DNA分子的電子結(jié)構及其電荷輸運性質(zhì)研究.pdf

1、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的電荷輸運性質(zhì)成為當前生命科學、物理、化學、材料科學等多個交叉學科的研究熱點。研究已初步發(fā)現(xiàn)，電荷轉(zhuǎn)移反應產(chǎn)物能導致細胞突變，光誘導電荷轉(zhuǎn)移氧化損傷DNA分子或光誘導電荷轉(zhuǎn)移修復DNA分子可治療腫瘤等。例如，當DNA分子受到電離輻射或紫外線照射時會產(chǎn)生電子，這個電子被別的原子捕獲前可能沿著DNA分子鏈運動，所以有人認為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，DNA分子具有兩個獨特的性質(zhì)，即自識別和自組裝功能。另一方面，近幾十年來，電子信息技術迅猛發(fā)展，芯片上的晶體管越來越密集，速度也越來越快。按照半導體工業(yè)著名的摩爾定律，每18個月左右，芯片的運算速度就增加一倍、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)印刷電路制版技術的限制，預計到2010年，就會達到其物理的極限。因為按照微電子技術器件越來越小的發(fā)展思路，將會面對無法逾越的量子效應。傳統(tǒng)

3、的以硅、鍺等半導體材料為基礎的電子器件，其信息的傳輸原理是根據(jù)半導體的能帶輸運理論，但是，當體系的尺度達到納米量級時，能帶就變成了分立的能級，體系呈現(xiàn)出量子效應，能帶論不再適用。為了使電路小型化，進一步提高電路的集成度和運算速度，突破電路小型化的物理極限，40年前，諾貝爾獎獲得者、量子物理學家費曼提出了一種新的電路設計理念，即從底到頂?shù)脑O計思想。費曼在題為《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角度出發(fā)，從單個分子甚至

4、單個原子開始組裝，以達到我們的要求——“至少依我看來，物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性”。費曼假定，一旦原子的語言被簡潔地編碼后，就可以對分子進行精確的工程加工，把一個原子放到另一個原子上，制造出最小的人工機器來。這一物理思想被認為是分子電子學和納米科技的起源。分子電子學的基本思想是：用單個的分子作為導線、分子開關、分子整流器、分子晶體管和存儲器等。這些分子器件能夠通過物理和化學作用完成信息的傳輸、監(jiān)測、處理和存儲的

5、功能，進而達到組裝完整的計算機的目的。在器件持續(xù)小型化的這種趨勢下分子電子學最大的優(yōu)點是，納米尺度的分子構造是用從底到頂?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，分子電子學取得了許多實質(zhì)性的進步，2001年12月21日，Science雜志將分子電子學所取得的一系列成就評為當年年度十大科技進步之首。現(xiàn)階段，分子電子學的主要任務是尋找和研究性能優(yōu)異的分子器件材料，象有機小分子、生物大分子和碳納米管等都是被廣泛研究的材料

6、。DNA分子具有自識別和自組織兩個獨特性質(zhì)，如果再具有導電性，將是納米導線及分子器件的理想材料。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顯示DNA分子呈現(xiàn)出導體、半導體、絕緣體等豐富的電學性質(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，闡明DNA結(jié)構中蘊藏的生命過程的各種信息，具有重要的科學意義。

7、 DNA分子是復雜的生物大分子，具有軟性。其電荷輸運行為易受來自內(nèi)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(zhì)等。目前，科學家提出了單步隧穿，多步隧穿，熱躍遷及極化子傳輸?shù)葞追N輸運機制來解釋DNA分子中的電荷輸運現(xiàn)象。另一方面，由于DNA自身結(jié)構的復雜性，科學家一直在尋找一個最為恰當?shù)哪Ｐ蛠韺λM行研究，到目前為止，科學家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(cè)重點來研

8、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(jié)構及其電荷輸運特性的影響也被廣泛研究。以上理論工作部分地解釋了DNA分子所呈現(xiàn)出的豐富的電學性質(zhì)。 通過廣泛調(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，其軌道雜化情況較為復雜。另一方面DNA分子具有雙螺旋結(jié)構，其對稱性較低，分子中存在大量的懸掛鍵，這些懸

9、掛鍵上的未成對電子也會進入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)構和外部環(huán)境的影響，其巡游電子數(shù)密度是可變的。同時，實驗也證明其巡游電子數(shù)密度與DNA分子的組分、結(jié)構有關，受實驗條件的影響。例如，Yao等人的實驗證明Poly(dG)-Poly(dC)是P型半導體，而Poly(dA)-Poly(dT)是N型半導體，說明Poly(dG)-Poly(dC)中的多子是空穴，Poly(dA)-Poly(dT)中的多子是電子