核苷等生物分子的太赫茲時域光譜研究.pdf

1、太赫茲時域光譜(THz-TDS)是基于飛秒激光技術(shù)的遠紅外波段光譜測量新技術(shù)。THz波光譜含有豐富的物理、化學(xué)信息,許多凝聚態(tài)物質(zhì)以及生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級都落在THz波段范圍,研究物質(zhì)在THz波段的光譜性質(zhì)將有助于人們從全新的角度了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性,獲得光譜學(xué)研究中一直缺少的信息,而且能為揭示結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供新的證據(jù)和幫助。 本文利用THz-TDS技術(shù)研究了組成核酸的堿基和核苷衍生物以及乳糖等生物分子物質(zhì)體系,以此來考

2、察不同物質(zhì)在THz波段的光譜響應(yīng),探索THz光譜與物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。測量了室溫下五種堿基及核苷衍生物等多種結(jié)構(gòu)類似化合物的光譜,獲得了物質(zhì)在0.2-2.0THz范圍內(nèi)吸收系數(shù)和折射指數(shù)的信息。實驗結(jié)果表明太赫茲光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微小差異和變化高度敏感,是很好的生物化學(xué)分析測試手段。構(gòu)型、構(gòu)象、氫鍵作用方式以及晶型等因素都會對化合物的THz光譜產(chǎn)生影響。對胞嘧啶與異胞嘧啶的測量顯示異構(gòu)體在THz波段表現(xiàn)有不同的吸收特性；對黃嘌呤衍

3、生物THz波段光譜特性的研究表明,不同取代位置引起的空間效應(yīng)和不同性質(zhì)取代基的電子效應(yīng)都會對化合物的THz光譜產(chǎn)生影響,造成化合物吸收峰的位移及低頻運動模式的改變:a-D-乳糖與β-D-乳糖化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別僅僅在于葡萄糖環(huán)中單個羥基化學(xué)鍵類型不同,然而兩者在THz波段卻表現(xiàn)出各異的吸收和折射性質(zhì)。 同時利用量子化學(xué)計算軟件Gaussian程序包對茶堿,次黃嘌呤核苷的振動光譜進行了理論模擬,并對它們的太赫茲吸收信號進行了初步嘗

4、試性地解析,實驗測得的吸收主要是由含氫鍵在內(nèi)的分子之間相互作用或分子集體振動引起。研究結(jié)果還表明這些物質(zhì)在THz波段的吸收主要與化合物的集體振動相關(guān)。 利用THz-TDS對多種物質(zhì)的混合物進行了定量研究,通過測量不同物質(zhì)的吸收光譜,將整個測量波段的THz吸收譜作為物質(zhì)的指紋特征,根據(jù)朗伯-比爾定律對混合物的吸收光譜進行解析,定性并定量獲得了混合物中各成分含量。實驗及分析結(jié)果表明,該方法對端基異構(gòu)體(a-D-乳糖與β-D-乳糖)

5、,同分異構(gòu)體(胞嘧啶與異胞嘧啶),次黃嘌呤與次黃嘌呤核苷等混合物的成分及相對含量分析簡單有效。 通過研究,獲得了常見的堿基、核苷及一系列不同取代衍生物在遠紅外波段的光譜特征,填補了一些物質(zhì)在該波段的光譜空白,研究結(jié)果表明THz-TDS對于分子結(jié)構(gòu)和空間排布非常敏感,這一特點可用來識別結(jié)構(gòu)相似化合物及異構(gòu)體等生物分子。同時,THz-TDS能夠?qū)Χ喾N物質(zhì)的混合物進行定量研究,為化合物的定性、定量分析以及藥物檢測和質(zhì)量控制等提供了全