基于分子识别的分子诊断新技术与新方法的研究是目前生物医学工程领域的一个重要研究内容，这些研究对于人类认识与治疗各种基因相关的疾病特别是癌症有着重要的推动作用。在针对核酸有显著识别功能的新型抗癌或者抗艾滋病化合物的研究和开发中，小分子化合物与生物大分子特别是核酸的特异性识别、相互作用的序列相关性和作用机制等内容的研究具有十分重要的意义。另一方面，纳米电子学与生物材料和生物技术的结合在生物分子识别以及生物分析与传感等领域具有潜在的应用价值。特别地，由于金纳米材料具有良好的生物相容性，在现代纳米生物技术特别是基因诊断相关的DNA传感器技术中应用广泛，因此金纳米材料与DNA的相互作用以及作用过程中的电子转移机制的理论研究对于人们探索和开发基因相关的高效生物传感器也具有重要的指导意义。　　 鉴于上述研究内容的重要性，在前期的实验研究工作的基础上，本文利用量子化学方法对不同DNA碱基分别和小分子药物普鲁卡因或小尺寸金团簇的相互作用进行了系统的研究。在分子水平对金团簇与生物分子之间的相互作用机制和电子转移机制，从能量、分子轨道和相关的电子结构参量等方面进行了详细的研究。在此基础上，本文通过实验研究探讨了3－巯基丙酸修饰的金纳米材料、聚乳酸纳米纤维和四庚基铵盐修饰的纳米四氧化三铁的纳米复合材料在促进K562白血病细胞吸收柔红霉素药物的协同作用，研究了这些具有生物学意义的功能纳米材料识别靶向生物物质并逆转肿瘤细胞多药耐药性的作用及相关机制。　　 本文的主要研究内容如下：　　 1.利用半经验AM1方法对中性和质子化形式的普鲁卡因以两个重要的二面角进行了势能面扫描，在此基础上，利用密度泛函方法在B3LYP/6-31G(d, p)水平下对AM1方法得到的势能面上对应的极小点在气相环境下的结构作了系统的研究，并得到了优化的构型。其中，中性形式的分子得到了五种稳定构型，质子化形式得到了2种稳定构型，并与相关的理论和实验研究结果进行了比较；　　 2.在B3LYP/6-31G(d, p)水平下对碱基氨基的三角锥化、碱基的分子轨道特性和分子静电势等基本特性进行了计算，对碱基中氨基相关的二面角的变化做了势能面扫描，并探索了质子化焓和去质子化焓等相关参量和形成氢键能力的关系，并与相关的文献数据进行了比较，结果表明，四种碱基各个相关位点接受质子的能力为：腺嘌呤：N1＞N3＞N7，鸟嘌呤：N7＞O6(N7 side)＞O6(N1 side)＞N3,胞嘧啶：O2(N3 side)＞N3＞O2(N1 side)，胸腺嘧啶：O4(C5 side)＞O4(N3 side)＞O2(N3 side)＞O2(N1 side)。对于四种碱基，鸟嘌呤G(N7)≈胞嘧啶C(O2(N3 side))＞腺嘌呤A(N1)＞胸腺嘧啶T(O4(C5 side))。去质子化或提供质子能力的强弱顺序为：腺嘌呤A: H9＞H6b＞H6a，胞嘧啶C: H1＞H4b＞H4a鸟嘌呤G: H9＞H2a＞H1＞H2b，胸腺嘧啶T: H1＞H3。对于四种碱基，提供质子的能力为：胸腺嘧啶T(H1, 1442.3 kJ/mo1)＞鸟嘌呤G(H9, 1449.9 kJ/mol)≈腺嘌呤A(H9, 1450.0 kJ/mol)＞胞嘧啶C(H1, 1490.1 kJ/mol);　　 3.利用半经验AM1方法和密度泛函方法对不同的DNA碱基与普鲁卡因在气相环境下的相互作用复合物进行了研究，在B3LYP/6-31G(d,p)水平下得到了优化的复合物构型，并对复合物的结构、能量、相互作用能、自然原子电荷、分子轨道特性、电子密度拓扑特性、红外振动频率以及相关的热力学参量进行了系统的研究。结果表明，碱基中氨基的三角锥化程度对复合物的构型有一定的影响。形成的优化复合物中至少含有两个氢键，即普鲁卡因O14作为主要质子受体和C6-H10作为供体的氢键，维持体系形成平面或近平面的相互作用复合物，二阶稳定化能的结果表明普鲁卡因的羰基氧原子O14作为主要质子受体的氢键对于体系的稳定起着主要的贡献。另外，AIM的分析结果也表明体系中存在着C-H为供体的弱氢键，振动频率的分析结果表明质子供体和受体相关的键长增长，振动频率减小，频率红移。对复合物计算得到的能量以及相互作用能的计算结果表明，各个复合物的稳定性顺序为：P·G＞P·T＞P·A＞P·C，而HOMO-LUMO gap即能隙的分析则表明最优的四种复合物的电子转移的难易程度与相关电化学实验所表现出的结合的特异性顺序是一致的，即：P·G＞P·A＞P·T＞P·C。利用统计热力学理论，计算了分子在298.15K温度条件下形成复合物前后的熵、焓和Gibbs自由能的变化，结果表明只有相互作用能最稳定的P·A(N3; H9)、P·C(O2; H1)、P·G(O6; H1, H2a)、P·T(O2; H1)以及P·C(N3; H4a)可以在常温下可自发形成复合物，而前四种复合物正是各个体系形成的复合物中的最稳定的构型；　　 4.