界面耦合与结构无序对DNA分子电荷输运性质的影响

论文摘要

脱氧核糖核酸（DNA）是复杂的生物大分子,是生命遗传信息的载体。近年来由于生命科学中的基因损伤与修复等原因以及分子纳米器件的应用与发展,DNA分子的电荷输运性质成为当前生命科学、物理、化学、材料科学等多个交叉学科研究的热点。研究发现,电荷转移反应产物能导致细胞突变,光诱导电荷转移氧化损伤DNA分子或光诱导电荷转移修复DNA分子可治疗肿瘤等,但其电荷输运机制目前尚不清楚,甚至存在很大争议。DNA分子的电荷输运实验表明DNA分子呈现导体、半导体、绝缘体等丰富的电学性质。所以如何从理论上解释这一现象,弄清电荷在DNA分子中的传输机理,为利用DNA分子设计分子器件提供理论基础,同时为DNA的突变和修复规律提供理论解释,都具有重要的科学意义。DNA分子中巡游电子数密度是可变的。DNA的导电通道由π电子体系组成,由于DNA的内部构造和分子类型以及分子所处环境的复杂性和多样性等,这些因素都会影响着DNA分子中的巡游电子数,因此主链上的π电子数目成为一个可变的未知数。DNA分子是复杂的生物大分子,具有软性,其电荷输运易受来自内部和外部的多种因素的影响,例如:分子构形、碱基序列、温度、湿度、溶液、杂质等。由于DNA自身结构的复杂性,人们一直在寻找最为恰当的模型来对它进行研究,到目前为止,已建立了一维紧束缚模型,鱼骨模型,梯子模型,三维紧束缚模型等几个模型从不同的侧重点来研究DNA分子中的电荷输运现象。同时,各种因素对DNA分子的电子结构及其电荷输运特性的影响也被广泛研究。以上理论工作部分解释了DNA分子丰富的电学性质。DNA分子的一维紧束缚模型把DNA分子简化为一维分子链,忽略了其双螺旋结构,而实验证实DNA分子的空间构形对其电荷输运性质有重要影响,所以我们借鉴D.Hennig等人提出的三维紧束缚模型,建立了描述DNA分子的三维紧束缚模型。在本文中,我们拟采用三维紧束缚模型,系统研究了若干因素对DNA分子电荷输运性质的影响。具体内容和主要结果如下:1、巡游电子数密度对DNA分子电子结构和电荷输运性质的影响1.1考虑到DNA是一种柔性大分子,巡游电子数变化对其电子结构有显著地影响,可直接导致DNA导电性质的变化,Poly（dG）-Poly（dC）的晶格位形和电子结构会随着巡游电子数变化而发生改变,能隙（最低空轨道（LUMO）与最高电子占据轨道（HOMO）之间的能量差）随之改变,使得整个体系呈现不同的导电性质,呈现出导体,半导体或绝缘体性质。1.2计算了Poly（dG）-Poly（dC）的基态及激发态的能带结构和晶格位形,探讨了分子净电荷分布,研究了DNA分子的载流子性质,结果表明极化子是带电DNA分子呈现的主要元激发,这与实验结论相一致。2、界面耦合对金属电极/DNA分子异质结构电荷输运性质的影响采用三维紧束缚模型和传递矩阵方法研究了界面相互作用对DNA分子电荷输运性质的影响。结果表明,界面耦合理想时,透射率和电子定域长度都很大,分子呈现出良好的导电性;反之,透射率和电子定域长度减小,分子导电性变差。当分子与金属电极之间理想耦合时,从伏安特性上,我们发现,Poly（dG）-Poly（dC）的开启电压小于Poly（dA）-Poly（dT）的开启电压,并且在相同的偏压下,前者的电流值要大于后者,因此Poly（dG）-Poly（dC）的导电性优于Poly（dA）-Poly（dT）的导电性。3、结构无序对DNA分子电荷输运性质的影响采用传递矩阵的方法研究了碱基序列无序和双螺旋结构无序对DNA分子电荷输运的影响。由单一基对G/C构成的Poly（dG）-Poly（dC）具有较好的透射率和伏—安特性,随着分子中A/T碱基对含量的增加,DNA分子导电性明显减弱,这表明DNA分子的导电性强烈依赖于其碱基序列。在双螺旋结构无序中研究了氢键键长无序和螺旋角无序对Poly（dG）-Poly（dC）电荷输运的影响,结果表明:氢键键长无序对其电荷输运有重要的影响,而螺旋角无序对其电荷输运影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 DNA分子导电的内在机理
• 1.2 DNA分子电荷输运研究进展
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 理论研究
• 1.3 拟展开的研究内容
• 参考文献
• 第二章 模型和研究方法
• 2.1 三维紧束缚模型
• 2.2 传递矩阵方法
• 参考文献
• 第三章 周期序列DNA分子电子结构性质
• 3.1 巡游电子数不同时Poly（dG）-Poly（dC）的电子结构及电荷输运性质的变化
• 3.2 Poly（dG）-Poly（dC）中载流子的性质
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 界面耦合对金属电极/DNA分子异质结构电荷输运性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 界面耦合对Poly（dG）-Poly（dC）电荷输运性质的影响
• 4.2.2 界面耦合对Poly（dA）-Poly（dT）电荷输运性质的影响
• 4.2.3 Poly（dA）-Poly（dT）和Poly（dG）-Poly（dC）的伏安特性
• 4.3 结论
• 参考文献:
• 第五章 结构无序对DNA分子电荷输运性质的影响
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 碱基序列无序对Poly（dG）-Poly（dC）电荷输运性质的影响
• 5.2.2 双螺旋结构无序对Poly（dG）-Poly（dC）电荷输运性质的影响
• 5.3 结论
• 参考文献:
• 第六章 总结与展望
• 硕士期间完成的论文目录
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表