محاسبه پارامترهای EPR رادیکال‌های حاصل از تابش و تنش مکانیکی آلفا کراتین بر پایه نظریه تابعی چگالی

بابایی بیدمشکی, نادیا; جانبازی, مهدی; تقی پور آذر, یاور; ضیائی, فرهود

doi:10.22055/jrmbs.2021.16834

محاسبه پارامترهای EPR رادیکال‌های حاصل از تابش و تنش مکانیکی آلفا کراتین بر پایه نظریه تابعی چگالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

¹ پژوهشکده کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

² پژوهشکده فوتونیک و فناورهای کوانتومی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

³ پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

10.22055/jrmbs.2021.16834

چکیده

در پژوهش حاضر با استفاده از نظریه تابعی چگالی، پارامترهای هندسی، چگالی اسپین اتم‌ها و پارامترهای طیف EPR حاصل از رادیکال‌های ایجاد شده در اثر تابش و تنش مکانیکی آلفا کراتین مورد بررسی قرار گرفته است. عموماً فاکتورهای مختلفی از جمله پیوندهای هیدروژنی و دما، پارامترهای EPR را تحت تأثیر قرار می‌دهند. ابتدا از محاسبات خوشه جهت مطالعه تأثیر پیوندهای هیدروژنی استفاده شد و سپس محاسبات دینامیک مولکولی ابتدا به ساکن جهت بررسی تأثیر همزمانی پیوندهای هیدروژنی و دما بکار گرفته شد. تغییر مولفه‌های تانسور g و ثابت جفت‌شدگی، وابسته به تغییر پارامترهای هندسی و چگالی اسپین اتم‌هاست. به دلیل کوچک بودن میزان تغییر پارامترهای هندسی و چگالی اسپین اتم‌ها بین دو مدل خوشه و دینامیک مولکولی برای رادیکال‌های حاصل از تابش و تنش مکانیکی، اختلاف بین پارامترهای EPR محاسبه شده با استفاده از دو مدل مذکور نیز ناچیز است. نتایج نشان داد که توافق خوبی میان پارامترهای EPR محاسبه شده و نتایج تجربی وجود دارد. همچنین، نتایج بدست آمده از محاسبات دینامیک مولکولی به دلیل در نظر گرفتن تأثیر دمای محیط توافق بهتری نسبت به مدل خوشه با داده‌های تجربی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

EPR Parameter Calculations of Radiation and Mechanically Induced Radicals in Alpha keratin Based on Density Functional Theory

نویسندگان [English]

Nadia Babaie ¹
mehdi janbazi ²
Yavar Taghipour Azar ³
Farhood Ziaie ¹

¹ Radiation Application Research School, Nuclear Science & Technology Research Institute, Tehran, Iran

² Photonics and Quantum Technologies Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Tehran, Iran

³ Physics & Accelerator Research School, Nuclear Science & Technology Research Institute, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this research, the geometrical parameters, the spin density of atoms, and the EPR parameters of radiation and mechanically induced radicals in alpha keratin were investigated using density functional theory. Generally, various factors such as hydrogen bonds and temperature impact the EPR parameters. First, cluster calculations were used to study the effect of hydrogen bonds, and then ab-initio molecular dynamics calculations were used to investigate the simultaneous effects of hydrogen bonds and temperature. Variation of the g tensor components and the coupling constants are dependent on the change of the geometrical parameters and the spin density of the atoms. Due to being a small variation of the geometrical parameters and the spin density of the atoms between the cluster model and the molecular dynamics for the radiation and the mechanically induced radicals, the difference between calculated EPR parameters by means of two mentioned models is insignificant. The result shows a good agreement between the calculated EPR parameters and the experimental results. Also, due to the considering of the ambient temperature effect, the obtained results from the molecular dynamic calculation have a better agreement with the experimental data in comparison to the cluster model.

کلیدواژه‌ها [English]

Alpha-keratin
Density functional theory
Ab initio molecular dynamics
Cluster
g-tensor
Hyperfine coupling constant

مراجع

[1] A. Romanyukha, F. Trompier, B. LeBlanc, C. Calas, I. Clairand, C. Mitchell, J.G. Smirniotopoulos, H. Swartz, EPR dosimetry in chemically treated fingernails, Radiation measurements 42 (2007) 1110-1113. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2007.05.026

[2] A. Noori, F. Ziaie, Retrospective dosimetry using fingernail in nuclear industries: A review paper, Iranian Journal of Radiation Safety and Measurement 7 (2019) 1-18. http://rsm.kashanu.ac.ir/article-1-287-en.html

