CN109261126B - 一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法，步骤包括：首先在Au晶胞中切出(532)表面，按照镜面对称原则构建左、右手性半胱氨酸分子，分别进行优化；在将优化后的半胱氨酸对映异构体分别吸附在优化后的Au(532)面，对总体系再进行结构优化，分别算出各体系的总能及确定最稳定的吸附构型；最后对Au(532)表面沿横向及纵向统一施加应变并优化结构，将左、右手性半胱氨酸分子吸附在施加应变后的基底上再进行结构优化并算出其总能；对不同应变条件下左、右手性半胱氨酸分子吸附体系的总能做差得到相应的ΔE。本发明通过对Au(532)表面施加应变来调控半胱氨酸异构体分离能力，当施加2％的拉应变时分离能力比纯金表面提高了33％。

Description

一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法
技术领域
本发明涉及金属表面吸附有机分子领域，特别是涉及一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法。
背景技术
手性广泛存在于自然界中，是生命过程的基本特征。手性分子的两种异构体通常显示截然不同的生物活性，其中左手性分子对人体有利，右手性对人体有害。这是因为人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。L型半胱氨酸(L-cysteine)常用于皮肤损伤、肝损伤的治疗，但是D型半胱氨酸(D-cysteine)却会对细胞活动产生干扰从而损害健康。因此寻找合适的方式来提高分离半胱氨酸异构体能力显得尤为重要，也大大有利于手性药物的发展。
手性分子因为具有相似的物理和化学性能因而很难分离，近年来有许多实验和理论研究发现利用金属台阶表面的不对称性来分离手性分子是一种不错的方式。手性表面的扭结原子可以破坏手性分子的对称性，从而使得其在表面上的稳定性不同，然后利用其脱吸附顺序不同来达到手性分离的目的。但是各种手性分子的结构不一样，且不同种金属及不同表面对手性分子的分离作用不同，即目前还没有找到特别合适的衬底来分离半胱氨酸异构体。而且对其在金属表面的吸附机制还需进一步的了解和探究。
之前T.Greber等人通过实验发现左右手性半胱氨酸分子在Au(17 11 9)表面的生长方向不同，而且通过理论计算得出左右手性分子在该表面的吸附能不同，但是差异有限，即该表面对半胱氨酸异构体的分离能力有限。目前业内常用的提高分离能力的方法是在台阶处进行原子掺杂，但是该方法目前来说操作比较困难因而使用受到限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法，以解决传统纯金属基底分离手性氨基酸能力不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法，至少包括以下步骤：
(1)从Au晶胞中切出Au(532)表面，按照镜面对称原则构建半胱氨酸对映异构体分子，对这些结构分别进行结构优化；
(2)将优化后的半胱氨酸对映异构体分子分别吸附在优化后的Au(532)面的不同位置，分别对其进行结构优化并计算总能。根据能量最低原则，确定半胱氨酸异构体在Au(532)面上的最稳定吸附构型。对半胱氨酸异构体最稳构型的总能做差得到ΔE，记为ΔE0；
(3)对步骤(1)得到的优化后的Au(532)面分别施加-2％和-1％的压应变及+1％和+2％的拉应变并对其进行结构优化，将优化后的左、右手性半胱氨酸分子分别吸附在这些优化后的各应变基底上再进行结构优化并算出相应的总能，将不同应变条件下左、右手性半胱氨酸分子吸附体系总能做差，分别得到ΔE-2、ΔE-1、ΔE+1和ΔE+2；
(4)比较步骤(3)和步骤(4)所述吸附能差值，得到ΔE+2＞ΔE+1＞ΔE0＞ΔE-1＞ΔE-2。
与现有技术相比，本发明的相对于现有技术相比具有显著优点：
(1)该方法将半胱氨酸吸附在施加了+2％拉应变的Au(532)表面，能够有效增强半胱氨酸异构体的分离能力，与纯Au(532)表面，通过给基底施加一定的拉应变，能够增强台阶表面活性，使得左右手性分子与衬底结合的差异性更加明显，从而使其吸附能差增大，达到增强分离能力的目的。(2)本发明提出了施加应变能够调控衬底分离能力的说法，拓展了业内对手性分子拆分方法的新认知，为手性分离技术的发展提供了新的思路。(3)本发明方法简便，易操作。
附图说明
图1是本发明一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法中半胱氨酸对映异构体分子主视图(A、B分别为左手性和右手性半胱氨酸分子)。
图2是本发明一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法中Au(532)单胞示意图。
图3是本发明一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法中左手性半胱氨酸分子在Au(532)表面的稳定吸附构型图。
图4是本发明一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法中右手性半胱氨酸分子在Au(532)表面的稳定吸附构型图。
图5是本发明一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法中半胱氨酸分子分离能力对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述。
(1)利用Materials Studio软件，根据镜面对称原则构建左右对称的半胱氨酸异构体分子，如图1所示。利用第一性原理计算，采用PBE+vdwsurf的泛函，其中能量和力的收敛精度分别设置为10-5和10-4，并采用3*3*3的k点网格，然后用VASP软件对其进行结构优化。
(2)利用Materials Studio软件，直接导入Au单胞结构，将单胞的晶面指数改为(532)并加入
Figure GDA0001905495480000021
的真空层建立1×1单胞，如图2所示。利用第一性原理计算，采用PBE+vdwsurf的泛函，其中能量和力的收敛精度分别设置为10-5和10-4，并采用7*7*1的k点网格，然后用VASP软件对其进行结构优化。
(3)将优化后的左右手性半胱氨酸分子分别放在优化后的Au(532)不同吸附位上，利用第一性原理计算，采用PBE+vdwsurf的泛函，其中能量和力的收敛精度分别设置为10-5和10-4，并采用7*7*1的k点网格，然后用VASP软件对其进行结构优化并计算能量。根据能量最低原则分别确定左右手性半胱氨酸分子在Au(532)表面最稳定的吸附位，如图3、4所示。
(4)对步骤(3)所得最稳定的左右手性半胱氨酸分子吸附体系总能做差，得到区分度ΔE0。
(5)对步骤(2)所得优化后的Au(532)表面分别施加-2％、-1％的压应变及+1％、+2％的拉应变，即分别使其晶格常数变为原来的98％、99％、101％和102％，再对这些施加应变后的表面进行结构优化。利用第一性原理计算，采用PBE+vdwsurf的泛函，其中能量和力的收敛精度分别设置为10-5和10-4，并采用7*7*1的k点网格，然后用VASP软件对其进行结构优化。施加应变后的图形与原图2相似。
(6)将优化后的左右手性半胱氨酸分子分别放在各应变条件下优化后的Au(532)表面不同吸附位上，利用第一性原理计算，采用PBE+vdwsurf的泛函，其中能量和力的收敛精度分别设置为10-5和10-4，并采用7*7*1的k点网格，然后用VASP软件对其进行结构优化并计算能量。根据能量最低原则分别确定左右手性半胱氨酸分子在施加应变后的Au(532)表面最稳定的吸附位，其稳定吸附位类似图3、4所示。
(7)对步骤(6)中各应变条件下最稳定的左右手性分子吸附体系的总能做差，分别得到区分度ΔE-2、ΔE-1、ΔE+1和ΔE+2。
(8)比较步骤(4)和步骤(7)所述吸附能差值，得到ΔE+2＞ΔE+1＞ΔE0＞ΔE-1＞ΔE-2，ΔE增大了33％，如图5所示。

