Comparative density functional theory and density functional tight binding study of arginine and arginine-rich cell penetrating peptide TAT adsorption on anatase TiO2

文献情報

出版日 2016-06-29
DOI 10.1039/C6CP02671K
インパクトファクター 3.676
著者

Wenxuan Li, Konstantinos Kotsis, Sergei Manzhos


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要旨

We present a comparative density functional theory (DFT) and density functional tight binding (DFTB) study of geometries and electronic structures of arginine (Arg), arginine adsorbed on the anatase (101) surface of titania in several adsorption configurations, and of an arginine-rich cell penetrating peptide TAT and its adsorption on the surface of TiO2. Two DFTB parameterizations are considered, tiorg-0-1/mio-1-1 and matsci-0-3. While there is good agreement in the structures and relative energies of Arg and peptide conformers between DFT and DFTB, both adsorption geometries and energies are noticeably different for Arg adsorbed on TiO2. The tiorg-0-1/mio-1-1 parameterization performs better than matsci-0-3. We relate this difference to the difference in electronic structures resulting from the two methods (DFT and DFTB) and specifically to the band alignment between the molecule and the oxide. We show that the band alignment of TAT and TiO2 modeled with DFTB is qualitatively correct but that with DFT using the PBE functional is not. This is specific to the modeling of large molecules where the HOMO is close to the conduction band of the oxide. We therefore report a case where the approximate DFT-based method – DFTB (with which the correct band structure can be effectively obtained) – performs better than the DFT itself with a functional approximation feasible for the modeling of large bio-inorganic interfaces, i.e. GGA (as opposed to hybrid functionals which are impractical at such a scale). Our results highlight the utility of the DFTB method for the modeling of bioinorganic interfaces not only from the CPU cost perspective but also from the accuracy point of view.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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