DNA電子結(jié)構(gòu)和磁性研究.pdf

1、1953年Watson和Crick提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型：DNA分子由兩條多核苷酸鏈組成，這兩條核苷酸鏈通過堿基的互補(bǔ)配對相互纏繞形成一種雙螺旋結(jié)構(gòu)；組成雙螺旋結(jié)構(gòu)的每條鏈中都含有嘌呤和嘧啶，一條鏈上的嘌呤總是通過氫鍵與另一條鏈上的嘧啶相結(jié)合，而且嘌呤和嘧啶的配對方式是固定的，腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)配對，鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)配對。分子遺傳學(xué)上認(rèn)為DNA分子是生物體遺傳信息的載體，它通過編碼功能蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)遺傳信息的表達(dá)

2、。物理學(xué)上認(rèn)為DNA分子的遺傳信息可能是電子的某種分布形式、運(yùn)動形態(tài)，或者是與自旋取向有關(guān)的某種形式。DNA 分子的遺傳信息的傳遞及信息表達(dá)過程可以看作是發(fā)生在原子、分子之間的電荷傳遞和遷移等微觀過程。實(shí)驗(yàn)上還發(fā)現(xiàn)，DNA分子中的電子傳輸對于它的某些生物功能像是輻照損傷和生物合成的修復(fù)機(jī)制也是至關(guān)重要的。因此，研究DNA分子的電子結(jié)構(gòu)對于生命活動的理解具有重要的意義。此外，DNA分子的直徑只有2納米，但長度可達(dá)上百微米，是典型的一維納米

3、材料。如果DNA分子可以導(dǎo)電，則可以用做納米導(dǎo)線。由于DNA分子具有自組裝和分子識別等特性，可以用作納米尺度的電子器件的有源元件?？梢?，DNA 對于納米技術(shù)上的電路設(shè)計(jì)是非常有用的，有助于克服經(jīng)典的硅基電子學(xué)在未來年代里所面臨的極限。因此，研究DNA分子的電子結(jié)構(gòu)在納米科技領(lǐng)域也具有重要價值。 DNA序列由四種核苷酸排列組成，遺傳信息就存在于其中。組成DNA的核苷酸含有四種堿基：鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧

4、啶(T)。分析這四種堿基的結(jié)構(gòu)，不難看出，由N、C原子構(gòu)成的六環(huán)N<,2>C<,4>原子簇是這四種堿基共同的基本結(jié)構(gòu)單元。我們研究這一基本結(jié)構(gòu)單元的電子結(jié)構(gòu)，無疑能夠反映DNA分子的某些重要基本物理性質(zhì)，這些物理性質(zhì)很有可能與其遺傳信息的基本組成以及傳遞過程的微觀機(jī)制密切相關(guān)。本文用自旋極化的MS-Xa方法研究了折疊構(gòu)型和平面構(gòu)型的六環(huán)N<,2>C<,4>原子簇，并取得以下主要結(jié)果： (1)折疊型結(jié)構(gòu)的六環(huán)原子簇在其基態(tài)附近至少

5、存在四個亞穩(wěn)態(tài)。這些狀態(tài)的基本物理性質(zhì)是，(I)基態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能=-7.01635x10<'3>eV，呈現(xiàn)弱反鐵磁性(μ+＝0.002μ<,B>，μ<,->＝-0.002μ<,B>)；(Ⅱ)第一亞穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能＝-7.01626x10<'3>eV，呈現(xiàn)亞鐵磁性(μ<,+>＝0.211μ<,B>，μ<,->＝－0.010μ<,B>，μ<,Total>＝0.20μ<,B>)；(Ⅲ)第二亞穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能＝-7.01616×10<'3>eV，呈現(xiàn)

6、亞鐵磁性(μ<,+>＝0.419μ<,B>，μ<,->＝-0.01μ<,B>，μ<,Total> ＝0.400μ<,B>);(Ⅳ)第三亞穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能＝-7.01606x10<'3>eV，呈現(xiàn)亞鐵磁性(μ<,+> ＝0.630μ<,B>，μ<,->＝-0.030μ<,B>，μ<,Total>＝0.600μ<,B>)；(Ⅴ)第四亞穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能= -7.01597x10<'3>eV，呈現(xiàn)亞鐵磁性(μ<,+>＝0.839μ<,8>，μ<,-

7、>＝-0.037μ<,B>，μ<'Total>＝ 0.802μ<,B>)。(2) 平面型結(jié)構(gòu)的六環(huán)原子簇在其基態(tài)附近至少存在二個亞穩(wěn)態(tài)。這些狀態(tài)的基本物理性質(zhì)是，(Ⅰ)基態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能＝-7.03412×10<'3>eV,呈現(xiàn)弱反鐵磁性(μ<,+>＝0.003μ<,B>,μ<,->＝-0.003μ<,B>)；(Ⅱ)第一亞穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能＝-7.03378x10<'3>eV，呈現(xiàn)鐵磁性(μ<,Total>＝0.196μ<,B>);(Ⅲ)第二亞

