《多金屬介導DNA基分子導線電荷輸運機理與功能研究》是依託濟南大學，由劉海英擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多金屬介導DNA基分子導線電荷輸運機理與功能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉海英
- 依託單位：濟南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
DNA近年來成為構建納米器件的理想候選材料，但天然DNA的導電性還不足以直接套用於分子器件，進行功能化修飾以提高其導電性現已引起廣泛的研究興趣。鑒於常規的單金屬離子修飾易引起構型的扭曲，本項目設計一種新穎的多金屬離子鹼基對修飾方案，並將考察擴環修飾和金屬化修飾的聯合效果，旨在尋找更佳的DNA基分子導線的修飾結構。利用密度泛函並結合分子動力學模擬，表征所做修飾對DNA結構、電子及光譜性質的影響，從原子分子水平上揭示DNA導電性增強的內在原因；將DNA與電極相組裝，通過電子輸運理論，用可測的導電性指標反映所做修飾對DNA電荷輸運性質的改進效果；明確修飾前後的電荷傳輸機理，闡明傳輸通道和載體；找出金屬離子的種類及金屬配體鹼基對調控DNA導電性的規律，建立有效的修飾結構與分子導線功能之間的構效關係。該工作的開展將為設計新型的生物分子導線提供必要信息，同時也有助於更好地理解DNA中的電荷轉移。
結題摘要
鑒於天然DNA在導電性方面的限制，為實現其在分子電子學方面的套用，對其進行功能化修飾成為一種必然的選擇。課題組圍繞DNA的功能化修飾這一主題，以提高DNA的導電性為導向，從理論上詳細研究了所做修飾對DNA電荷輸運性質的促進作用。各項研究任務基本按照計畫得以執行。已經完成的主要研究內容如下：（1）設計了幾種DNA鹼基對的修飾方案，有外擴環的修飾設計、銀離子等位取代DNA中的氫鍵質子修飾、銅離子修飾錯配鹼基對、腺嘌呤A的N位修飾等。（2）用密度泛函方法進行了電子性質和光譜性質的探索：電子性質研究發現，修飾後體系的能隙都變窄，電離能都有所下降。紫外光譜的研究說明所做修飾促進了配對鹼基之間的橫向電子通訊。（3）採用非平衡態格林函式並結合密度泛函理論的方法，研究了體系修飾前後的電荷輸運性質。通過計算修飾前後搭建的DNA分子片段的伏安特性曲線，直觀地從橫向和縱向電荷輸運兩個方面，說明所做修飾能較明顯地提高DNA中電荷輸運。並從各種偏壓下的透射譜和分子投影自洽哈密頓量的本徵值（MPSH）等微觀角度闡述了所做修飾提高導電性的原因。（4）總結不同的修飾方案對於DNA導電性調控的差異，為設計DNA基分子導線提供理論支持。對於設計的多銀離子等位取代天然鹼基對中的氫鍵質子的修飾和錯配鹼基對的銅離子修飾來說，都大幅度地提高了所構成的DNA分子片段的導電性。但由於金屬離子的半徑要大於配對鹼基中的氫鍵質子的半徑，這種金屬化修飾在一定程度上會增大鹼基對的橫向尺寸，因此對DNA骨架可能會有一定的擾動。相對而言，外擴環修飾和腺嘌呤A的N位取代，雖然對DNA導電性的提升不是特別大，但對DNA結構擾動較小，實驗上也更容易製備，可以算是“物美價廉”的修飾。在項目執行期間，課題組共發表論文10篇，均被SCI收錄。
