氮杂碱基及其衍生物的激发态动力学研究
发布时间：2022-01-10 16:33
核酸碱基的光物理和光化学性质对结构非常敏感,氮杂碱基是一种核酸碱基衍生物,其结构与标准碱基类似,只是某些位点处的碳原子替换为氮原子,一般具有更独特的激发态动力学特性。已有研究表明,部分氮杂碱基在生物医学领域具备重要应用前景。但是,某些氮杂碱基也会具有光敏性,药用时可能会对细胞产生光损伤,然而相关研究较少。氮杂碱基的激发态动力学研究不但能揭示氮取代对标准碱基光物理和光化学性质的影响,也可以为药物研究者们提供重要的物质特性,帮助他们评估氮杂碱基的药物前景。尽管氮杂碱基已经有了一些研究基础,然而其超快弛豫机制目前还远没有得到很好地解释。尤其是在之前研究中,大多实验还停留在纳秒量级,无法观察到超快时间尺度下的激发态动力学。本文主要通过稳态吸收,飞秒到纳秒的瞬态吸收光谱技术（TA）,电子顺磁共振谱（EPR）和含时密度泛函理论（TDDFT）计算对6-氮杂胸腺嘧啶（6-AT）和更具生物意义的衍生物6-氮杂脱氧核苷（6-ATD）的激发态动力学进行研究,揭示了氮杂碱基6-AT和6-ATD超快时间尺度的衰减机制。本文主要研究成果总结如下:1.尽管6-AT和6-ATD结构相似,但激发态动力学弛豫机制却有所不...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
五种天然碱基结构式在确定了DNA和RNA为生命遗传物质之后，科学家们对它们进行了不断
华东师范大学硕士论文2人体在接受过量的紫外辐射后，会导致皮肤损伤，过敏，甚至引发皮肤癌[2-4]。为了寻找更深层次的原因，长久以来，紫外线照射下的核酸碱基的光物理和光化学性质一直是研究热点之一。研究表明，核酸碱基的最大吸收峰在267nm左右，核酸碱基在吸收紫外光子的能量后，会跃迁到激发态（一般是1ππ*）[1,5]。在分子进化的长期过程中，自然选择使得核酸碱基具有极高的光稳定性，处于激发态的碱基分子为了维持自身稳定，会以多种方式向低能态衰减，如辐射跃迁（通常为荧光），非辐射跃迁或者发生光化学反应。据报道，在标准碱基中，荧光量子产率极低（10-4）[6]，这意味着其激发态弛豫主要通过无辐射方式进行，如内转换，振动弛豫，以及系间窜越等。处于激发态的分子可以通过锥形交叉点（CIs）进行超快的内转换（IC）[7]，同时与周围溶剂分子通过振动模式耦合来将能量散失到溶剂中[8]，部分碱基在弛豫过程中也会发生系间窜越（ISC）[9]，从单重态跃迁到三重态。图1.2核苷单体的瞬态吸收信号[10]对于核酸碱基的研究由来已久，早在上世纪60-70年代，研究者们就已相继报道了核酸碱基分子的许多重要参数，如荧光量子产率，系间窜越速率，三重态寿命等[11-13]，由于其激发态寿命一般较短，在当时人们无法深入研究。近些年来，实验技术水平逐渐提高，尤其是发展出了超快时间分辨光谱技术，研究者们利用
华东师范大学硕士论文4图1.3常见氮杂碱基的分子结构核酸碱基的激发态动力学性质对结构非常敏感,在发生氮取代后，氮杂碱基的pKa值相比于标准碱基会更小，这导致氮杂碱基在不同pH的溶液中一般存在多种同分异构体[21]，这无疑使他们的光物理、光化学性质更加复杂。如将胸腺嘧啶和尿嘧啶的6号位处碳原子替换为氮原子，会使得他们的N3号位的pKa值降低[22]。因此，胸腺嘧啶和尿嘧啶在pH=7的情况下为中性结构，而6-氮杂胸腺嘧啶和6-氮杂尿嘧啶在pH=7的情况下是失质子结构。由于水溶液中的氮杂碱基结构的复杂性，研究者们为了简化研究过程，一般使用极性非质子溶剂乙腈作为溶剂进行实验。1.2.2氮杂碱基目前的研究进展在之前的研究中，研究者们已对氮杂碱基的光物理、光化学性质有了一定的了解。在稳态光谱方面，Suzuki等人报道了氮杂碱基在乙腈溶液中的稳态吸收和稳态荧光的性质[23-25]。通常，氮杂碱基的稳态吸收光谱会比标准碱基的略微红移，也会有略微的拖尾现象。Kobayashi等人利用TD-B3LYP/PCM/6-31G(d,p)理论计算证明，这些拖尾现象是由于在这些碱基分子的最低可激发能级之下还存在一些能量较低的暗态[23]。在稳态荧光光谱方面，大部分氮杂碱基都具有极低的荧光量子产率[1]，但在少部分氮杂碱基中也探测到了较高的荧光量子产率，如8-氮杂鸟嘌呤，8-氮杂腺嘌呤[26]。
