鸟嘌呤G碱基氧化还原性质极为活泼，在DNA氧化损伤及DNA电荷传导等过程中扮演重要的角色。光照或强氧化自由基作用下，G碱基容易失去一个电子形成阳离子自由基(G^+·)，引发DNA链上的空穴传输或系列的DNA氧化损伤反应，生成后续的损伤产物（8-OG、FAPY-G, imidazolone, oxazolone等）。然而，G^+·的生成不单纯是直接的单电子氧化过程，而是经常涉及到一类重要的自由基离子对中间体参与反应。理论计算预测自由基离子对中间体寿命短（~ ps），稳定性极低，过去实验上一直难以对其探测表征。

图A：G碱基单体氧化反应中的离子对中间体特征光谱吸收；图B：TD-DFT计算的离子对中间体光谱及相关跃迁轨道；图C：离子对中间体的特征光谱在双链DNA发生裂分；图D：双链DNA中GC碱基对内的质子转移途径。

最近，苏红梅老师课题组通过低温稳定反应中间体的方法并结合时间分辨光谱探测，成功捕捉到DNA鸟嘌呤氧化损伤基元反应途径中的自由基离子对中间体。对于氯自由基与G碱基的反应体系，在低温瞬态吸收光谱上探测到中心位于570 nm的强吸收峰，结合理论计算归属为G^+•…Cl^-离子对中间体，这一可见光区域的特征吸收光谱是由离子对静电作用改变跃迁轨道空间重叠所致，与G^+•本身在可见区吸收弱的光谱行为有明显区别。进一步在双链DNA的氧化反应体系中，观测到离子对中间体在570nm的特征光谱裂分为480nm和610nm两个吸收峰。 借助动力学分析，确定了这两个吸收峰对应于双链GC碱基对内质子转移平衡的两种离子对结构Cl^-…G^+•:C ↔ Cl^-…G(-H)^•:C(+H⁺)，通过离子对特征光谱的裂分，进而清晰区分了双链DNA碱基对内质子转移平衡的两种质子化结构、并测得质子转移的反应能垒(Ea ~ 1.4 kcal/mol)。这些结果给出DNA鸟嘌呤氧化反应的自由基离子对机理的关键实验证据，对深入认识DNA质子耦合电子转移和DNA氧化损伤等过程具有重要意义。相关研究得到基金委杰出青年科学基金等项目的经费支持，论文近期发表在Science子刊《Science Advances》 (Sci. Adv. 2017, 3, e1700171.): Capturing the radical ion-pair intermediate in DNA guanine oxidation.