I. Tổng Quan Về Tính Toán Phổ Dao Động D Glucose DFT
Nghiên cứu tính toán phổ dao động đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc và tính chất của các phân tử. Trong đó, D-Glucose, một monosaccharide phổ biến, là đối tượng được quan tâm đặc biệt. Việc sử dụng phương pháp DFT (Density Functional Theory) cho phép mô phỏng và dự đoán phổ dao động của D-Glucose một cách chính xác. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng DFT để tính toán phổ dao động của D-Glucose, từ đó làm sáng tỏ các kết quả thực nghiệm và hiểu rõ hơn về cấu trúc phân tử của nó. DFT là một lý thuyết lượng tử được sử dụng để mô tả các tính chất của hệ electron trong nguyên tử, phân tử, vật rắn,… trong khuôn khổ của lý thuyết lượng tử. Trong lý thuyết này, mật độ điện tử được sử dụng để mô tả trạng thái của hệ thay vì sử dụng hàm sóng.
1.1. Giới thiệu về đường D Glucose và ứng dụng thực tiễn
D-Glucose là một monosaccharide quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình sinh học và công nghiệp. Nó là nguồn năng lượng chính cho tế bào, tham gia vào cấu trúc của ARN và ADN, và được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và dược phẩm. Nghiên cứu về D-Glucose giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các quá trình trao đổi chất và phát triển các ứng dụng mới trong y học và công nghiệp thực phẩm. Với tầm quan trọng như vậy Glucose đã và đang là đối tượng nghiên cứu rộng rãi của rất nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới.
1.2. Tổng quan về phương pháp tính toán DFT trong hóa học
Phương pháp DFT là một công cụ mạnh mẽ để tính toán cấu trúc điện tử và phổ dao động của các phân tử. DFT dựa trên việc sử dụng mật độ điện tử thay vì hàm sóng, giúp giảm đáng kể chi phí tính toán. Phương pháp này đã được chứng minh là có độ chính xác cao trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc mô phỏng phổ IR và phổ Raman. Trong những năm gần đây, việc sử dụng các phần mềm hỗ trợ việc mô phỏng và tính toán các tính chất và quá trình biến đổi bên trong các vật chất được quan tâm nhiều.
II. Thách Thức Trong Tính Toán Phổ Dao Động D Glucose DFT
Việc tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT gặp phải một số thách thức nhất định. Cấu trúc phân tử phức tạp của D-Glucose đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác và tốn kém về mặt thời gian. Ngoài ra, việc lựa chọn phiếm hàm và cơ sở phù hợp cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kết quả. Cần có sự cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo rằng các tính toán DFT có thể tái tạo chính xác các đặc trưng phổ thực nghiệm. Chúng ta đã biết đến việc nghiên cứu các vật liệu bằng phương pháp phổ dao động như: phổ dao động FT-IR, phổ Raman, phổ tần số tổng…Tuy nhiên tất cả các phương pháp đó rất khó để xác định chính xác được các mode dao động cụ thể hoặc có sự nhầm lần giữa những cộng hưởng Fermi với các mode động thực tế.
2.1. Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử D Glucose đến tính toán
Cấu trúc vòng của D-Glucose và sự tồn tại của nhiều nhóm hydroxyl (-OH) tạo ra nhiều khả năng tương tác hydro, làm phức tạp việc tối ưu hóa cấu trúc và tính toán năng lượng. Các cấu trúc đồng phân khác nhau (α và β) cũng cần được xem xét để có được bức tranh đầy đủ về phổ dao động của D-Glucose. Cần có tính toán lý thuyết để làm sáng tỏ những kết luận trên.
2.2. Lựa chọn phiếm hàm và cơ sở cho tính toán DFT chính xác
Việc lựa chọn phiếm hàm (ví dụ: DFT/B3LYP, DFT/PBE) và cơ sở ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của tính toán DFT. Các phiếm hàm khác nhau có thể cho kết quả khác nhau về tần số dao động và cường độ phổ. Cần thực hiện các kiểm tra và so sánh với dữ liệu thực nghiệm để lựa chọn phiếm hàm và cơ sở phù hợp nhất cho D-Glucose. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về D-Glucose nói riêng và các phân tử saccharide nói chung đã được công bố.
III. Phương Pháp Tính Toán Phổ Dao Động D Glucose Bằng DFT
Để tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT, cần thực hiện các bước sau: tối ưu hóa cấu trúc, tính toán tần số dao động, và phân tích phương thức dao động chuẩn. Quá trình này thường được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như Gaussian, VASP, hoặc Quantum ESPRESSO. Kết quả tính toán cho phép xác định các chế độ dao động đặc trưng của D-Glucose và so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Sử dụng phần mềm DMol3 có thể dự đoán được các quá trình xảy ra ở cấp độ phân tử, các cấu trúc tinh thể của vật rắn và các tương tác bề mặt.
3.1. Tối ưu hóa cấu trúc phân tử D Glucose bằng DFT
Tối ưu hóa cấu trúc là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong tính toán DFT. Mục tiêu là tìm ra cấu trúc phân tử có năng lượng thấp nhất, tương ứng với cấu trúc ổn định nhất của D-Glucose. Quá trình này đòi hỏi sự hội tụ của các lực và năng lượng, đảm bảo rằng cấu trúc đã được tối ưu hóa hoàn toàn. Đồ thị năng lượng của quá trình tối ưu hóa mô hình D-Glucose.
