DNA是遗传信息的载体,在生物的生长、发育和繁殖等生命活动中发挥着重要作用。DNA内电子转移可以诱发遗传信息的错读,引起DNA损伤,并引发细胞的突变及癌变等,所以DNA内电子转移的研究具有重要的科学意义。1993年Barton等利用Ru金属嵌入剂研究了光诱导的DNA电子转移,认为电子转移距离可以大于40 A(且电子转移速率大于109s-1),从而引发了DNA内电子转移研究的热潮。1997年Barton等通过自组装把巯基修饰的DNA固定在金表面形成单分子层(Au-DNA-SAMs),利用亚甲基蓝分子研究通过Au-DNA-SAMs的电子转移,提出了电化学研究DNA内电子转移的新方法。DNA内电子转移的电化学机制主要包含："π-way"机制、离子晶体机制和M-DNA传递机制。然而,所有这些机制并不统一,存在着很多相互矛盾的地方,其主要原因是这些研究都没有从分子水平上对Au-DNA-SAMs的结构进行整体性把握,对一些关键问题还很不清楚。例如巯基修饰的DNA在金表面自组装能否形成密堆积的SAMs?电化学实验探测的电流究竟是通过DNA双螺旋内部,还是通过磷酸骨架周围的离子和水传导,抑或是氧化还原探针通过邻近DNA之间的空隙到达金表面发生电子转移?巯基修饰的DNA由三部分组成,5’或3’端修饰的巯基烷链HS(CH2)6-、碱基(G, C, A, T)和磷酸化的糖环,是一种特殊的硫醇分子。因此,要开展DNA内电子转移的电化学研究,必须首先把握Au-DNA-SAMs基本组成构件的电化学性能。由此,本论文从三个方面系统开展了研究工作：(Ⅰ)综述了DNA内电子转移及Au-DNA-SAMs基本构件(金基底和硫醇SAMs)性能的研究进展；(Ⅱ)研究了金表面上短链硫醇SAMs(硫辛酸TA和巯基己醇MCH,同巯基修饰DNA的构件HS(CH2)6-长度等同)形成的影响因素及其基本电化学行为;(Ⅲ)考察了金表面上双链和单链DNA-SAMs的基本电化学行为,通过构建简单理想模型,从分子水平上描述Au-DNA-SAMs的构型,探讨了Au-DNA-SAMs简单理想模型的应用价值。论文主要包含以下六章内容：1.DNA内电子转移的电化学研究以及Au-DNA-SAMs基本构件性能的研究进展DNA内电子转移机制的研究在DNA损伤和修复以及DNA传感器设计中起着重要作用。DNA内电子转移研究包含电化学、光电化学和光化学等三类方法。电化学研究是一个重要组成部分,通过巯基修饰的DNA在金表面上的自组装形成Au-DNA-SAMs,利用某些氧化还原探针(Fe(CN)63-/4-、钌铵盐、亚甲基蓝、道诺霉素或二茂铁)来探测通过Au-DNA-SAMs的电子转移。然而,迄今为止,金表面DNA单层内电子转移的机制仍然不清楚。为了探讨金表面DNA单层内电子转移的机制,我们必须了解DNA内电子转移的电化学研究进展以及Au-DNA-SAMs基本构件的性能,例如金电极的基本性质、自组装硫醇单层形成的影响因素以及其离子渗透和电子转移情况(扩散、渗透和隧穿)。本章将从以下五个方面进行综述,包含DNA内电子转移研究进展、金电极基本性质、金表面自组装SAMs形成的影响因素、自组装SAMs的重要界面参数以及自组装SAMs的电子隧穿过程。2.直流电位控制短链硫醇(硫辛酸TA和巯基己醇MCH)在金表面的自组装本章利用循环伏安和交流阻抗技术系统考察了直流电位Edc(-0.4,+0.4,+0.7 V)和开路电位(EOCP)控制下短链硫醇(TA和MCH)在金表面的自组装。四个重要的电化学参数(界面电容C、低频1 Hz处相角的绝对值Φ1Hz、氧化还原电流密度差△j和电荷传递阻抗Rct)用来表征金表面上TA和MCH自组装SAMs的性能。实验结果表明,施加电位组装不能在短时间内得到稳定的短链SAMs。TA和MCH在金表面具有较慢的组装动力学,需要时间(>24 h)才能达到吸附平衡。施加负电位Edc(-0.4 V)不利于SAMs的有序。施加电位Ed。(+0.4 V)组装形成的TA-SAMs最为有序；施加电位Edc(+0.4,+0.7 V)和开路EOCP组装得到MCH-SAMs的有序性基本相同。探讨了电化学参数(C、Φ1 Hz、△j和Rct)的相关性,C和Φ1 Hz以及△j和logRct呈线性关系,CV和EIS方法可以互相验证。基于我们的实验结论,对文献报道的不同链长硫醇SAMs的电化学参数(C、Φ1Hz、△j和Rct)的汇总以及和文献报道的长链硫醇电位控制自组装效果的比较,我们得出邻近短链硫醇分子及短链硫醇分子和金表面之间的相互作用在电位控制硫醇SAMs自组装过程中起着重要的作用,离子和水在SAMs中的渗透可能是引起短链硫醇较慢组装动力学的主要原因。