【摘要】 深度解析DNA发夹结构中DPA发色团的电荷注入与重组机制，结合飞秒瞬态吸收光谱揭示碱基堆叠构象对电荷转移效率的影响，为生物传感器设计提供关键技术参数。

在生物物理化学领域，DNA微型发夹结构中的电荷注入与重组机制研究取得重要突破。以二苯基乙二甲酰胺（DPA）为核心发色团的实验体系，因其在500-1130nm波段的光谱特性，成为解析水溶液中空穴注入及电荷转移过程的理想模型。本文结合紫外光谱、飞秒瞬态吸收（fsTA）及受激拉曼光谱（FSRS）技术，揭示碱基堆叠构象对电荷分离效率的关键影响。

 

实验体系构建与光谱特征

研究采用含1-3个A-T/G-C碱基对的微型发夹结构（A1-A3、G1-G3），通过DPA连接剂实现精准电荷转移观测。如图1所示，发夹构型直接影响π-π堆叠程度：当DPA与相邻碱基间存在水分子隔离时，电荷重组速率显著降低。

 

DNA发夹结构示意图，DPA连接不同碱基对

图1 （a） DPA连接的迷你发夹和（b）用于比较的较长的发夹的结构

 

紫外光谱解析：
图2显示，G-C碱基对的短波带蓝移现象与Sd连接发夹一致，三碱基结构（A3/G3）光谱特征与长链发夹相似，证实微型发夹具备等效电荷传递能力。

A1-A3与G1-G3发夹紫外光谱对比图

图2 发夹（a） A1−A3和（b） G1−G3在23℃水溶液缓冲液中的紫外光谱。

 

动力学机制与构象关联

通过fsTA光谱全局分析发现：

1.电荷注入速率差异：

  • 电子供体（如二苯乙烯醚）向胸腺嘧啶的注入速度比胞嘧啶快2.3倍
  • 空穴受体（DPA）对鸟嘌呤的捕获效率较腺嘌呤提升68%

2.构象依赖性重组：

  • 碱基配对的紧凑构象使电荷分离速度比扩展构象快5-8倍
  • 腺嘌呤阳离子自由基重组半衰期达3.2ns，显著高于嘧啶体系

CD光谱验证（图3）：

A/G系列发夹圆二色光谱对比

图3 发夹（a） A1−A3和（b） G1−G3在23°C水溶液中的圆二色性光谱。

 

A3和G3的螺旋特征峰与长链发夹重叠度达92%，证明微型结构同样具备稳定双链构象。

 

离域效应与工程化启示

实验发现电荷离域受DPA-库仑力制约：

  • 在A1-A3体系中，空穴可在相邻2-3个腺嘌呤间迁移
  • G-C碱基对的引入使电荷分离速率提升40%，但离域范围未随碱基对数量线性扩展

工程优化方向：
通过调控发夹顶点角度（图1b）及水合作用位点，可定向增强电荷传递效率，为DNA纳米器件设计提供理论支撑。

 

技术应用与未来展望

本研究建立的fsTA/FSRS联用方案突破传统紫外检测局限：

  • 灵敏度提升：可检测单碱基对的构象波动
  • 适用范围扩展：无需激子耦合即可分析非堆叠结构

目前正开展三向结、G-四联体等复杂结构的电荷动力学研究，相关成果将推动生物传感器与分子电子器件研发。

 

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