利用密度泛函方法SDD基组对原子个数为2～4个数目的金原子团簇进行了研究，并对优化得到的稳定构型与相关实验数据进行了比较。优化结果表明，SDD基组得到的Au3有两种构型，分别为锐角三角形和钝角三角形，Au4得到了T形和菱形两种稳定结构。势能面扫描的结果表明锐角三角形的Au3和T形结构的Au4较为稳定。由于相对论效应的影响，Au4没有得到非平面形式的结构；　　 5.利用密度泛函方法对小尺寸的金原子团簇和碱基腺嘌呤A各个位点的不同作用模式进行了系统的研究，结果表明，金原子团簇和腺嘌呤A形成了Au-N锚定键和非常规形式的Au…H-N氢键。除了Aun·A(N6)外，Au-N锚定键和非常规的Au…H-N氢键维持两种分子处在一个平面内。频率分析的结果表明Au…H-N与一般性氢键的键长变化和频率变化的特点一致，AIM分析得到的结果表明Au …H-N与一般氢键的电子密度拓扑特性一致。B3LYP/6-31G+(d, p)&SDD方法得到的结果表明Aun·A(N3)位点形成的复合物比N1或N7位点的复合物稳定，而N6位点的复合物最不稳定。对于复合物Au3T·A和Au4T·A，稳定性顺序为：　　 A un·A(N3)＞Aun·A(Nl)＞Aun·A(N7)＞Aun·A(N6)　　 NPA电荷的分析结果表明作用过程中总电子转移的趋势为从腺嘌呤或胸腺嘧啶向金团簇转移。自然原子构型分析表明，复合物的Au-N锚定键主要是Au1的5d和6s轨道与氮原子的2p轨道作用所致。NBO二阶稳定化能分析表明对于开壳层的Au3T·A，电子从氮原子的孤对电子轨道向金的反键轨道转移，即nN→σ*Au1-Au3(α)和nN→n*Au1(β)，而对于闭壳层的Aun·A，电子向金的n*和σ*转移，即nN→σ* An1－Au3(α)。同时，二阶稳定化能的结果也表明了Au-N锚定键在稳定复合物中起着主要的贡献。能隙的分析表明Au2·A(N7), Au3T·A(N7)和Au4T·A(N1)的能隙较大，电子转移较为困难，而Aun·A(N3)的能隙较小，电子转移容易发生：　　 6.利用密度泛函方法对小尺寸的金原子团簇和胸腺嘧啶T的作用模式进行了系统的研究，在B3LYP/6-31G+(d, p)&SDD水平下对Aun·T复合物的优化结果表明，金原子团簇和胸腺嘧啶T之间存在着Au-O锚定键和非常规形式的Au …H-N氢键，形成的Au-O锚定键的长度约2.138～2.190 A。频率分析和AIM分析得到的结果表明Au …H-N与一般的氢键的特点一致。能量和相互作用能的分析结果表明，在不同位点形成的复合物的稳定性为：　　 Aun·T(H1, O2)＞Aun·T(H4, O3)＞Aun·T(H3, O2)　　 自然原子电荷的分析结果表明，作用过程中总电子转移的趋势为从胸腺嘧啶向金团簇转移。自然原子构型的分析表明，复合物的Au-O锚定键的形成主要是Au1的5d和6s轨道与氧原子的2p轨道的作用所致。二阶稳定化能分析表明Au-O锚定键在稳定复合物中起着主要的贡献，并且对于开壳层的Au3T·T，电子从氧原子的孤对电子轨道向金的反键轨道转移，即no→σ*Au1-Au3(α)和no→n＊Aui(β)。对于闭壳层的Aun·T，电子向金的n＊和σ＊转移，即no→σ＊Au1-Au3(α)。同时，能隙的分析表明Au2·T(H3, O4)、Au3T·T(H1, O2)和Au4T·T(H3, O4)的能隙较大，电子的转移较为困难，而Aun·T(H3, O2)的能隙较小，因此电子转移容易发生；　　 7.利用激光共聚焦等方法研究了3-巯基丙酸修饰的金纳米材料，聚乳酸纳米纤维和/或表面有四庚基铵盐修饰的四氧化三铁纳米材料及其复合物在促进白血病K562细胞吸收抗癌药物柔红霉素方面的协同作用，结果表明上述功能化纳米材料或纳米复合体系均能够增大白血病K562细胞（如敏感或耐药细胞株）对于抗癌药物柔红霉素的吸收，而聚乳酸纳米纤维和表面有四庚基铵盐修饰的四氧化三铁纳米材料复合物对细胞的作用影响较大。进一步地，利用光学显微镜、MTT细胞毒理学以及电化学分析方法对聚乳酸纳米纤维和表面有四庚基铵盐修饰的四氧化三铁纳米材料复合物的细胞作用机制进行了探讨。功能化纳米材料作用前后激光共聚焦方法得到的胞内的荧光亮度、胞外电化学检测的药物电流曲线以及MTT细胞生长抑制率等研究结果表明，聚乳酸纳米纤维和表面带有四庚基铵盐修饰的四氧化三铁纳米复合材料的混合体系能够有效地促进白血病细胞对于抗癌药物柔红霉素的吸收，并且显著增强了抗癌药物对癌细胞的杀伤效果。