[发明专利]一种包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型构建方法及其应用

说明书

本发明涉及一种包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型构建方法及其应用，属于电化学检测领域。本发明构建的模型是首先获取待测分子的分子结构，接着对能量最小化的核酸结构进行DFT计算，以获得电子哈密顿量；然后再基于Landauer‑Büttiker框架开发的双螺旋的退相干输运模型，量子输运计算使用Landauer‑Büttiker框架进行。与现有技术中的模型相比较，本发明使用格林函数公式和Büttiker探针来实现将两电级及外界环境的耦合作用加以考虑，用该模型来解释实验结果。本发明构建的模型适用于对核酸分子、生物大分子、天然高分子、合成高分子等聚合物的电导率、有效电荷传输率等电学性质的检测分析。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型构建方法及其应用。

背景技术

核酸在许多生物系统和活动中起着至关重要的作用。近年来，工程师和科学家对研究其电性能一直很感兴趣，这些研究的动机源于以下事实：(1)构成核酸构件的碱基具有独特的电离势，此外核酸是可以以高精确度可重复生产的少数纳米材料之一。因此，具有特定序列的设计链可能会提供独特的设备特性；(2)电学方法为基于单个分子的核酸测序提供了潜力；(3)基于核酸流过的电流的疾病检测的电学方法开始被证明。

尽管在上述领域的实验是有希望的，但是需要发展对通过核酸的电流的更深入的了解。而要在这些分子中流动的电流的建模很复杂，其原因在于：(1)它们基于核酸和金属之间的原子级接触，无法以可复制的方式建立；(2)核酸的电导率容易受到环境的影响，环境是不断变化的；(3)核酸本身具有软性。

因此为了能够克服现有技术中对核酸之类的大分子电性能研究过程中存在的缺陷，需要开发一种新的包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型构建方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型构建方法；本发明的目的之二在于提供一种包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型在检测聚合物分子电导率中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种包含退相干作用的聚合物分子电学性质的模型构建方法，所述方法包括如下步骤：

(1)获取待测分子的结构信息；

(2)本模型中将所述待测分子置于两个纳米级金属电极之间进行模拟电测量；

(3)将所述结构信息用于Gaussian计算中完成密度泛函理论(DFT)计算得到哈密顿量H；

(4)用现象学Büttiker探针，将所述待测分子中电子与分子的晶格振动以及周围的电磁场之间的相互作用考虑入内，构建包含退相干作用的模型，得到费米能量E处的延迟格林函数G^r_M，

其中E为费米能量，单位为eV、H为步骤(3)中所述哈密顿量，单位为eV、I为与H大小相同的单位矩阵，单位为1、∑_L^r为左电极的超前自能，单位为eV、∑_R^r为右电极的超前自能，单位为eV、∑_B为Büttiker探针产生的自能，单位为eV；

(5)计算相干传输率T(E)，

T(E)＝Trace(Γ_LG^r_MΓ_RG^a_M) (2)，

其中Γ_L和Γ_R表示将待测分子放置在左电极或右电极附近时分子能级的扩展，单位为eV、G^a_M为超前格林函数，单位为eV；