8、穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)能＝-7.03344x10<'3>eV，呈現(xiàn)鐵磁性(μ<,Total>＝0。393μ<,B>)。 (3) 六環(huán)系統(tǒng)的磁性主要來自系統(tǒng)中的C和N原子的π鍵電子。由于形成π或π<'*>幸鍵的p<,z>電子具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，其行為非常類似于窄帶3d電子。因此，在一定條件下，p<,z>電子會具有自旋能級劈裂現(xiàn)象，并導(dǎo)致某種磁有序。這就很好地解釋了多年來一直困擾人們的關(guān)于有機(jī)體中磁性的根本來源問題。 (4) 折疊型

9、結(jié)構(gòu)的六環(huán)原子簇呈現(xiàn)出半金屬性磁性特點(diǎn)。分析第一亞穩(wěn)態(tài)的費(fèi)米面附近的電子結(jié)構(gòu)特征，可以發(fā)現(xiàn)，E<,F>能級位于自旋向上單一自旋電子的DOS峰的峰值處，而同時位于另一自旋向下電子的DOS能隙中，所以該系統(tǒng)呈現(xiàn)出半金屬性磁性特點(diǎn)。這種系統(tǒng)中的電子輸運(yùn)性質(zhì)主要取決于單一自旋方向的電子，另一自旋方向的電子不參與系統(tǒng)的導(dǎo)電行為，其電導(dǎo)率是自旋極化的。由于系統(tǒng)具有完全的自旋極化，因此可能具有零磁化率等特殊的自旋電子學(xué)物理特性。 (5) 折

10、疊型結(jié)構(gòu)的六環(huán)原子簇的基態(tài)以及第一亞穩(wěn)態(tài)的電子態(tài)密度(DOS)在E<,F>附近的分布特征與磁性半導(dǎo)體的DOS特征也十分相似。可以預(yù)期，在某些較高亞穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)很可能呈現(xiàn)磁性半導(dǎo)體性質(zhì)。這是一個值得進(jìn)一步研究的很有趣的問題。 近年來，人們在實(shí)驗(yàn)和理論上對DNA做了大量的研究，并觀測到DNA所表現(xiàn)出的豐富多樣的物理性質(zhì)。有人發(fā)現(xiàn)DNA表現(xiàn)出絕緣體特性，另一些人發(fā)現(xiàn)DNA具有寬帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)，也有人發(fā)現(xiàn)DNA表現(xiàn)出一般導(dǎo)體的性質(zhì)，而A

11、．Y.Kasumov和M．Kociak等人甚至發(fā)現(xiàn)DNA在低溫下呈現(xiàn)金屬超導(dǎo)體性質(zhì)。關(guān)于DNA為何能表現(xiàn)出上述豐富多樣的物理性質(zhì)的微觀機(jī)理，迄今我們尚不清楚。因此，人們提出了多種理論模型。所以在理論研究方面，有帶傳輸機(jī)制、極化子傳輸機(jī)制(polaronic transport)、多級躍遷(multistep hopping)機(jī)制以及電荷遷移漲落機(jī)制(nuctuatioon facilitated charge migration)等多種

12、理論并存。本工作的研究結(jié)果對于理解DNA所表現(xiàn)出的這些豐富多樣的物理性質(zhì)，提供了有益的幫助。 過去，一般認(rèn)為生物體是由抗磁性和順磁性物質(zhì)構(gòu)成，最近的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，生物體中的許多部位具有復(fù)雜多樣的鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性或自旋玻璃磁性等磁性序，這反映了生物磁性與生物功能等方面的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)不但隨著外部條件和環(huán)境的變化而變化，而且DNA分子本身一直處于一種固有的不斷運(yùn)動狀態(tài)。本文的研究結(jié)果表明

13、，由于DNA分子本身一直處于一種固有的不斷運(yùn)動狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)研究中，如果實(shí)驗(yàn)條件不同，則實(shí)驗(yàn)樣品可能處在不同的亞穩(wěn)態(tài)，因此能夠?qū)е聦?shí)驗(yàn)者們觀察到各不相同的結(jié)果，從而表現(xiàn)出DNA的豐富多彩的物理性質(zhì)。 Claudia Danilowicz等人在2003年研究了把雙鏈DNA分子分開為單鏈分子時所需的能量，他們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在DNA分子中存在著多個亞穩(wěn)態(tài)。他們的這一結(jié)論與我們的關(guān)于存在多個亞穩(wěn)態(tài)的理論結(jié)果是一致的。他們模擬得到的D

14、NA分子的各種狀態(tài)(包括基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài))分布在0～1.7234eV之間。如果我們參照他們的作法，把基態(tài)取作參考點(diǎn)，可得折疊型結(jié)構(gòu)的四個亞穩(wěn)態(tài)的能量分別為E=0.09eV，0.19eV，0.29eV，0.38eV：平面型結(jié)構(gòu)的兩個亞穩(wěn)態(tài)的能量分別為E=0.34eV，0.68eV；這些能量的量級與Claudia Danilowicz等人所得結(jié)果符合的很好。 分析本研究工作所取得的上述主要結(jié)果，能夠得到的一個重要結(jié)論是：在關(guān)于DNA的