基于多尺度模拟策略的分子间激发态质子转移（inter-ESPT）微观动力学研究：以荧光染料检测肼（N2H4）的机理为例

《Dyes and Pigments》：A Multiscale Simulation Strategy for the Microdynamics of Inter-ESPT: A Case Study of the Detection Mechanism of N 2H 4

本文推荐一篇结合全原子分子动力学（AAMD）与密度泛函理论（DFT/ TD-DFT）的多尺度模拟研究，深入探讨了基于分子间激发态质子转移（inter-ESPT）机制的荧光染料DQN特异性检测潜在致癌物肼（N2H4）的微观动力学过程。研究揭示了DQN与两分子N2H4形成复合物（DQN(N2H4)2）是实现高效、特异性检测的关键，其inter-ESPT过程能垒远低于与水分子作用，有效避免了溶剂干扰。该策略为理解复杂inter-ESPT机制及荧光染料设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

Structural screening scheme

多尺度模拟策略结合了全原子分子动力学（AAMD）和密度泛函理论/含时密度泛函理论（DFT/TDDFT）方法，如方案1所示。

首先，我们计算了单个DQN分子周围的N₂H₄、DMF和H₂O的空间分布。如方案1的步骤1所示，我们构建了三个尺寸为3×3×3 nm³的分子动力学模拟体系，分别包含650个N₂H₄分子、847个H₂O分子和200个DMF分子。分子动力学模拟首先在NPT系综下于298 K和1 bar条件下平衡100 ns，然后进行300 ns的NVT模拟以用于后续分析。

Conformational sampling and binding energy calculation

首先，我们从分子动力学轨迹生成的3000个样本中，根据我们的筛选标准（见方法部分），筛选出可能发生inter-ESPT过程的DQN(X)_n候选复合物，其中X代表N₂H₄、H₂O和DMF，n是N₂H₄、H₂O和DMF分子的数量。计算了不同DQN(X)_n候选复合物出现的可能性，结果展示在图1(a)中。在我们的工作中，我们定义了有效结合能（E_eff），其计算公式为[公式]，其中[公式]和[公式]分别代表...

Conclusions

在本研究中，我们结合AAMD与DFT/TD-DFT，提出了一种多尺度模拟策略，用于探索inter-ESPT的微观动力学以及N₂H₄的检测机理。首先，与DQN(H₂O)_1-3和DQN(DMF)₁相比，DQN(N₂H₄)_1-3复合物表现出最大的有效结合能。随后，我们确定了DQN(X)_n复合物发生inter-ESPT过程的最佳路径，并且发现DQN(N₂H₄)₂的inter-ESPT路径能垒与其他DQN(N₂H₄)_n复合物相比是最低的。