生物体内富含鸟嘌呤(G)的核酸能折叠成鸟嘌呤四链体结构，简称G-四链体。G-四链体是由鸟嘌呤和碱金属离子组成，在维护基因组稳定、保持端粒长度以及调控DNA复制等生物学过程中具有很重要的作用，同时与肿瘤和基因疾病的发生密切相关。在细胞水平上已确定碱金属离子对G-四链体形成起到关键作用。G-四分体是G-四链体最基本的结构单元。明确G-四分体形成与碱金属离子的关系，对G-四链体形成、稳定性及生物学功能的理解和认识具有十分重要的意义。目前，G-四分体的形成是否一定需要碱金属离子尚存在争议。此外，作为鸟嘌呤类似物，次黄嘌呤(HX)和黄嘌呤(X)都能够取代鸟嘌呤用于G-四链体结构的调控。目前，依然没有确凿的证据证实HX-四分体和X-四分体的存在。因此，在原子分子水平上研究HX-四分体和X-四分体的形成及结构，不仅对生物体内存在HX-四分体和X-四分体提供关键性的理论依据，而且对G-四链体结构的设计和优化具有重要的指导意义。
　　为明确Au(111)表面G-四分体形成与碱金属离子关系，本论文利用超高真空扫描隧道显微镜(STM)及密度泛函理论(DFT)相结合的研究手段，通过设计对比实验，研究鸟嘌呤分子以及鸟嘌呤和氯化钠在Au(111)基底上的组装结构。重点研究退火温度、鸟嘌呤和氯化钠的沉积量对表面组装结构的影响，探究鸟嘌呤分子能否自组装成G-四分体，以及Na+的加入能否导致鸟嘌呤分子自组装成G-四分体。为解决表面形成G-四分体的争议，进一步探究鸟嘌呤分子能否在缺陷的Au(111)基底上自组装成G-四分体，重点研究退火温度和表面缺陷对鸟嘌呤分子组装结构的影响。研究结果表明鸟嘌呤分子在Au(111)基底上不能组装成G-四分体结构，而与Na+结合才能形成G-四分体结构。鸟嘌呤分子在缺陷的Au(111)基底上与游离的Au原子结合组装成G-四分体结构。G-四分体通过同手性鸟嘌呤分子之间的双氢键(N1?H…N7和N1?H…O6)以及Na+与O原子之间离子键的协同作用才能形成。
　　除了G-四分体结构之外，深入研究HX-四分体的形成及结构，探究除了鸟嘌呤之间的双氢键之外通过次黄嘌呤分子之间的单氢键能否形成HX-四分体结构。结合STM和DFT研究次黄嘌呤分子以及次黄嘌呤和氯化钠在Au(111)基底上的组装结构，着重研究退火温度、次黄嘌呤和氯化钠的沉积量对表面组装结构的影响，在原子分子水平上验证HX-四分体在实空间中存在。研究结果表明次黄嘌呤分子在Au(111)基底上不能组装成HX-四分体结构，而与Na+结合才能形成HX-四分体结构。HX-四分体结构通过同手性次黄嘌呤分子之间的单氢键(N1?H…O6)以及Na+与O原子之间离子键的协同作用才能形成。
　　除了在Na+的参与下才能形成的嘌呤四分体之外，能否存在只通过嘌呤分子之间的氢键形成的四分体结构。结合STM和DFT在原子分子水平上进一步在Au(111)基底上研究X-四分体的形成及结构，验证X-四分体在实空间中的存在，并明确X-四分体形成与Na+关系。系统研究黄嘌呤分子以及黄嘌呤和氯化钠在Au(111)基底上的组装结构，通过调控退火温度以及黄嘌呤分子的沉积量来研究表面组装结构的演变。研究结果表明黄嘌呤分子在Au(111)基底上能自组装成X-四分体，而与Na+结合不能形成X-四分体。X-四分体结构是通过4个同手性分子之间的双氢键(N7?H…O2和N1?H…O6)彼此连接而成，是黄嘌呤分子在Au(111)基底自组装结构中最稳定相，而且具有手性。