3.溶剂对短链硫醇(硫辛酸TA和巯基己醇MCH)在金表面上自组装的影响本章利用循环伏安和交流阻抗技术考察了溶剂(CCl4、CH3CN、DMF、ethanol、ethanol-H2O和H2O)对短链硫醇(TA和MCH)在金表面自组装的影响。通过比较SAMs的离子渗透性(界面电容C和低频1 Hz处相角的绝对值Φ1 Hz)和电子转移性能(氧化还原电流密度差△j和电荷传递阻抗Rct)来探测溶剂对TA和MCH在金表面的组装效果。实验结果表明,溶剂有利于自组装SAMs有序化的次序为：CCl4> ethanol> CH3CN> ethanol-H2O> DMF (TA)和H20> ethanol-H2O≈CC14> ethanol≈CH3CN> DMF (MCH)。探讨了SAMs的电化学参数(C,Φ1 Hz,△j和Rct)和溶剂参数(极性ETN、溶解性参数δ和辛醇／水分配系数logPow)的相关性。logPow越大,ETN和δ越小,TA-SAMs越有序；溶剂对MCH-SAMs的影响较为复杂,和其它溶剂相比,水(ETN,δ最大;logPow最小)和CCl4(ETN,δ最小；logPow最大)为溶剂组装得到的MCH-SAMs较为有序。4.电化学研究金表面上巯基修饰双链DNA自组装单层的渗透性本章利用电化学技术(循环伏安、交流阻抗和计时库仑)研究了金表面上不同浓度NaCl溶液组装形成的巯基修饰双链DNA (ds-DNA) SAMs的渗透性。六个重要的电化学参数(界面电容C、低频1 Hz处相角的绝对值Φ1 Hz、离子传递阻抗Rit*、氧化还原电流密度差△j、电荷传递阻抗Rct和表面覆盖量Гm)用来探测ds-DNA-SAMs的基本结构性能。研究包含三个方面：(1)考察电化学参数(C,Φ1Hz,Rit*,Δj,Rct,Γm)和组装NaCl浓度的相关性,和文献报道的结果进行对比。实验结果表明,ds-DNA-SAMs为渗透性膜；(2)构建了一个简单模型来探讨金表面ds-DNA-SAMs的渗透性；(3)验证简单模型以及应用模型解释我们及文献报道的实验现象。本研究对于电化学探讨DNA内电子转移机制具有重要的指导意义。5.电化学研究金表面上巯基修饰单链DNA自组装单层的结构特性本章利用电化学技术(计时库仑、循环伏安和交流阻抗)研究了金表面上不同浓度NaCl溶液组装形成的巯基修饰单链DNA (ss-DNA) SAMs的结构特性。单链DNA分子具有柔性结构,其柔性程度和溶液离子强度有关。由于巯基和金表面的共价固定以及其它相互作用的存在,因此金表面上单链DNA分子的构象不同于其在溶液中的构象。我们提出,金表面上单链DNA分子的构象可以用校正回旋半径dg’来表示,其中dg’=rdg, r为校正因子,dg为溶液中单链DNA分子的回旋直径。六个重要的电化学参数(表面覆盖量Гm、界面电容C、低频1 Hz处相角的绝对值Hz、离子传递阻抗Rit*、氧化还原电流密度差△j和电荷传递阻抗Rct)用来探测金表面上ss-DNA-SAMs的基本结构性能。研究包括三个方面：(1)探讨电化学参数(Γm, C,Φ1Hz,Rit*,Δj,Rct)和组装NaCl浓度的相关性；(2)基于引入的校正因子r(0.627),利用校正回旋半径dg’构建金表面ss-DNA-SAMs的简单模型,描述不同浓度NaCl溶液组装ss-DNA-SAMs在金表面上的结构性能；(3)验证简单模型,探讨模型在优化DNA传感器中的应用,以取得最大的杂交效率和杂交密度。6.单价阳离子(Li+, Na+, K+, Cs+)对巯基修饰双链DNA和单链DNA在金表面上自组装的影响本章利用电化学技术(计时库仑、循环伏安和交流阻抗)系统考察了单价金属离子(Li+, Na+, K+, Cs+)对巯基修饰的双链DNA和单链DNA在金表面上自组装的影响。基于六个重要的电化学参数(表面覆盖量Гm、界面电容C、低频1 Hz处相角的绝对值Φ1 Hz、离子传递阻抗Rit*、氧化还原电流密度差△j和电荷传递阻抗Rct),考察了金表面上双链和单链DNA-SAMs的界面性能。研究包括三个方面：(1)考察双链DNA-SAMs的电化学参数(Γm, C,Φ1Hz, Rit*,Δj, Rct)和组装阳离子种类及浓度的相关性；(2)考察单链DNA-SAMs的电化学参数(Γm,C,Φ1Hz,Rit*,Δj,Rct)和组装阳离子种类及浓度的相关性；(3)探讨不同单价金属离子对双链和单链DNA在金表面上的组装效果。本研究进一步确证了第4章和第5章所提出的金表面上DNA-SAMs的简单模型,为深入探讨金属离子和DNA分子之间的相互作用机制提供了重要的参考。