生物介质中溶剂化电子的结构、动力学及反应性理论研究

Solvated electron is a special existing form of electron. It extensively exists in many fields and is closely assocted with a lot of functional processes. Thus, at present the study of solvated electrons has been a hot topic in the field. In this proposal, some of basic fundamental questions about the solvated electrons in various biological media or biological microsurroundings such DNA, protens, their aqueous solutions, physiological media and so forth will be explored. Using theoretical calculations and molecular dynamics simulations, at the molecular and electron level, we study the generation of excess electron and the formation, structures, states, time evolution dynamics and chemical reactivity of solvated electrons in such biological media, and clarify the regulating role of biological units, micro-surroundings, or media on the solvation of excess electrons. Further, we explore the effect of solvated electrons on the structures and properties of biological micro-surroundings, structural units or biological media and study reactivity of solvated electrons. Meanwhile, we try to develop and improve the large scale calculational and molecular dynamics simulation new methods. In addition, we propose solvated electron-based charge transfer mechanism and further interpret some relevant phenomena about charge transfers, lesion and damages in proteins and DNA. This work can provide some important information for knowing the structures, states, evolution dynamics and reactivity of the solvated electrons in many other fields and also establish theoretical base for the new application of solvated electrons.

溶剂化电子是电子一种独特的形式，它广泛存在于诸多领域中，且与众多的功能过程相联系。溶剂化电子的研究目前已成为国际上热点课题。本项目围绕着各种生物介质中电子溶剂化及反应性有关的重要基本科学问题，用理论计算和分子动力学模拟的方法，从分子电子层次上阐明DNA、蛋白质、生物微环境等生物结构单元或生物介质中过剩电子的产生、溶剂化电子的形成、结构状态、时间演化动力学及其化学反应性，澄清各类生物结构单元或生物介质对电子溶剂化的调控作用，探讨溶剂化电子对各种微环境结构或介质功能性质的影响及溶剂化电子化学反应性。改进发展处理溶剂化电子体系的大规模计算与模拟方法。进而建立基于溶剂化电子的生物电荷转移新机理，并进一步解释生物电荷迁移、损伤与破坏等相关现象。为深入认识诸多领域中此类特殊电子的结构、状态、动力学及化学反应性提供重要信息，同时也可为基于溶剂化电子的新应用等奠定理论基础。

溶剂化电子是电子一种独特的形式，与诸多功能过程密切相关。因此，溶剂化电子研究一直是人们关注的焦点课题。本项目围绕着生物介质中溶剂化电子有关关键科学问题，从以下几个方面开展了系列工作，现分类概括如下：.1）溶剂化电子结构及状态精确表征：进行了溶剂化电子结构及状态精确计算表征，包括笼型、表面态、载体辅助的溶剂化电子及双电子；提出了漂浮函数及组合方法，精确表征溶剂化电子态；提出了双电子波函数表达方法及有关性质计算方法，准确表征其结构及动力学。2）溶剂化电子新特征新特性：发现了溶剂化电子显著增强核自旋耦合及其辅助机理；阐明了碱金属溶液溶剂化电子还原性增强的原因；发现了溶剂化双电子自旋磁耦合新机理；澄清了溶剂化双电子自旋反转动力学。3）氨基酸溶液过剩电子结构特征及定域化动力学：澄清了酰胺-Ca2+、组氨酸、脯氨酸水溶液中过剩电子溶剂化动力学及溶剂化电子结构状态，发现并澄清了明显的生物活性离子效应、溶液酸碱效应以及浓度效应。4）蛋白质辅助过剩电子转移动力学：研究澄清了部分蛋白质结构单元如β-转角肽链、线性肽链、α-螺旋肽链、等在长程电子转移中中继站作用及其动态调控；阐明了电场能够调控电子沿其逆偶极场方向迁移动力学机理。5）溶剂化电子的化学反应性：重点研究了几类代表性的体系，表征了溶剂化电子的反应性，包括溶液中辐射电子向核酸碱基的动力学转移；生物敏化剂的辐射敏化机理；溶剂化电子对生物结构单元损伤机理；水合电子诱导析氢。6）溶剂化电子间磁性自旋耦合特性研究：拓展研究了部分磁性结构体系，包括水合包合物双电子的磁性自旋耦合的电场调控；生物介质中溶剂化双电子弱自旋耦合机制；以及自由基化生物分子片间磁自旋耦合机理及其质子转移、异构化调控。.此工作对理解此类特殊电子结构状态、动力学规律和相关体系的性质提供了有益信息，为理解生物体电荷转移和辐射破坏机制提供了理论依据，对基于溶剂化电子的器件设计也具参考价值。