[3] R. Reyes, A. Romanyukha, F. Trompier, C. Mitchell, I. Clairand, T. De, L. Benevides, H. Swartz, Electron paramagnetic resonance in human fingernails: the sponge model implication, Radiation and environmental biophysics 47 (2008) 515. https://doi.org/10.1007/s00411-008-0178-8

[4] A. Noori, M. Mostajaboddavati, F. Ziaie, Retrospective dosimetry using fingernail electron paramagnetic resonance response, Nuclear Engineering and Technology 50 (2018) 526-530. https://doi.org/10.1016/j.net.2018.01.014

[5] R. Dey, Y. Xia, M.-P. Nieh, P. Burkhard, Molecular Design of a Minimal Peptide Nanoparticle, ACS Biomaterials Science & Engineering 3 (2016) 724-732. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.6b00243

[6] D.D.S. Baião, C.S. De Freitas, L.P. Gomes, D. Da Silva, A.C.N. Correa, P.R. Pereira, E.M.D. Aguila, V.M.F. Paschoalin, Polyphenols from root, tubercles and grains cropped in Brazil: Chemical and nutritional characterization and their effects on human health and diseases, Nutrients 9 (2017) 1044. https://doi.org/10.3390/nu9091044

[7] H. Chandra, M.C. Symons, Sulphur radicals formed by cutting α-keratin, Nature 328 (1987) 833. https://doi.org/10.1038/328833a0

[8] F. Trompier, A. Romanyukha, R. Reyes, H. Vezin, F. Queinnec, D. Gourier, State of the art in nail dosimetry: free radicals identification and reaction mechanisms, Radiation and environmental biophysics 53 (2014) 291-303. https://doi.org/10.1007/s00411-014-0512-2

[9] A. Noori, F. Ziaie, M. Mostajab, EPR measurement of environmental radiation using human fingernails, Radiochimica Acta 106 (2018) 703-707. https://doi.org/10.1515/ract-2017-2902

[10] M. Janbazi, Y.T. Azar, F. Ziaie, Investigation of solution effect on the EPR spectrum of alanine radicals based on Density Functional Theory (DFT) (2018). https://ijpr.iut.ac.ir/article_1341.html

[11] M. Janbazi, Y.T. Azar, F. Ziaie, EPR parameters of L-α-alanine radicals in aqueous solution: a first-principles study, Molecular Physics 116 (2018) 1795-1803. https://doi.org/10.1080/00268976.2018.1456684

[12] H. Elgabarty, M. Wolff, A. Glaubitz, D. Hinderberger, D. Sebastiani, First principles calculation of inhomogeneous broadening in solid-state cw-EPR spectroscopy, Physical Chemistry Chemical Physics 15 (2013) 16082-16089. https://doi.org/10.1039/C3CP51938D

[13] E. Pauwels, H. De Cooman, M. Waroquier, E.O. Hole, E. Sagstuen, Solved? The reductive radiation chemistry of alanine, Physical Chemistry Chemical Physics 16 (2014) 2475-2482. https://doi.org/10.1039/C3CP54441A

[14] M. Gafurov, T. Biktagirov, G. Mamin, E. Klimashina, V. Putlayev, L. Kuznetsova, S. Orlinskii, The Interplay of manganese and nitrate in hydroxyapatite nanoparticles as revealed by pulsed EPR and DFT, Physical Chemistry Chemical Physics 17 (2015) 20331-20337. https://doi.org/10.1039/C5CP01986A

[15] M. Valiev, E.J. Bylaska, N. Govind, K. Kowalski, T.P. Straatsma, H.J. Van Dam, D. Wang, J. Nieplocha, E. Apra, T.L. Windus, NWChem: a comprehensive and scalable open-source solution for large scale molecular simulations, Computer Physics Communications 181 (2010) 1477-1489. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2010.04.018

[16] J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple, Physical review letters 77 (1996) 3865. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

[17] J. VandeVondele, J. Hutter, Gaussian basis sets for accurate calculations on molecular systems in gas and condensed phases, The Journal of chemical physics 127 (2007) 114105. https://doi.org/10.1063/1.2770708

[18] M. Ceriotti, M. Parrinello, T.E. Markland, D.E. Manolopoulos, Efficient stochastic thermostatting of path integral molecular dynamics, The Journal of chemical physics 133 (2010) 124104. https://doi.org/10.1063/1.3489925

[19]M.B. Fathi, N. Kamalkhani, Intra-molecular magnetic coupling pathways in the magnetic molecule tripyridinium bis[tetrachloroferrate(III)] chloride via analysis of density of states (DOS), Journal of Research on Many-body Systems 8 (2018) 103-111. https://jrmbs.scu.ac.ir/article_13890.html