碳纳米材料与生物分子的相互作用机制及其在生物分子检测中潜在应用的理论研究

碳纳米材料的发展，为分子器件、生物传感器、功能复合材料等生物/纳米技术的发展提供了新机遇。然而，碳纳米材料与生物分子的相互作用的机理依然不是很清楚，甚至很少有报道。这部分原因是这些相互作用大部分属于氢键、π-π相互作用等非共价键，其作用机制及其对碳纳米材料、生物分子的影响都比较复杂。本项目将研究碳纳米材料与生物分子的相互作用机制，并以生物检测作为例子探索碳纳米材料在生物相关应用方面的潜在思路。具体包括考察此相互作用的物理机制，它对生物分子的物理、化学性质的影响，生物分子的存在对通过碳纳米材料的电流的影响及其机制，得到清晰电流特征信号的物理关键等。本项目的成果有望对生物分子检测，以及生物传感器、纳米尺度上场效应管等纳米器件的发展都有重要意义。

碳纳米材料的发展，为生物检测、生物传感器等生物/纳米技术的发展提供了新机遇。然而，碳纳米材料与生物分子相互作用的机理依然不是很清楚。部分原因是这些相互作用大多是非共价键，其作用机制及对碳纳米材料、生物分子的影响都比较复杂。本项目按照研究计划顺利执行，在生物分子与纳米材料相互作用的机制以及对纳米材料性质的影响等方面，取得了以下进展：.石墨烯通过π-π相互作用可以稳定吸附DNA，降低检测噪声。然而，π-π作用对石墨烯电子结构影响很弱，并且石墨烯导电性不如金属材料。通常认为，这两个因素将导致检测信号偏低的实际问题，阻碍其在生物分子检测中的广泛应用。我们研究发现，除了π-π作用之外，碱基上的氧原子可以诱导石墨烯电子重新分布，产生局域电荷，显著改变石墨烯的导电性。该成果为石墨烯直接应用于高精度、高效率、低成本DNA检测提供了新机理。另外，我们提出了石墨烯-铝复合材料，既可以稳定吸附生物分子，也具有良好的导电性，有望显著提高生物检测的信噪比，实现高精度检测。该成果引起国际同行的广泛关注，激发了新的科研方向：石墨烯-金属复合材料。.石墨烯可以在荧光分子帮助下实现高效DNA检测，但是很多物理问题依然不很清楚。我们研究了光激发电子在荧光分子-DNA-石墨烯体系内的动态关联。发现光可以诱发反常的电子共振能级，并且揭示了此现象来源于光诱导的电子动态自旋翻转关联。.DNA与纳米材料相互作用的理论研究过程中，我们发现现有DNA力场不能正确模拟单链DNA（ssDNA）、纳米材料之间的作用。深入分析发现，该问题来自于现有分子力场主要是针对双链DNA，低估了碱基自身的疏水性。因此，针对ssDNA与疏水纳米材料的体系，我们发展了DNA新力场，得到了与实验相一致的模拟结果。.在以上研究过程中，我们发现带电荷的氧原子可以诱发富含π电子的碳纳米材料中电子重新分布，从而影响其相互作用。因此，我们以金属阳离子、苯环为模型，深入研究了此类相互作用，发现了一种反常的新作用形式：Cation-3π相互作用。进一步分析揭示，其反常性来自于空间位阻效应（Steric Effect）。在铝离子与蛋白骨架的相互作用中，我们也发现了类似效应，提出铝离子可以直接与蛋白骨架结合形成环结构。该发现为金属离子生物毒性提供了新机理。.上述工作进展有望促进生物分子高效检测、生物传感器、纳米器件、光谱分析、金属离子生物毒性等方面的发展。