基于宽带飞秒瞬态光谱对DNA电子激发态的研究

The structure change of DNA has significant impact on the life functions in living organism. Excited electronic states formed in DNA by absorption of ultraviolet photons are the initial stage of DNA damage and mutation. Study of the excited electronic states in DNA has crucial importance on understanding the structure and function changes induced by ultraviolet radiation. Although current time and frequency resolved spectroscopy have provided huge amount of information on the structure-function relationship in bio-molecules, further study of ultrafast dynamics in bio-molecule like DNA in femtosecond time scale is necessary. The goal of this project is building a broadband UV-Vis and broadband IR transient absorption spectrometer based on the technology support from the State Key Laboratory and study the nature and dynamics of excited electronic states in DNA. We plan to use broadband femtosecond transient absorption technique to study a series of single- and double-strand DNA. By using chemical modification, fluorescence probe and isotopic substitution, we are going to precision control the level of base stacking and base pairing in DNA, and elucidate the mechanism of how base stacking and base pairing impact on the excited states dynamics of DNA as well as the mechanism of excited state energy and charge transfer in DNA. The results of this project will provide basic theory and experimental evidence for DNA higher structure detecting, DNA damage repair mechanism and pathogenesis for cancer and other disease.

生物体中DNA结构的变化直接影响着生物重要的生命功能。DNA受紫外线激发后产生的电子激发态是DNA发生损伤的起始点，对该激发态的本质和动力学过程的研究对于理解和解释DNA的结构及功能受激后引起的变化有着举足轻重的意义。目前的时间和频率分辨激光光谱学技术提供了研究生物分子的结构-功能关系的大量信息，但在飞秒时间级别的超快动力学过程方面还有待更深入的研究。本项目充分利用国家实验室的飞秒激光光谱技术，拟搭建宽带紫外可见和宽带红外瞬态吸收光谱仪，实现单、双链DNA分子的激发态完整光谱及其动力学过程的表征, 通过精确调控DNA中碱基之间的π键垂直重叠和氢键相互配对两种非共价相互作用，探讨DNA碱基间非共价相互作用对其激发态动力学过程影响的基本规律，解释DNA中激发态能量和电荷转移的机理。项目的研究成果将为DNA空间高级结构的测定、DNA的损伤修复机理、癌症等重大疾病的发病机制提供理论基础和实验依据。

脱氧核糖核酸（DNA）是地球上几乎所有生物的遗传信息载体。如果发生DNA的损伤，将可能引起生物体的遗传性病变，严重的情况下可以直接导致生物的死亡。所以，对于DNA损伤和修复过程的机理在分子层次上的研究不仅有望揭示生命体中能量/电荷转移的基本规律，还可以对生物的疾病、进化、变异等现象提供指导作用，具有重要的科学价值。. 由于组成DNA的脱氧核苷酸在紫外波段均具有强烈的吸收，DNA的光损伤自1960年代开始就备受科学家的关注。DNA受紫外线激发后产生的电子激发态被认为是DNA光损伤的起始点，但是DNA激发态动力学的直接观测直到2000年才首次被报道。制约该项研究的主要因素是DNA激发态的寿命处于飞秒量级，而且光谱信号微弱，所以之前的研究多采用紫外-可见单波长探测的方式。该方法在DNA激发态能级的构建、新能级本质的指认、电荷和能量转移特征峰的探测等方面有着较大的困难。本项目的研究内容是搭建飞秒宽带紫外-可见和宽带红外瞬态吸收光谱测试系统，并基于该系统研究DNA的激发态动力学过程，获取更全面的光谱信息。. 在本项目执行过程中，我们围绕申请书中的研究内容，成功搭建了飞秒宽带紫外-可见吸收和宽带红外瞬态吸收光谱吸收仪器，并对一些列化学修饰的DNA碱基、单、双链寡聚DNA的激发态动力学开展了研究，相关工作发表在J. Phys. Chem.、Phys. Chem. Chem. Phys.、ChemPhysChem等国际期刊。除却既定的研究内容外，还将完成的飞秒宽带光谱测试系统应用于新型染料激发态动力学、新型红色荧光蛋白发光机理、半导体氧化物光催化机理等研究领域。. 综上所述，本人在项目执行期间既圆满的完成了项目的既定研究，又开展了与项目相关的其他预研，很好的完成了项目计划书中所定的预期研究成果。