二价金属离子与DNA之间的相互作用在基础生命过程至关重要。这些相互作用在基于离子特异性的DNA离子传感器或DNA纳米机器等技术中也具有广泛的应用价值。现有的聚电解质理论不能很好地描述这些相互作用,也没有考虑两者作用的动力学机制。在本项研究中,我们报道了二价金属离子与单个DNA分子结合的单分子动力学和金属―DNA复合体的形貌特征。发现除Mg²⁺、Ca²⁺外,大多数二价金属离子(Mn²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺)都能导致DNA凝聚。碱金属和碱土金属不能引起DNA长度产生显著变化,而过渡金属离子可导致DNA凝聚。不同离子导致凝聚的临界离子强度各有不同,并且在动力学上显示出不同的缩短速度,表明离子的特异性。原子力显微镜扫描表明金属―DNA复合体的构象特征受金属离子的离子强度、DNA链长和DNA浓度的影响。在较低的金属离子浓度下,DNA呈无规则线团构象。随着离子强度的增加DNA呈现了网状凝聚结构,且网状凝聚结构并不断加强,这说明了二价金属离子可以诱导DNA分子间的相互吸引。此外,提高DNA浓度和增加DNA链长会增强DNA分子间的相互作用,导致网络结构交联程度更高。