界面耦合與結(jié)構(gòu)無序?qū)NA分子電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響.pdf

1、脫氧核糖核酸(DNA)是復(fù)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(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分子的電荷輸運(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)科研究的熱點(diǎn)。研究發(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，但其電荷輸運(yùn)機(jī)制目前尚不清楚，甚至存在很大爭議。DNA分子的電荷輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)表明DNA分子呈現(xiàn)導(dǎo)體、半

2、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分子中的傳輸機(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，都具有重要的科學(xué)意義。 DNA分子中巡游電子數(shù)密度是可變的。DNA的導(dǎo)電通道由π電子體系組成，由于DNA的內(nèi)部構(gòu)造和分子類型以及分子所處環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性等，這些因素都會(huì)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(gè)可變的未知數(shù)。

3、 DNA分子是復(fù)雜的生物大分子，具有軟性，其電荷輸運(yùn)易受來自內(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。由于DNA自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，人們一直在尋找最為恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠韺?duì)它進(jìn)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(gè)模型從不同的側(cè)重點(diǎn)來研究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。以上理論工作部分解釋了

4、DNA分子豐富的電學(xué)性質(zhì)。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(jié)構(gòu)，而實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA分子的空間構(gòu)形對(duì)其電荷輸運(yùn)性質(zhì)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(duì)DNA分子電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響。具體內(nèi)容和主要結(jié)果如下： 1、巡游電子數(shù)密度對(duì)DNA分子電子結(jié)構(gòu)和電荷輸運(yùn)性質(zhì)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(duì)其電子結(jié)構(gòu)有顯著地影響，可直接導(dǎo)致DNA導(dǎo)電性質(zhì)的變化，Poly(dG)-Poly(dC)的晶格位形和電子結(jié)構(gòu)會(huì)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(jù)軌道(HOMO)之間的能量差)隨之改變，使得整個(gè)體系呈現(xiàn)不同的導(dǎo)電性質(zhì)，呈現(xiàn)出導(dǎo)體，半導(dǎo)體或絕緣體性質(zhì)。 1.2計(jì)算了Poly(dG)-Poly(dC)的基態(tài)及激發(fā)態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)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(zhì)，結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致。 2、界面耦合對(duì)金屬電極/DNA分子異質(zhì)結(jié)構(gòu)電荷輸運(yùn)性質(zhì)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(duì)DNA分子電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，界面耦合理想時(shí)，透射率和電子定域長度都很大，分子呈現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；反之，透射率和電子定域長度減小，分子導(dǎo)電性變差。當(dāng)分子與金屬電極之間理想耦合時(shí)，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(dǎo)電性優(yōu)于Poly(dA)-Poly(dT)的導(dǎo)電性。 3、結(jié)構(gòu)無序?qū)NA分子電荷輸運(yùn)性質(zhì)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(jié)構(gòu)無序?qū)NA分子電荷輸運(yùn)的影響。由單一基對(duì)G/C構(gòu)成的Poly(dG)-Poly(dC)具有較好的透射率