DNA电子结构与极化子传输的紧束缚方法研究

摘要

本文对DNA电子结构与极化子传输的紧束缚方法进行了研究。文章在SSH模型基础上对哈密顿进行修正，研究了DNA分子中极化子的某些新的特性，并在此基础上模拟了其动力学特征。具体的研究内容和基本结果如下： 1.采用经典的SSH紧束缚模型，计算了DNA分子的基态及激发态的能带结构及晶格位形，分析了电荷布居，研究了DNA分子中极化子的性质。该模型忽略了长程量子效应，假定电荷传递只发生在近邻格点之间，将量子波动和声子效应看作电子的外势场并作绝热近似处理。研究了DNA碱基对周期排列与无序排列两种情形下的电荷传递问题，结果显示，当DNA分子中掺杂一个空穴后，其结构将发生改变，主要表现为DNA分子的晶格位形出现畸变，电荷密度呈现局域态。从掺杂空穴后DNA分子的晶格位形及净电荷密度分布来看，这种载流子不是传统意义上的空穴，而是非线性的空穴极化子。而且发现碱基对的排列形式对DNA分子中极化子的能带结构、晶格位形和电荷密度分布影响很大，不同的排列方式对应的DNA分子的能带结构、晶格位形和电荷密度分布有着较大的差异，从而使DNA分子呈现出不同的电荷输运性质。 2.对于极化子在不同DNA序列中有时跃迁而有时被束缚的原因给出了解释。对于空穴极化子来说，具有较大在位能的碱基对就是势阱，而具有较小在位能的碱基对就是势垒。在外电场作用下，我们模拟了极化子在一些周期性排列的DNA片段中的运动，发现当DNA序列是由两种不同的碱基对交替排列构成，即其中一个碱基对是势垒，另一个是势阱时，极化子在这种DNA序列跃迁比较容易，而且极化子的电荷密度分布在距离势阱最近的势垒格点上的数值最大，隧穿可能性也最大。在外加电场作用下，因为电势较低的势垒格点上的电荷密度分布数值较大，所以极化子沿着这个方向隧穿的可能性最大，并且在外加电场作用下，隧穿效应可以保持很久。 3.针对DNA嵌段poly(G/C)(G)和poly(A/T)(A)组成的DNA分子链的量子阱性质进行了研究，发现嵌段组分对DNA分子链的电子态具有调制作用，特别在窄势垒的DNA分子中，存在着量子隧穿现象。 4.根据以上理论方案，将端粒DNA切割，对每个核苷酸单元进行了精确的量子化学计算，获得了丰富的几何结构和电子结构信息。深入研究了胸腺嘧啶(T)，腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)和腺嘧啶(C)的几何结构和能级结构。发现用不同基团修饰核苷酸单元将对有关的能谱产生重要影响。这些计算为我们建立理论方法提供了重要参考。在此基础上我们编写了计算程序并做了试算，发现对小分子的计算结果与目前通用的商业软件完全一致。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章前言

1.1量子力学基础

1.1.1分子轨道理论(MO)方法

1.1.2密度泛函理论

1.2半经验方法

1.3分子力学基础

1.4紧束缚近似方法

1.5各种方法的比较

1.6小结

1.7创新点

参考文献

第二章紧束缚理论

2.1紧束缚方法(TB)简介

2.2紧束缚方法(TB)的理论基础

2.3模型的推导

2.3.1多粒子体系的Schr(o)dinger方程

2.3.2Hartree-Fock近似

2.3.3紧束缚近似模型

2.4一维系统下DNA的紧束缚模型

2.5研究基础和前景展望

参考文献

第三章从头算紧束缚模型

3.1引言

3.2模型推导

3.3结果讨论

第四章DNA中的极化子

4.1引言

4.2DNA的结构

4.3极化子

4.4理论模型和公式:

4.5结果和讨论

4.5.1周期性排列的DNA分子中的极化子

4.5.2无序排列的DNA分子中的极化子

4.6小结

参考文献

第五章极化子的动力学模拟

5.1引言

5.2模型和公式

5.3结果和讨论

5.3.1弱电场下极化子的动力学

5.3.2强电场下极化子的动力学

5.5小结

参考文献

第六章极化子在DNA中的束缚和跃迁

6.1引言

6.2模型和公式

6.3结果和讨论

6.4小结

参考文献

第七章量子阱中极化子的动力学模拟

7.1有机量子阱结构

7.2模型哈密顿

7.3量子阱中极化子的动力学模拟

7.3.1量子阱中的势垒反射作用

7.3.2量子隧穿现象

7.5小结

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