界面耦合與結構無序對DNA分子電荷輸運性質的影響.pdf

1、脫氧核糖核酸(DNA)是復雜的生物大分子，是生命遺傳信息的載體。近年來由于生命科學中的基因損傷與修復等原因以及分子納米器件的應用與發(fā)展，DNA分子的電荷輸運性質成為當前生命科學、物理、化學、材料科學等多個交叉學科研究的熱點。研究發(fā)現(xiàn)，電荷轉移反應產物能導致細胞突變，光誘導電荷轉移氧化損傷DNA分子或光誘導電荷轉移修復DNA分子可治療腫瘤等，但其電荷輸運機制目前尚不清楚，甚至存在很大爭議。DNA分子的電荷輸運實驗表明DNA分子呈現(xiàn)導體、半

2、導體、絕緣體等豐富的電學性質。所以如何從理論上解釋這一現(xiàn)象，弄清電荷在DNA分子中的傳輸機理，為利用DNA分子設計分子器件提供理論基礎，同時為DNA的突變和修復規(guī)律提供理論解釋，都具有重要的科學意義。 DNA分子中巡游電子數(shù)密度是可變的。DNA的導電通道由π電子體系組成，由于DNA的內部構造和分子類型以及分子所處環(huán)境的復雜性和多樣性等，這些因素都會影響著DNA分子中的巡游電子數(shù)，因此主鏈上的萬電子數(shù)目成為一個可變的未知數(shù)。

3、 DNA分子是復雜的生物大分子，具有軟性，其電荷輸運易受來自內部和外部的多種因素的影響，例如：分子構形、堿基序列、溫度、濕度、溶液、雜質等。由于DNA自身結構的復雜性，人們一直在尋找最為恰當?shù)哪Ｐ蛠韺λM行研究，到目前為止，已建立了一維緊束縛模型，魚骨模型，梯子模型，三維緊束縛模型等幾個模型從不同的側重點來研究DNA分子中的電荷輸運現(xiàn)象。同時，各種因素對DNA分子的電子結構及其電荷輸運特性的影響也被廣泛研究。以上理論工作部分解釋了

4、DNA分子豐富的電學性質。DNA分子的一維緊束縛模型把DNA分子簡化為一維分子鏈，忽略了其雙螺旋結構，而實驗證實DNA分子的空間構形對其電荷輸運性質有重要影響，所以我們借鑒D.Hennig等人提出的三維緊束縛模型，建立了描述DNA分子的三維緊束縛模型。在本文中，我們擬采用三維緊束縛模型，系統(tǒng)研究了若干因素對DNA分子電荷輸運性質的影響。具體內容和主要結果如下： 1、巡游電子數(shù)密度對DNA分子電子結構和電荷輸運性質的影響1.1考

5、慮到DNA是一種柔性大分子，巡游電子數(shù)變化對其電子結構有顯著地影響，可直接導致DNA導電性質的變化，Poly(dG)-Poly(dC)的晶格位形和電子結構會隨著巡游電子數(shù)變化而發(fā)生改變，能隙(最低空軌道(LUMO)與最高電子占據軌道(HOMO)之間的能量差)隨之改變，使得整個體系呈現(xiàn)不同的導電性質，呈現(xiàn)出導體，半導體或絕緣體性質。 1.2計算了Poly(dG)-Poly(dC)的基態(tài)及激發(fā)態(tài)的能帶結構和晶格位形，探討了分子凈電

6、荷分布，研究了DNA分子的載流子性質，結果表明極化子是帶電DNA分子呈現(xiàn)的主要元激發(fā)，這與實驗結論相一致。 2、界面耦合對金屬電極/DNA分子異質結構電荷輸運性質的影響采用三維緊束縛模型和傳遞矩陣方法研究了界面相互作用對DNA分子電荷輸運性質的影響。結果表明，界面耦合理想時，透射率和電子定域長度都很大，分子呈現(xiàn)出良好的導電性；反之，透射率和電子定域長度減小，分子導電性變差。當分子與金屬電極之間理想耦合時，從伏安特性上，我們發(fā)現(xiàn)

7、，Poly(dG)-Poly(dC)的開啟電壓小于Poly(dA)-Poly(dT)的開肩電壓，并且在相同的偏壓下，前者的電流值要大于后者，因此Poly(dG)-Poly(dC)的導電性優(yōu)于Poly(dA)-Poly(dT)的導電性。 3、結構無序對DNA分子電荷輸運性質的影響采用傳遞矩陣的方法研究了堿基序列無序和雙螺旋結構無序對DNA分子電荷輸運的影響。由單一基對G/C構成的Poly(dG)-Poly(dC)具有較好的透射率