碳材料（石墨烯，碳纳米管）对碱基的物理吸附的量子力学研究

蜂窝状网格结构的纳米材料如碳纳米管，石墨烯纳米片，石墨烯具有独特的电学，热学，光学，力学性能。单壁碳纳米管可...



蜂窝状网格结构的纳米材料如碳纳米管，石墨烯纳米片，石墨烯具有独特的电学，热学，光学，力学性能。单壁碳纳米管可看成是石墨烯卷曲而成，不同的曲率导致石墨烯和碳纳米管的性能也存在了差异。碳纳米材料表面对不同基质的吸附作用也逐渐成为了研究热点，尤其是核酸/碳纳米材料的相互作用有着广泛的应用，如核酸测序、核酸检测和药物递送。

Umadevi等人研究了碳纳米材料的曲率，以碳纳米管和石墨烯为代表，对其结合核酸碱基的影响。为了使研究尽可能的考虑到一个大的曲率范围，研究者采用了石墨烯，单壁碳纳米管（3,3），碳纳米管（4,4），碳纳米管（5,5）作为研究模型，如图1所示。模拟结果表明，结合能力随着曲率降低而增加，石墨烯与核酸碱基的结合能达到最大。总体来说，核酸碱基趋向于与碳纳米材料形成π-π堆叠。当曲率降低时，堆叠更加有效。石墨烯与核酸碱基的结合能在~12到17 kcal/mol，超过了化学吸附的下限，也就是说碳纳米管与核酸碱基的吸附和脱附都可以发生在室温条件下，但是石墨烯却不能。计算结果得出核酸碱基与碳纳米管的结合能力顺序为G（鸟嘌呤）> T（胸腺嘧啶）~ A（腺嘌呤） > C（胞嘧啶） > U（尿嘧啶），与石墨烯的结合能力顺序为G > A >T > C > U。G的结合能力最大主要是NH-π相互作用与π-π相互作用的叠加。研究者还发现核酸碱基与碳纳米材料的结合能增加了核酸碱基环的芳香性。

文章链接： [1]D. Umadevi, G.N. Sastry, Quantum Mechanical Study of Physisorption of Nucleobases on Carbon Materials: Graphene versus Carbon Nanotubes, The Journal of Physical Chemistry Letters, 2(2011) 1572-1576.

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