Claims (4)

1.一种通过施加应变来调控半胱氨酸分子分离能力的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
(1)从Au晶胞中切出Au（532）表面，按照镜面对称原则构建半胱氨酸对映异构体分子，对这些结构分别进行结构优化；
(2)将优化后的半胱氨酸对映异构体分子分别吸附在优化后的Au（532）面的不同位置，分别对其进行结构优化并计算总能；根据能量最低原则，确定半胱氨酸异构体在Au（532）面上的最稳定吸附构型；对半胱氨酸异构体最稳构型的总能做差得到ΔE，记为ΔE 0 ；
(3)对步骤（1）得到的优化后的Au（532）面分别施加-2%和-1%的压应变及+1%和+2%的拉应变，即分别使其晶格常数变为原来的98%、99%、101%和102%，再对这些施加应变后的表面进行结构优化，将优化后的左、右手性半胱氨酸分子分别吸附在这些优化后的各应变基底上再进行结构优化并算出相应的总能，将不同应变条件下左、右手性半胱氨酸分子吸附体系总能做差，分别得到ΔE -2 、ΔE -1 、ΔE +1 和ΔE +2 ；
(4)比较步骤（3）和步骤（4）所述吸附能差值，得到ΔE +2 ＞ΔE +1 ＞ΔE 0 ＞ΔE -1 ＞ΔE -2 。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，从Au晶胞中得到Au（532）表面的方法如下：利用Materials Studio 软件，直接导入Au单胞结构，将单胞的晶面指数改为（532）并加入25Å的真空层建立1×1单胞，将其导出。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，构建半胱氨酸对映异构体分子的方法如下：利用Materials Studio 软件，根据镜面对称原则构建左右对称的半胱氨酸异构体分子，分别将其导出。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，在Au（532）表面施加应变是通过修改其晶格常数来达到的。
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