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随着纳米技术的进步,DNA由于其自身具备的可编织性、自组装性、低维性和生物性等独特性质已引起科研工作者的广大关注,然而,人们对DNA的各种基本的物理性质仍然存在争议,这将对未来DNA新材料和新器件的突破造成潜在阻碍。科学工作者对DNA基本物理性质的研究,其中电学性质研究较多一些,对其光学性质研究还比较少,本文则重点计算分析了poly(G)-poly(C)双链DNA与poly(A)-poly(T)双链。DNA以及带骨架两种碱基组份双链DNA的光学吸收性质。
基于DNA结构的复杂性,我们采用紧束缚模型,计算了poly(G)-poly(C)与poly(A)-poly(T)双链DNA以及带磷酸骨架的两种碱基组份双链DNA的电子结构以及光学跃迁吸收谱。计算结果表明:poly(G)-poly(C)DNA与poly(A)-poly(T)DNA的能带结构都呈现出间接带隙半导体能带结构特征；电子态密度分布区间随着无序度的增大而展宽,且能隙逐渐消失。poly(G)-poly(C)DNA与poly(A)-poly(T)DNA的平行极化光学跃迁吸收谱的共振吸收峰值位置分别为1.87 eV和0.76eV,而对于垂直极化光学跃迁吸收谱,poly(G)-poly(C)DNA与poly(A)-poly(T)DNA其吸收边分别为1.84eV和0.68eV,并在高、低能区都存在吸收峰,且平行极化与垂直极化光学跃迁吸收之间存在竞争效应。随着碱基位能无序度的增大,两种双链DNA的平行极化吸收谱的能量区域均展宽,但poly(A)-poly(T)DNA的平行极化吸收谱在低能区的变化更加明显；而对于垂直极化光学跃迁吸收谱,随着无序度的增大高能区的吸收峰消失,吸收能量区域迅速展宽,但poly(G)-poly(C)DNA的吸收峰位置向低频移动趋势较poly(A)-poly(T)DNA的更加明显。
对于带骨架的poly(G)-poly(C)DNA与poly(A)-poly(T)DNA双链,由于骨架的影响,两种碱基组份双链DNA的能带结构由两条能带劈裂成四条能带；垂直极化光学跃迁吸收谱中吸收峰均由原来的两个峰值扩展为四个,吸收光子能量范围变宽,并且吸收边位置与光子能量的吸收范围的位置均向高能区移动；平行极化光学跃迁吸收谱中,吸收谱对称性破坏,吸收峰值均向高能区移动,其中对于A-T链,由于骨架的作用由一个吸收峰变为两个。由于骨架跃迁积分无序度的影响,两种碱基组份双链DNA的垂直极化光学跃迁吸收谱随着无序度的增大,吸收峰由多个减少为一个,峰高逐渐降低,吸收光子能量范围逐渐扩展；对于其平行极化光学跃迁吸收谱,随着骨架无序的增大,两种碱基组份DNA的吸收峰峰高均逐渐降低且吸收峰位置向高能区移动,光子能量范围逐渐扩展,吸收谱对称性形成。