荧光光谱法是研究核酸体系结构和动力学的重要工具,荧光技术的使用需要荧光标记物如荧光染料或荧光碱基类似物,因为天然碱基内源荧光弱。目前已有大量荧光碱基类似物被合成出来,但从分子或原子水平上对荧光碱基类似物的结构及电子光谱性质进行研究的报道较少,理论研究有助于理解结构和光谱性质的关系。国内外关于荧光碱基类似物的理论研究主要以苯、萘、噻吩等扩环的平面刚性结构为对象,本文选取了含有不同荧光团的平面或非平面结构的荧光碱基类似物为对象,期望获得更为全面的结构与光谱性质的关系。天然DNA碱基结构有嘌呤(腺嘌呤、鸟嘌呤)和嘧啶(胞嘧啶、胸腺嘧啶)两类,文献报道较多的是腺嘌呤和胞嘧啶类似物。因此,本文以腺嘌呤和胞嘧啶类似物为研究对象,用量子化学方法对碱基类似物的结构和激发态性质进行理论研究,考察生物环境如溶剂、与脱氧核糖相连以及碱基配对对激发态性质的影响,这些理论研究有助于我们理解和解释相关实验现象,同时对设计和合成荧光效率高的新型碱基类似物也是有帮助的。另外本文设计了一系列苯扩环的双面碱基类似物,详细研究了它们的结构和激发态的性质,这对于探索扩环的双面碱基类似物作为荧光探针的可能性是有益的。本论文主要内容如下:1、运用DFT(Density Functional Theory)和TDDFT(Time Dependent Density Functional Theory)方法研究了四种腺嘌呤碱基类似物的结构和电子光谱性质,并考察了水溶液、与糖环相连以及碱基配对对光谱性质的影响。结果表明腺嘌呤类似物氢键面的结构参数与天然腺嘌呤非常接近,腺嘌呤类似物与胸腺嘧啶(T)配对形成稳定的Watson-Crick(WC)碱基对。腺嘌呤类似物脱氧核苷在水溶液中的吸收波长计算值与实验值相吻合。腺嘌呤碱基类似物第一激发和发射波长与天然腺嘌呤相比发生显著红移。体系荧光团共轭结构增加,激发态的数目也随之增加。dA1和dA4的发射波长与实验值相符,dA1和dA4的荧光团结构差别较大,但发射波长非常接近,且柔性结构的dA1荧光振子强度最大。溶剂化作用后吸收峰的位置与气相中是对应的,第一激发波长和发射波长较气相中发生红移,振子强度增加。与脱氧核糖相连后激发态数目增多,第一激发波长较相应单体变化-6nm至7nm,发射波长红移5-10 nm,dA4的振子强度较A4增加3倍。与碱基配对后,第一激发态是局域激发,对应于腺嘌呤类似物单体的激发。第一激发波长和发射波长较相应的单体红移1-6nm,A3T发射强度较A3降低75%。2、运用DFT和TDDFT方法研究了四种胞嘧啶碱基类似物的结构及电子光谱性质,并考察了水溶液、与糖环相连以及碱基配对对光谱性质的影响。结果表明C1、C2、C3是平面结构,C4是非平面结构,胞嘧啶类似物保留了天然胞嘧啶氢键面的结构。GC3和GC4具有天然GC碱基对的稳定性,而GC1和GC2的稳定性较弱。胞嘧啶类似物脱氧核苷在水溶液中的吸收和发射波长计算值与实验值相吻合。胞嘧啶类似物第一激发波长和发射波长发生了显著红移。C2共轭程度较C1大,但C1和C2发射波长却相同。溶剂化作用后C1和C2第一激发波长位置基本不变,发射波长蓝移10-38nm;c3和c4第一激发波长以及发射波长均发生明显红移且振子强度显著增大。与脱氧核糖相连后第一激发态的振子强度增加40-100%。dc1和dc4发射波长分别红移72、26nm,dc2和dc3荧光强度分别增加89%、70%。