本文编号：3581027
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
五种天然碱基结构式在确定了DNA和RNA为生命遗传物质之后，科学家们对它们进行了不断
华东师范大学硕士论文2人体在接受过量的紫外辐射后，会导致皮肤损伤，过敏，甚至引发皮肤癌[2-4]。为了寻找更深层次的原因，长久以来，紫外线照射下的核酸碱基的光物理和光化学性质一直是研究热点之一。研究表明，核酸碱基的最大吸收峰在267nm左右，核酸碱基在吸收紫外光子的能量后，会跃迁到激发态（一般是1ππ*）[1,5]。在分子进化的长期过程中，自然选择使得核酸碱基具有极高的光稳定性，处于激发态的碱基分子为了维持自身稳定，会以多种方式向低能态衰减，如辐射跃迁（通常为荧光），非辐射跃迁或者发生光化学反应。据报道，在标准碱基中，荧光量子产率极低（10-4）[6]，这意味着其激发态弛豫主要通过无辐射方式进行，如内转换，振动弛豫，以及系间窜越等。处于激发态的分子可以通过锥形交叉点（CIs）进行超快的内转换（IC）[7]，同时与周围溶剂分子通过振动模式耦合来将能量散失到溶剂中[8]，部分碱基在弛豫过程中也会发生系间窜越（ISC）[9]，从单重态跃迁到三重态。图1.2核苷单体的瞬态吸收信号[10]对于核酸碱基的研究由来已久，早在上世纪60-70年代，研究者们就已相继报道了核酸碱基分子的许多重要参数，如荧光量子产率，系间窜越速率，三重态寿命等[11-13]，由于其激发态寿命一般较短，在当时人们无法深入研究。近些年来，实验技术水平逐渐提高，尤其是发展出了超快时间分辨光谱技术，研究者们利用
华东师范大学硕士论文4图1.3常见氮杂碱基的分子结构核酸碱基的激发态动力学性质对结构非常敏感,在发生氮取代后，氮杂碱基的pKa值相比于标准碱基会更小，这导致氮杂碱基在不同pH的溶液中一般存在多种同分异构体[21]，这无疑使他们的光物理、光化学性质更加复杂。如将胸腺嘧啶和尿嘧啶的6号位处碳原子替换为氮原子，会使得他们的N3号位的pKa值降低[22]。因此，胸腺嘧啶和尿嘧啶在pH=7的情况下为中性结构，而6-氮杂胸腺嘧啶和6-氮杂尿嘧啶在pH=7的情况下是失质子结构。由于水溶液中的氮杂碱基结构的复杂性，研究者们为了简化研究过程，一般使用极性非质子溶剂乙腈作为溶剂进行实验。1.2.2氮杂碱基目前的研究进展在之前的研究中，研究者们已对氮杂碱基的光物理、光化学性质有了一定的了解。在稳态光谱方面，Suzuki等人报道了氮杂碱基在乙腈溶液中的稳态吸收和稳态荧光的性质[23-25]。通常，氮杂碱基的稳态吸收光谱会比标准碱基的略微红移，也会有略微的拖尾现象。Kobayashi等人利用TD-B3LYP/PCM/6-31G(d,p)理论计算证明，这些拖尾现象是由于在这些碱基分子的最低可激发能级之下还存在一些能量较低的暗态[23]。在稳态荧光光谱方面，大部分氮杂碱基都具有极低的荧光量子产率[1]，但在少部分氮杂碱基中也探测到了较高的荧光量子产率，如8-氮杂鸟嘌呤，8-氮杂腺嘌呤[26]。
本文编号：3581027
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