناچیز است در سیتوزین و گوانین تغییرات ساختاری اندکی در اثر جذب بر روی نانو سطح مس(111) به وجود می آید. همچنین انرژی برهم کنش و انرژی جذب و انرژی تغییر شکل برای باز های DNA بر روی نانو سطح مس(111) محاسبه گردید و در محاسبه ی انرژی برهم کنش تصحیح مربوط به خطای برهم نهی مجموعه پایه (E) منظور گردید. مقادیر انرژی برهم کنش تصحیح شده برای آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین به ترتیب برابر با 882/0-، 753/0- و 849/0- و eV 073/1- است. همچنین مقادیر انرژی جذب برای باز های DNA بر روی نانو سطح مس(111) برای آدنین، تیمین، سیتوزین وگوانین به ترتیب 351/1- ، 204/1- ، 277/1- و eV 567/1-می باشد. مشخص شد در نظر گرفتن برهم کنش های وان دروالسی با استفاده از تابعی wB97XD باعث افزایش انرژی جذب باز های DNA بر روی نانو سطح مس(111) می شود. محاسبه انرژی تغییر شکل باز های DNA بر روی نانو سطح مس(111) نشان داد تغییر شکل باز های DNA در اثر جذب بر روی سطح مس(111) بسیار ناچیز است که این مقادیر برای گوانین آدنین سیتوزین تیمین و به ترتیب برابر 078/0 ، 049/0 ، 045/0 و eV011/0 است. همچنین ساختار اوربیتال مولکولی باز های DNA بر روی نانو سطح مس بررسی شد و وجود هیبریداسیون بین اوربیتال های باز های DNA و اوربیتال های اتمی سطح مس مشاهده گردید به طوری که بعضی از اوربیتال های سامانه بازDNA+ سطح مس دارای چگالی الکترونی هم بر روی بازDNA و هم بر روی سطح مس هستند. همچنین اوربیتال های با هیبریداسیون قوی به خصوص در مورد سیتوزین و گوانین مشاهده گردید به طوری که چگالی الکترونی بر روی مولکول با چگالی الکترونی بر روی سطح مس همپوشانی دارند. که در نظر این هم پوشانی ها در انتقال چگالی الکترونی بین مولکول و سطح اهمیت دارد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی