DNA分子的電子結(jié)構(gòu)及其電荷輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、近年來(lái)由于生命科學(xué)中的基因損傷與修復(fù)等原因以及分子納米器件的應(yīng)用與發(fā)展，DNA的電荷輸運(yùn)性質(zhì)成為當(dāng)前生命科學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)。研究已初步發(fā)現(xiàn)，電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)物能導(dǎo)致細(xì)胞突變，光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移氧化損傷DNA分子或光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移修復(fù)DNA分子可治療腫瘤等。例如，當(dāng)DNA分子受到電離輻射或紫外線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子，這個(gè)電子被別的原子捕獲前可能沿著DNA分子鏈運(yùn)動(dòng)，所以有人認(rèn)為DNA分子有可能是快速的、不依賴于距離的電

2、子轉(zhuǎn)移通道。同時(shí)，DNA分子具有兩個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即自識(shí)別和自組裝功能。另一方面，近幾十年來(lái)，電子信息技術(shù)迅猛發(fā)展，芯片上的晶體管越來(lái)越密集，速度也越來(lái)越快。按照半導(dǎo)體工業(yè)著名的摩爾定律，每18個(gè)月左右，芯片的運(yùn)算速度就增加一倍、尺寸減小一半。但由于熱耗散和不同組件間電容耦合的存在，其發(fā)展速度將受到傳統(tǒng)印刷電路制版技術(shù)的限制，預(yù)計(jì)到2010年，就會(huì)達(dá)到其物理的極限。因?yàn)榘凑瘴㈦娮蛹夹g(shù)器件越來(lái)越小的發(fā)展思路，將會(huì)面對(duì)無(wú)法逾越的量子效應(yīng)。傳統(tǒng)

3、的以硅、鍺等半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的電子器件，其信息的傳輸原理是根據(jù)半導(dǎo)體的能帶輸運(yùn)理論，但是，當(dāng)體系的尺度達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，能帶就變成了分立的能級(jí)，體系呈現(xiàn)出量子效應(yīng)，能帶論不再適用。為了使電路小型化，進(jìn)一步提高電路的集成度和運(yùn)算速度，突破電路小型化的物理極限，40年前，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、量子物理學(xué)家費(fèi)曼提出了一種新的電路設(shè)計(jì)理念，即從底到頂?shù)脑O(shè)計(jì)思想。費(fèi)曼在題為《底部還有很大空間》的演講中提出：為什么我們不可以從另一個(gè)角度出發(fā)，從單個(gè)分子甚至

4、單個(gè)原子開(kāi)始組裝，以達(dá)到我們的要求——“至少依我看來(lái)，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性”。費(fèi)曼假定，一旦原子的語(yǔ)言被簡(jiǎn)潔地編碼后，就可以對(duì)分子進(jìn)行精確的工程加工，把一個(gè)原子放到另一個(gè)原子上，制造出最小的人工機(jī)器來(lái)。這一物理思想被認(rèn)為是分子電子學(xué)和納米科技的起源。分子電子學(xué)的基本思想是：用單個(gè)的分子作為導(dǎo)線、分子開(kāi)關(guān)、分子整流器、分子晶體管和存儲(chǔ)器等。這些分子器件能夠通過(guò)物理和化學(xué)作用完成信息的傳輸、監(jiān)測(cè)、處理和存儲(chǔ)的

5、功能，進(jìn)而達(dá)到組裝完整的計(jì)算機(jī)的目的。在器件持續(xù)小型化的這種趨勢(shì)下分子電子學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)是，納米尺度的分子構(gòu)造是用從底到頂?shù)姆椒?，可以一次合成的?shù)量巨大，能夠降低成本。在最近的20年里，分子電子學(xué)取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，2001年12月21日，Science雜志將分子電子學(xué)所取得的一系列成就評(píng)為當(dāng)年年度十大科技進(jìn)步之首。現(xiàn)階段，分子電子學(xué)的主要任務(wù)是尋找和研究性能優(yōu)異的分子器件材料，象有機(jī)小分子、生物大分子和碳納米管等都是被廣泛研究的材料

6、。DNA分子具有自識(shí)別和自組織兩個(gè)獨(dú)特性質(zhì)，如果再具有導(dǎo)電性，將是納米導(dǎo)線及分子器件的理想材料。但其電荷輸運(yùn)機(jī)制目前尚不清楚，甚至存在很大爭(zhēng)議。DNA分子的電荷輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)顯示DNA分子呈現(xiàn)出導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等豐富的電學(xué)性質(zhì)。所以如何從理論上解釋這一現(xiàn)象，弄清電荷在DNA中的傳輸機(jī)理，為利用DNA分子設(shè)計(jì)分子器件提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)為DNA的突變和修復(fù)規(guī)律提供理論解釋，闡明DNA結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)藏的生命過(guò)程的各種信息，具有重要的科學(xué)意義。

7、 DNA分子是復(fù)雜的生物大分子，具有軟性。其電荷輸運(yùn)行為易受來(lái)自內(nèi)部和外部的多種因素的影響，例如：分子構(gòu)形、堿基序列、溫度、濕度、溶液、雜質(zhì)等。目前，科學(xué)家提出了單步隧穿，多步隧穿，熱躍遷及極化子傳輸?shù)葞追N輸運(yùn)機(jī)制來(lái)解釋DNA分子中的電荷輸運(yùn)現(xiàn)象。另一方面，由于DNA自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，科學(xué)家一直在尋找一個(gè)最為恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠?lái)對(duì)它進(jìn)行研究，到目前為止，科學(xué)家已建立了一維緊束縛模型、魚(yú)骨模型、梯子模型、三維緊束縛模型等幾個(gè)模型從不同的側(cè)重點(diǎn)來(lái)研

8、究DNA分子中的電荷輸運(yùn)現(xiàn)象。同時(shí)，各種因素對(duì)DNA分子的電子結(jié)構(gòu)及其電荷輸運(yùn)特性的影響也被廣泛研究。以上理論工作部分地解釋了DNA分子所呈現(xiàn)出的豐富的電學(xué)性質(zhì)。 通過(guò)廣泛調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)DNA分子中巡游電子數(shù)密度是可變的。從理論上鍵時(shí)SP、Sp<'2>軌道雜化產(chǎn)生的，DNA分子中的糖基和四種堿基都是由碳、氧、氮等組成的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，其軌道雜化情況較為復(fù)雜。另一方面DNA分子具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，其對(duì)稱性較低，分子中存在大量的懸掛鍵，這些懸

9、掛鍵上的未成對(duì)電子也會(huì)進(jìn)入π-電子系統(tǒng)。所以DNA分子中的巡游電子數(shù)密度易受內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的影響，其巡游電子數(shù)密度是可變的。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也證明其巡游電子數(shù)密度與DNA分子的組分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，受實(shí)驗(yàn)條件的影響。例如，Yao等人的實(shí)驗(yàn)證明Poly(dG)-Poly(dC)是P型半導(dǎo)體，而Poly(dA)-Poly(dT)是N型半導(dǎo)體，說(shuō)明Poly(dG)-Poly(dC)中的多子是空穴，Poly(dA)-Poly(dT)中的多子是電子