碱基配对后第一激发态对应于胞嘧啶类似物单体的激发,gc1蓝移9nm,gc2、gc3和gc4红移6-20nm,gc2振子强度下降100%。3、运用dft和tddft方法研究了四种吡咯胞嘧啶类似物的结构及电子光谱性质,并考虑了与糖环相连、碱基配对以及溶剂对光谱性质的影响。结果表明pyc1和pyc4是平面结构,pyc2和pyc3是非平面柔性结构,吡咯胞嘧啶类似物h-l轨道能级差的顺序为pyc2<pyc4<pyc3=pyc1。吡咯胞嘧啶类似物与鸟嘌呤配对形成稳定的wc碱基对。吡咯胞嘧啶类似物脱氧核苷在水溶液中的吸收和发射波长计算值与实验值非常吻合。pyc2、pyc3和pyc4荧光团结构不同,但发射波长非常接近,且柔性结构的pyc2和pyc3荧光强度大。溶剂化作用后吡咯胞嘧啶类似物单体吸收光谱第一激发波长蓝移5-10nm,振子强度增加14-35%;而发射波长蓝移10-24nm,荧光强度增加20-33%。与脱氧核糖相连后,第一激发波长蓝移2-6nm,振子强度增加42-57%。对于发射波长的影响不尽相同,dpyc2和dpyc3红移约5nm,而dpyc1和dpyc4发生蓝移约8nm,相应的振子强度增加33%-60%。碱基对第一激发波长对应于吡咯胞嘧啶单体的局域激发,第一激发波长较单体红移6-11nm,相应的振子强度降低0-29%。4、设计了苯扩环的双面at碱基(j-at1,j-at2,bf1和bf2),运用dft和tddft方法研究了双面at碱基基态和激发态性质,并考虑了水溶液以及碱基配对对激发态的影响。结果表明j-at1和bf1存在分子内氢键,碱基对氢键强度的顺序为nh…n>nh…o>ch….o。j-at2和bf1碱基对的稳定性高,而j-at1和bf2碱基对稳定性略低。双面at碱基第一激发波长和发射波长都对应着homolumo跃迁,具有ππ*特征。j-at1和j-at2的第一激发波长和发射波长相差较大,而bf1和bf2的比较接近。bf1和bf2荧光波长及强度较大,具有较好的荧光性能。溶剂化作用后j-at1第一激发波长和发射波长分别蓝移14和45nm;j-at2,bf1和bf2红移3-7nm,相应的振子强度增加20-50%。形成碱基对后第一激发态是局域激发,对应于双面碱基类似物。与t配对第一激发波长发生较大变化,而与a配对变化微小。碱基对的某些激发波长对应于a或t碱基,表明双面碱基类似物激发性质在形成碱基对后发生改变。理论研究结果表明苯环的位置显著地影响双面at碱基类似物单体的结构和性质。5、设计了苯扩环的双面j-gc碱基,用dft和tddft方法观察了j-gc系列碱基的结构和光学性质,并且考虑了溶剂以及碱基配对对光谱的影响,结果表明苯环的位置不同,其对应的三种j-gc碱基氨基角锥化程度及分子的轨道能也不同。扩环j-gc碱基与互补碱基能形成稳定的wc型碱基对。三种苯扩环的j-gc碱基第一激发波长和发射波长的红移程度不同,其中非平面结构的j-gc2红移程度最大。j-gc1和j-gc3的发射波长和振子强度数值相近。溶剂化作用后,j-gc3第一激发和发射波长变化微小,而j-gc、j-gc1和j-gc2的发射波长变化范围是17-65nm。j-gc2和j-gc3的荧光波长和振子较大,具有较好的荧光性能。td-b3lyp方法预测j-gc3:c和j-gc2:g能量最低的激发态是电子转移态,其它碱基对是局域激发,对应着J-GC碱基单体的激发。这些局域激发的碱基对的第一激发波长改变6-18nm,表明氢键作用显著影响了第一激发能。