Page 87 - 化学分析与检测技术

第三章 材料模拟技术的应用

溶液中壳聚糖由于分子间的疏水作用而快速聚集，并有效封装石墨烯量子点，而
高酸性溶液中壳聚糖链相对坚硬，并且由于静电排斥作用而难以聚集，导致石墨
烯量子点的包埋效率低。李嘉辰等模拟了壳聚糖与氮化硼纳米管（BNNTs）复合
系统封装及运输抗癌药物阿霉素（DOX）的过程，从分子水平揭示了壳聚糖与

BNNTs 复合材料封装及运输 DOX 的可行性，为药物载体材料的设计与应用提供
指导和理论依据。量子力学法通过计算分子结构中的电荷密度、能级、前线轨道
等参数来分析物质的微观性质。Sousa 等在研究壳聚糖磁性纳米粒子对防腐剂氯
己定二葡萄糖酸盐的定量测定时，通过量子力学模拟解释了氯己定二葡萄糖酸盐

的氧化过程，磁性壳聚糖纳米粒子的修饰引发了其几何结构的改变，导致了最高
占据分子轨道的变化，促进氧化过程。卢曦通过量子化学计算，对羧甲基壳聚糖
吸附二价镉离子的吸附体系进行计算与分析，从电荷分布、结合能、吸附构型等
参数确定了羧甲基壳聚糖与镉离子发生配位的主要位置，即氨基、羟基、环醚和

羧基。
（二）分子模拟软件
目前分子模拟软件数目众多，各有优势和特色，针对不同问题选择合
适的模拟软件至关重要。研究者常用的计算软件有 Hyperchem、Gaussian、

MaterialsStudio、LAMMPS 等软件。这些常用软件的应用领域、理论方法、适用
范围以及软件特色如下。
Hyperchem 支持半经验算法、从头算法和密度泛函理论，预测可见－紫外光
谱，进行分子轨道分析、几何优化等，应用于蛋白质、酶、核酸等生物大分子，

分析材料的分子构造、电子结构、轨道等，具有灵活性高、易操作、图形美观、
初学者易操作等特点。
Gaussian 基于半经验、从头算法和密度泛函理论预测光谱特性、晶体结构、
周期性体系的结构和性质，研究各种有机物、金属等体系的化学反应机理、取代

效应、势能面和激发能等，具有集成过渡态能量和结构、分子结构和能量、原子
电荷和电势、化学键和反应能量、红外和拉曼光谱模拟等多种重要功能的特点。
MaterialsStudio 有 Universial、Compass、Forcite、Castep、Dmol3 等多种力
场和模块可模拟聚合、催化、结晶与衍射等多种化学过程，应用于半导体、金属

及陶瓷等多种材料，分析晶体的结构及性质，能开展 X 射线衍射模拟，具有可
以模拟溶液、气相、固体及表面的过程及性质，同时还可以考虑溶剂化效应的特点。

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