瞬态阴离子激发态在嘧啶DNA亚基捕获过量电子中的作用机制研究

　　本研究针对高能辐射诱导DNA损伤的核心问题，通过CASSCF/CASPT2方法系统探究了气/液相嘧啶DNA亚基（核碱基、核苷、核苷酸）捕获过量电子形成瞬态阴离子（TAs）的机制。发现液相垂直电子亲和能（VEAs）较气相提升1.05–4.04 eV，揭示糖环、磷酸基团及抗衡离子对电子捕获能力的调控作用，首次阐明激发态TAs通过形状共振（shape resonance）和核心激发共振（core-excited resonance）的混合模式参与DNA损伤，为辐射防护提供新靶点。

　　

高能辐射与生物体的相互作用会引发细胞DNA损伤，这一过程被公认为癌症放疗副作用和辐射暴露危害的核心机制。当辐射能量作用于生物介质时，会产生大量次级电子（SEs），其中0-20 eV的低能电子（LEEs）可通过附着DNA形成瞬态阴离子（transient anions, TAs）。这些不稳定的中间体通过解离电子附着（dissociative electron attachment, DEA）引发单链断裂（SSBs）甚至双链断裂（DSBs），但关于激发态TAs的具体作用机制仍存在认知空白。尤其值得注意的是，实验观察到DNA损伤可能源自更高能级的激发态TAs，而传统研究多聚焦于基态TAs，这使得理论预测与实验现象间存在显著鸿沟。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表了突破性研究。通过多尺度计算化学方法，首次系统阐明了嘧啶DNA亚基（包括核碱基、核苷及核苷酸）在气/液相环境中捕获过量电子形成激发态TAs的规律。研究发现：1）液相环境使垂直电子亲和能（vertical electron affinities, VEAs）显著提升1.05-4.04 eV；2）糖环骨架和磷酸基团通过空间位阻效应调控电子捕获效率；3）抗衡离子（如dCMPH/dTMPH）可稳定阴离子态；4）第二、三激发态TAs存在形状共振与核心激发共振的混合模式。这些发现为解释实验观测到的"高能TA致DNA损伤"现象提供了理论依据。

关键技术方法
研究采用多参考态CASSCF/CASPT2（完全活性空间自洽场/二阶扰动理论）方法计算四种最低电子态VEAs，通过6-31+G(d)、aug-cc-pVDZ等基组验证计算精度。液相模拟结合极化连续介质模型（PCM），分析溶剂化效应对电子亲和能的影响。对比体系涵盖8种分子：胞嘧啶（C）、脱氧胞苷（dC）、脱氧胞苷单磷酸（dCMP^?
）、质子化dCMPH，以及对应胸腺嘧啶衍生物（T/dT/dTMP^?
/dTMPH）。

研究结果

Computational details
通过定义VEA = E_natural
? E_TA
的能量差公式，量化电子捕获能力。气相计算显示def2-TZVPD基组的RMSE最低（0.12 eV），与实验值吻合最佳。

Results and discussion

1. 环境效应：液相VEAs较气相显著提升，如dTMP^?
   的基态VEA从-0.29 eV升至0.15 eV，证实溶剂化稳定TA的作用；
2. 结构修饰影响：糖环使胞嘧啶π*轨道能级下降0.8 eV，磷酸基团进一步降低0.5 eV，揭示骨架结构对电子捕获的协同调控；
3. 共振类型：基态和第一激发态为纯形状共振，第二激发态（2.5-3.5 eV）出现形状/核心激发混合共振，第三激发态（>4 eV）则完全由核心激发共振主导；
4. 损伤机制：高能TA（>3 eV）通过N–C键断裂和糖环开环引发链断裂，与实验观测的DSBs损伤谱一致。

结论与意义
该研究首次建立了从电子捕获到DNA损伤的完整理论框架：1）证实激发态TAs在辐射损伤中的关键作用；2）揭示溶剂环境通过极化效应（QM/MM计算显示液相PES能面更陡）加速DEA进程；3）提出"高能TA阈值"概念（>3 eV核心激发共振），为靶向辐射防护剂设计提供新思路。研究成果不仅解决了气相计算与液相实验数据的长期矛盾，更将TA研究维度从基态拓展到激发态，对理解放射治疗中的DNA损伤机制具有重要指导价值。