Математическое моделирование

Diphenylalanine peptide nanotubes as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy and photonic applications

[Пептидные нанотрубки на основе дифенилаланина как подложки для поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии и приложений в фотонике]

Vladimir Bystrov^a, Ekaterina Paramonova^a, Pavel Zelenovskiy<sup>b

a</sup> Institute of Mathematical Problems of Biology RAS, Keldysh Institute of Applied Mathematics RAS, Pushchino, Russia
^b School of Natural Sciences and Mathematics, Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia

Аннотация: В работе исследуется применение пептидных нанотрубок на основе дифенилаланина в качестве активного субстрата (подложки) для поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS), которая в русскоязычной литературе называется еще спектроскопией комбинационного рассеяния. Исследование проводилось методами компьютерного моделирования и полуэмпирических квантовых расчетов. Для нанотрубок, взаимодействующих с молекулой аналита, в качестве которого использовались метиленовый синий (метилтиониния хлорид) и азотистое основание тимин, выявились существенные изменения полной энергии системы, энергий электронных уровней $E_{\mathrm{HOMO}}$ и $E_{\mathrm{LUMO}}$ и ширины запрещенной зоны. Установлено, что на больших расстояниях (более 30 $\mathring{\mathrm{A}}$) между молекулярными структурами, уровень $E_{\mathrm{HOMO}}$ всей системы локализуется на молекулярной структуре дифенилаланиновых трубок, тогда как на более близких расстояниях он перемещается на молекулу метилтиониния хлорида. Характерное изменение интенсивности сигнала SERS и колебательных мод молекулы метиленового синего указывает на возможность усиления сигнала SERS на структуре нанотрубки. С другой стороны, ширина запрещенной зоны, установленная для дифенилаланиновых трубок, имеет значения порядка 4 эВ, и оказывается подходящей для детектирования света в солнечно-слепом ультрафиолетовом диапазоне (SBUV), что делает их пригодными для создания SBUV-сенсоров. Возможности таких датчиков могут быть дополнительно расширены за счет настройки ширины запрещенной зоны путем управления адсорбированной водой в каналах нанотрубки или приложения внешнего электрического поля, создаваемого, например, сегнетоэлектрическим полимером PVDF-TrFE, а также путем выбора хиральности энантиомеров дифенилаланина для селективного обнаружения циркулярно поляризованного света, что крайне важно для современной фотоники.

Ключевые слова: дифенилаланин, пептидные нанотрубки, рамановская спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, сенсорный элемент, запрещенная зона, хиральность, круговая поляризация света, биометрия.

Материал поступил в редакцию 15.04.2025, 11.06.2025, опубликован 09.07.2025

Язык публикации: английский

DOI: 10.17537/2025.20.197

Реферативные базы данных:

•