1.2多巴胺分子特性介绍

多巴胺（C6H3（OH）2-CH2-CH2-NH2）是一种小而相对简单的分子，是存在于哺乳动物中枢神经系统中的一种重要儿茶酚胺神经递质，在神经系统中起重要作用[21]。多巴胺在20世纪50年代后期被Carlsson认定为脑中的潜在神经递质可以执行多种功能[13]。人们发现多巴胺受体涉及许多神经学过程，包括动机，快乐，认知，记忆，学习和精细运动控制，以及神经内分泌信号的调节[14-17]。多巴胺受体信号异常和多巴胺神经功能异常与几种神经系统疾病有关[14-17]。例如，神经科学家还发现在被称为尾状核的大脑区域中多巴胺的量高（50nmol/g）[13,18,19]。

在20世纪60年代，神经科学家发现帕金森病患者在尾状核区的多巴胺几乎完全被消耗了[13,18,19]。所以多巴胺水平降低会导致脑障碍，如帕金森综合征[22]。另一方面，已知高水平的多巴胺具有心脏毒性，能导致心脏电生理功能障碍[20]。还有精神分裂症也可能与多巴胺的过量活性相关[22]。多巴胺被神经元用于参与动机加强的几个脑区域，其中最重要的是伏隔核[23-26]。所以可以认为多巴胺的电化学行为在生理功能中起的重要作用是临床医学中某些疾病诊断的关键依据[23-26]。

另外，多巴胺的检测除了在医学方面的有应用，在食品安全方面也有应用。肉类的安全已成为消费者的主要食品安全问题。因为多巴胺作为肾上腺素能神经兴奋剂可以建立肌肉而不是脂肪，所以多巴胺作为一种广泛的“瘦肉粉”，被添加到动物饲料中。大多数国家禁止在动物饲料中使用多巴胺，所以必须防止多巴胺在肉类养殖中的非法使用。因此，我们认为肉类样品中的多巴胺测定可以作为重要的课题来研究。

1.3ZnO与多巴胺的研究现状及问题

生物传感器是用于检测生物分析物的非常重要的设备，并且在许多科学领域都有应用。较多的学者利用例如ZnO纳米颗粒，ZnO纳米棒等形貌的ZnO纳米结构制造检测多巴胺分子的生物传感器，构建了能检测多巴胺等内源性分子的生物传感器。例如，LiZhihua[27]等人开发了一种基于ZnO装饰的RGO复合材料测定肉类中多巴胺的新型传感器[27]。KooroshFooladsaz等人[28]设计的CAT/ZnONps/CPE多巴胺生物传感器[28]。SamiElhag[29]等人使用PVC与β-CD作为离子载体结合起作用的ZNR（ZnO纳米棒）可直接通过物理吸附法检测多巴胺[29]。由于这些传感器信号并不直接来源于ZnO与多巴胺之间的相互作用，也正因如此，少有文献报道ZnO与多巴胺分子直接相互作用的结果。所以我用DFTB+软件利用第一性原理对ZnO与多巴胺分子界面特性进行研究，希望计算ZnO与多巴胺分子的直接相互作用，为关于多巴胺与ZnO直接作用的生物传感器提供机理解释。

第二章 DFTB软件计算的原理

2.1密度泛函理论

密度泛函理论全部建立在有Kohn和Hohenberg所证明的两个基本定理，以及有Kohn和Sham在1960年代中期所推演的一套方程的基础上[30]。其中，有Kohn和Hoshenberg所证明的第一个理论：薛定谔方程得到的基态能量是电荷密度的唯一函数[30]。该定理表明：在基态波函数和基态电荷密度之间，存在一一对应的关系[30]。这个理论的另一个表述是：基态电荷密度唯一决定了基态的所有性质，包括能量好波函数[30]。这意味着：可以通过找到三个空间变量的电荷密度函数来求解Schrodinger方程，而不是求解得到包含有3N个变量的波函数[30]。更准确的说，可以通过找到三个空间变量的电荷密度函数得到基态能量[30]。

第一个Hohenberg-Kohn定理严格证明了存在一个可用来求解薛定谔方程的电荷密度泛函，但该理论并没有给出这个泛函的具体形式[30]。第二个Hohenberg-Kohn定理给出了这个泛函的一个重要特征：使整体泛函最小化的电荷密度就是对应与薛定谔方程完全解的真实电荷密度[30]。如果已知这个“真实的”泛函形式，那么就能通过不断调整电荷密度直到由泛函所确定的能量达到最小化，并可以找到相应的电荷密度[30]。实际上，该变分原理常用于泛函的近似表达形式。