3.2. Tính toán tần số dao động và phân tích phương thức chuẩn
Sau khi tối ưu hóa cấu trúc, bước tiếp theo là tính toán tần số dao động. Quá trình này cho phép xác định các tần số dao động của các liên kết và nhóm chức trong phân tử D-Glucose. Phân tích phương thức dao động chuẩn giúp xác định loại dao động (ví dụ: kéo giãn, uốn) tương ứng với mỗi tần số. Khi biết được hàm sóng của các điện tử chương trình sẽ cho ta biết được các thông tin khác như mật độ điện tử, mật độ điện tích, tính chất quang, phổ phát quang, phổ dao động, năng lượng của phản ứng, mật độ trạng thái và cấu trúc vùng năng lượng…
IV. Ảnh Hưởng Của Dung Môi Đến Phổ Dao Động D Glucose DFT
Sự hiện diện của dung môi có thể ảnh hưởng đáng kể đến phổ dao động của D-Glucose. Các tương tác giữa D-Glucose và phân tử dung môi (ví dụ: nước) có thể làm thay đổi tần số dao động và cường độ phổ. Việc sử dụng các mô hình dung môi như Polarizable Continuum Model (PCM) cho phép mô phỏng ảnh hưởng của dung môi đến phổ dao động một cách chính xác. Những bằng chứng về sự chuyển hóa một phần từ cấu trúc của D-Glucose sang D-Glucose khi có ảnh hưởng của thành phần H2O lên cấu trúc phân tử D-Glucose đã được phát hiện bằng phương pháp SFG [18].
4.1. Mô phỏng ảnh hưởng của nước bằng mô hình PCM trong DFT
Mô hình PCM là một phương pháp phổ biến để mô phỏng ảnh hưởng của dung môi đến tính toán DFT. PCM coi dung môi như một môi trường liên tục có hằng số điện môi xác định, cho phép tính toán các tương tác tĩnh điện giữa D-Glucose và dung môi. Các vị trí đặt phân tử H2O vào mô hình đã được tối ưu của D- Glucose.
4.2. So sánh phổ dao động D Glucose trong pha khí và dung dịch
So sánh phổ dao động của D-Glucose trong pha khí và dung dịch giúp làm rõ ảnh hưởng của dung môi đến các chế độ dao động của phân tử. Sự thay đổi về tần số dao động và cường độ phổ có thể cung cấp thông tin về các tương tác giữa D-Glucose và dung môi. Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm-1 a. Khi có 1 H2O ở vị trí 1 c. Khi có 1 H2O ở vị trí 2 d.
V. Ứng Dụng Kết Quả Tính Toán Phổ Dao Động D Glucose DFT
Kết quả tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT có nhiều ứng dụng quan trọng. Chúng có thể được sử dụng để giải thích và xác nhận các kết quả thực nghiệm từ phổ IR và phổ Raman, cũng như để nghiên cứu các tương tác giữa D-Glucose và các phân tử khác. Ngoài ra, kết quả tính toán có thể được sử dụng để phát triển các phương pháp phân tích và nhận dạng D-Glucose dựa trên tính chất quang phổ. Với mục đích dùng kết quả thu được từ tính toán lý thuyết để làm sáng tỏ những kết quả thực nghiệm trước đó tôi đã thực hiện đề tài: “Tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT”.
5.1. So sánh kết quả DFT với phổ IR và Raman thực nghiệm
So sánh kết quả tính toán DFT với phổ IR và phổ Raman thực nghiệm là một cách quan trọng để đánh giá độ chính xác của phương pháp tính toán. Sự phù hợp giữa kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp DFT đã mô tả chính xác các chế độ dao động của D-Glucose. Phổ Raman của α-D-Glucose trong khoảng tần số từ 0–4000 cm-1.
5.2. Ứng dụng trong phân tích và nhận dạng D Glucose
Kết quả tính toán phổ dao động có thể được sử dụng để phát triển các phương pháp phân tích và nhận dạng D-Glucose dựa trên tính chất quang phổ. Ví dụ, có thể sử dụng phổ Raman tính toán để xác định sự có mặt của D-Glucose trong một mẫu phức tạp. Trong công nghiệp thực phẩm Glucose được sử dụng làm chất bảo quản. Trong y học, Glucose là nguồn năng lượng chủ yếu và trực tiếp của cơ thể, được dự trữ ở gan dưới dạng glycogen.
VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tính Toán Phổ D Glucose DFT
Việc tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của phân tử này. Mặc dù có những thách thức nhất định, nhưng với sự phát triển của các phương pháp tính toán và phần mềm, độ chính xác và hiệu quả của tính toán DFT ngày càng được nâng cao. Trong tương lai, có thể kỳ vọng rằng tính toán DFT sẽ đóng vai trò quan trọng hơn nữa trong việc nghiên cứu D-Glucose và các phân tử sinh học khác. Vì vậy, chúng tôi đã sử dụng phương pháp DFT để tính toán phổ dao động của một số vật liệu nhằm giải thích các kết quả thực nghiệm đã thu được trước đó.
6.1. Tóm tắt kết quả và đánh giá độ chính xác của DFT
Luận văn này đã trình bày các kết quả tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT. So sánh với dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng DFT có thể mô tả chính xác các chế độ dao động chính của D-Glucose, mặc dù vẫn còn một số sai lệch nhỏ. Trên thế giới có nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng về việc sử dụng phần mềm DMol3 tính toán dựa trên lý thuyết DFT có độ chính xác cao trong việc nghiên 1 z cứu phổ dao động của các vật liệu [19].
6.2. Hướng phát triển và cải tiến phương pháp tính toán DFT
Trong tương lai, có thể cải tiến phương pháp tính toán DFT bằng cách sử dụng các phiếm hàm và cơ sở tiên tiến hơn, cũng như bằng cách kết hợp với các phương pháp khác như Molecular Dynamics để mô phỏng các hiệu ứng nhiệt độ và dung môi một cách chính xác hơn. Thành phần tham gia vào cấu trúc của tế bào (ARN và ADN) và một số chất đặc biệt khác [38]
