基于太赫茲時域光譜的生物分子檢測技術(shù)研究.pdf

1、太赫茲波是指介于微波和紅外線之間，頻率在0.1-20THz范圍內(nèi)的電磁波，是電磁波譜上由電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論過渡的交叉區(qū)域，具有重要的科學(xué)價值和應(yīng)用價值。太赫茲時域光譜技術(shù)(THz-TDS)是基于飛秒超快激光技術(shù)的THz波段光譜測量新技術(shù)，它利用物質(zhì)對THz輻射的特征吸收來分析材料組成及其結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，因而近年來被廣泛運用于化學(xué)、生物材料在THz波段的光學(xué)特性研究。本文利用THz-TDS技術(shù)并借

2、助于量子化學(xué)計算方法對自然界存在的多種典型糖類和氨基酸類化合物進行了光譜分析。研究結(jié)果表明，生物分子的遠(yuǎn)紅外吸收特征對于分子的結(jié)構(gòu)和空間排列非常敏感，THz-TDS技術(shù)可以鑒別物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在微小差異的化合物，因而可以用于物質(zhì)檢測與分析。 本文的主要工作和創(chuàng)新點如下： (1)利用THz時域光譜技術(shù)系統(tǒng)研究了14種典型糖生物分子在室溫氮氣環(huán)境下的遠(yuǎn)紅外光譜特性，獲得了它們在0.2-2.6THz范圍內(nèi)的頻域譜和高分辨率特征吸收譜

3、。實驗結(jié)果表明，14種糖生物分子樣品在THz波段的吸收譜都表現(xiàn)出了明顯不同的特征，可以作為糖生物分子的指紋譜對結(jié)構(gòu)上存在微小差異的糖生物分子進行鑒別。本研究結(jié)果為建立糖生物分子的指紋譜庫以及深入分析糖生物分子的構(gòu)型、構(gòu)象等問題提供了重要的實驗依據(jù)。 (2)針對糖的THz吸收譜之間存在的共性和差異性問題，提出了一種結(jié)晶態(tài)、非結(jié)晶態(tài)葡萄糖實驗測量與量子化學(xué)計算相結(jié)合的研究方法。研究結(jié)果表明，己糖在2.09THz處的共性吸收峰來源于己

4、糖分子中吡喃環(huán)扭曲振動引發(fā)的集體振動模式；而己糖的其它特征吸收峰主要來源于晶體結(jié)構(gòu)中由氫鍵網(wǎng)絡(luò)支配的分子間集體振動模式。． (3)對二糖和組成二糖的己糖進行了對比實驗研究。實驗結(jié)果表明，在相同的THz頻段內(nèi)二糖有著比己糖更多的特征共振吸收峰。通過分析單糖與二糖之間分子結(jié)構(gòu)的差異，討論了二糖的THz特征吸收譜和由其分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵共同作用的集體振動模式之間的關(guān)系。 (4)提出了一種基于THz時域光譜技術(shù)的手性藥物檢測

5、新方法，并對該方法的理論機理進行了深入分析。該方法以谷氨酸和苯丙氨酸為例對手性對映體及其外消旋化合物進行了THz光譜測量，研究結(jié)果表明氨基酸手性對映體及其外消旋化合物的THz吸收譜之間存在明顯差異。該差異主要來源于不同晶體結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的不同晶格振動模式和不同分子間弱相互作用；由于分子結(jié)構(gòu)差異較小，分子內(nèi)振動模式對氨基酸手性對映體及其外消旋化合物的光譜差異影響不大。該研究為食品安全和手性藥物安全檢驗提供了一種快速、高效、非接觸和無損傷的新型

6、檢測手段。 (5)提出了一種THz時域光譜技術(shù)、傅立葉變換紅外光譜技術(shù)和量子化學(xué)模擬計算相比較的生物分子研究方法。該方法在更寬的頻率范圍內(nèi)對β-D-吡喃半乳糖分子的振動模式進行了探討，基于密度泛函理論B3LYP/6-311+G<'**>木的計算結(jié)果，借助于可視化軟件GaussView 3.0對半乳糖在1.5-19.5THz范圍內(nèi)的振動模式進行了詳細(xì)的指認(rèn)。研究結(jié)果表明β-D-吡喃半乳糖的理論計算與實驗光譜吻合的很好，實驗光譜在6