Введение 3
Глава 1. Обзор литературы 5
1.1. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами 5
1.2. Устройство биосенсора 9
1.3. Графен. Свойства графена 13
Глава 2. Объекты и методы исследования 19
2.1. Метод функционала плотности DFT 19
2.1.1. Функционал BP86 24
2.1.2. Базисные наборы 26
2.2 Объект и методика исследования 31
Глава 3. Результаты 34
3.1. Расчет энергии адсорбции атома свинца на поверхности графена 34
3.2. Расчет энергии адсорбции атома кадмия на поверхности графена 38
3.3. Расчет энергии адсорбции атома ртути на поверхности графена 41
Выводы 45
Литература
Одними из самых вредных загрязнений окружающей среды являются загрязнения тяжелыми металлами, которые пагубно влияют на здоровье взрослых людей и особенно на растущий организм детей. Наиболее опасными для здоровья людей тяжелыми металлами являются кадмий, ртуть и свинец (Cd, Hg, Pb). Кадмий разрушает печень и почки, нарушает синтез ДНК, ртуть пагубно влияет на работу центральной нервной системы, а свинец нарушает функционирование почек, нервной системы, приводит к образованию анемии.
Важным этапом решения проблемы отравления людей тяжелыми металлами является определение концентрации тяжелых металлов в крови. Для проведения анализа крови на выявление тяжелых металлов широко используют атомно-абсорбционную спектрометрию и индуктивно-связанную плазменную масс-спектрометрию - методы, требующие наличия высокотехнологического оборудования. Эти методы показали хорошую селективность и высокую чувствительность к тяжелым металлам, но для массового использования являются дорогими и громоздкими [1-2]. Поэтому актуальной задачей является создание более быстрых, надежных и недорогих методов обработки биологических материалов (кровь) на выявление тяжелых металлов и разработка биосенсоров для проведения таких анализов.
Одним из подходящих материалов для создания биосенсоров является графен - материал, обладающий уникальными свойствами [3]. Проблема, возникающая при промышленном производстве графена - дефекты в кристаллической решетке, которые существенно уменьшают длину свободного пробега электронов и изменяют электронные свойства графена, стала инициатором нового применения графена в качестве биосенсора. Графеновая структура из нескольких шестичленных углеродных колец (порядка 30-50 атомов углерода) может выступать в качестве сенсора. Для понимания того, насколько селективен будет биосенсор необходимо рассчитать, как графен взаимодействует с тем или иным элементом. Целью данной работы является
моделирование процесса адсорбции тяжелых металлов (свинца, кадмия и ртути - Pb, Cd, Hg) на поверхности графена методами функционала плотности ЭРТв программном пакете ORCA.
В первой главе работы представлен литературный обзор об устройстве биосенсора, об электронных свойствах графена и об адсорбции тяжелых металлов на поверхности графена. Вторая глава посвящена описанию метода функционала плотности (DFT), представлены характерные положения на поверхности модельной структуры графена для моделирования энергии адсорбции атомов тяжелых металлов, изложена методика проведения моделирования. В третьей главе описаны результаты моделирования модельных кластеров - модельная структура графена и нейтральный атом тяжелого металла (свинец, кадмий и ртуть), приведены данные расчетов энергии адсорбции для свинца, ртути и кадмия. Было показано, что энергия адсорбции графена с атомом свинца сильнее, чем адсорбция с атомами кадмия и ртути, что говорит о высокой эффективности работы именно такого типа устройства.
Результаты работы докладывались на итоговой научно-образовательной конференции студентов КФУ 2018 года (Казань, 2018), на Всероссийской конференции с международным участием "Сильнокоррелированные двумерные системы: от теории к практике" (Якутск, 2018 г.), на XXX Симпозиуме “Современная химическая физика» (Туапсе, 2018 г.).
1. Методами функционала плотности DFT в программном пакете ORCA был получен ряд кластеров: модельная структура графена, имеющая размер 3 на 3, где 3 - это число углеродных колец вдоль края структуры и нейтрального атома тяжелого металла (свинец Pb, кадмий Cd и ртуть Hg). В зависимости от взаимного расположения модельной структуры графена и нейтрального атома тяжелого металла были найдены оптимальные варианты взаимного расположения атома тяжелого металла и модельной структуры графена 3х3: T-site, B-siteи H-site. Расчеты показали, что атом тяжелого металла располагается на расстояниях: для свинца — 2.9 А, для кадмия — 5.8 А, для ртути—4.4 А.
2. Для каждого взаимного расположения атома тяжелого металла относительно графена 3х3 были рассчитаны энергии адсорбции тяжелого металла.
Расчеты показали, что
- для системы графен-атом свинца оптимальным по энергии является расположение атома свинца над поверхностью модельной структуры графена в позиции B-site- расположение атома свинца над серединой C-C связи;
- для системы графен - атом кадмия оптимальным по энергии является расположение атома кадмия над поверхностью модельной структуры графена в позиции H-site- расположение атома кадмия над центром гексагональной решетки модельной структуры графена.
- для системы графен - атома ртути оптимальным по энергии является расположение атома ртути над поверхностью модельной структуры графена в позиции H-site- расположение атома ртути над центром гексагональной решетки модельной структуры графена.
3. Проведены расчеты энергии адсорбции для модельного кластера: модельная структура графена и атом свинца для трех взаимных расположений для нейтрального атома свинца и двух заряженных ионов - Pb2+ и Pb4+. Расчет энергии адсорбции всех полученных кластеров показал, что энергия адсорбции системы с Pb0 больше энергии адсорбции системы с Pb4+ и Pb2+. Это говорит о том, что комплекс (нейтральный атом Pb0 и графена) является более стабильным.
4. Энергия адсорбции графена с атомом свинца сильнее, чем адсорбция с остальными тяжелыми металлами, поэтому биосенсор будет обладать большой селективностью к свинцу, что говорит о высокой эффективности работы именно такого типа устройства.
