溶液、界面复杂环境中石墨炔与核酸碱基的相互作用及其用于DNA测序的探索：多尺度计算模拟研究

Graphdiyne is new advanced carbon materials, of which China possesses proprietary intellectual property rights. Compared with graphene, graphdiyne can improve the materials’ interface and forms, and better the modulation of electronic structure and transport properties due to the introduction of acetylenic units and the change of topological structure. Thus graphdiyne would enhance the efficiency and performance of the devices, and is likely to be super to graphene in the application of nano-devices. The theoretical chemistry calculations currently have been widely used in the studies of electronic structures and functional properties of graphdiyne. However, little knowledge about the characteristic rule and microscopic nature for the interaction between graphdiyne and nucleobases is now available. And a solid understanding of the interaction between graphdiyne and nucleobases is much crucial for the construction and application of the nano-devices. This research project chooses the interaction system of graphdiyne and nucleobases, and conducts the multiple-scaled quantum chemical computations combined with the weak interaction analysis for large system. Then based on the well investigations of the interaction between graphdiyne and nucleobases in the gas phase, the nature and character of the interaction in complex environments involved with solution, interface and micro/nano bio-structures are explored to get the influencing factors and regularity of the interactions. This research project would provide theoretical basis and effective guidelines for DNA sequencing with the aid of nano-devices made of graphdiyne-based nanostructures.

石墨炔是具有我国自主知识产权的新型先进碳材料。相对石墨烯而言，石墨炔由于炔键引入及拓扑结构改变，可改善材料的界面和形态，更好地实现电子结构和输运性质的调控，达到器件效率和性能的提升，在纳米器件的应用中很可能较石墨烯处于优势地位。目前理论化学计算已经广泛用于石墨炔电子结构和功能性质的探讨，但仍缺乏石墨炔与核酸碱基相互作用的特征规律和微观本质的认识。而透彻理解石墨炔与核酸碱基的相互作用对于纳米器件的构筑及应用至关重要。本研究项目选取石墨炔与核酸碱基相互作用体系，通过多尺度量子化学计算结合大体系弱相互作用分析，在充分探讨气相条件下石墨炔与核酸碱基相互作用的基础上，揭示溶液、界面、微纳生物结构等复杂环境中石墨炔与核酸碱基相互作用的本质和特性，获取相互作用的影响因素和规律性认识，为石墨炔纳米结构用于DNA测序提供理论基础和有效指导。

石墨炔是具有我国自主知识产权的新型先进碳材料。相对石墨烯而言，石墨炔由于炔键引入及拓扑结构改变，可改善材料的界面和形态，更好地实现电子结构和输运性质的调控，达到器件效率和性能的提升，在纳米器件的应用中很可能较石墨烯处于优势地位。目前理论化学计算已经广泛用于石墨炔电子结构和功能性质的探讨，但仍缺乏石墨炔与核酸碱基相互作用的特征规律和微观本质的认识。而透彻理解石墨炔与核酸碱基的相互作用对于纳米器件的构筑及应用至关重要。.本项目研究内容有三部分，主要包括：(1)气相条件下石墨炔与独立核酸碱基分子的相互作用本质和特性研究; (2)溶液/界面复杂环境中石墨炔与独立及配对核酸碱基的相互作用研究; (3)石墨炔与单链DNA中碱基相互作用分析及其用于DNA测序的探索。项目执行期内，研究团队紧密围绕上述项目研究内容，按照计划任务书制定的项目计划认真开展了相关课题的研究活动。.本项目通过DFT理论计算、非共价相互作用分析、非平衡态格林函数、分子动力学等多尺度分子模拟方法系统研究了不同条件下核酸碱基等系列分子在石墨炔等碳基固体表面的吸附，获得了复杂环境中核酸碱基与石墨炔相互作用的规律。本项目分析了固体界面及溶液环境下分子吸附碳基固体表界面相互作用的机制，阐明了非共价相互作用的物理本质。本项目基于碱基分子与石墨炔相互作用强弱的主导因素及电信号变化探讨了石墨炔纳米器件用于碱基测序。.通过本研究项目的实施，顺利完成了既定的研究目标及预期研究结果。项目可为石墨炔纳米结构用于生物识别和测序提供理论基础和有效指导。