基于太赫茲時(shí)域光譜的生物分子檢測(cè)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(guò)渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論過(guò)渡的交叉區(qū)域，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。太赫茲時(shí)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(cè)量新技術(shù)，它利用物質(zhì)對(duì)THz輻射的特征吸收來(lái)分析材料組成及其結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，因而近年來(lái)被廣泛運(yùn)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(jì)算方法對(duì)自然界存在的多種典型糖類(lèi)和氨基酸類(lèi)化合物進(jìn)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(duì)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(cè)與分析。 本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)利用THz時(shí)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?dú)猸h(huán)境下的遠(yuǎn)紅外光譜特性，獲得了它們?cè)?.2-2.6THz范圍內(nèi)的頻域譜和高分辨率特征吸收譜

3、。實(shí)驗(yàn)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(duì)結(jié)構(gòu)上存在微小差異的糖生物分子進(jìn)行鑒別。本研究結(jié)果為建立糖生物分子的指紋譜庫(kù)以及深入分析糖生物分子的構(gòu)型、構(gòu)象等問(wèn)題提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 (2)針對(duì)糖的THz吸收譜之間存在的共性和差異性問(wèn)題，提出了一種結(jié)晶態(tài)、非結(jié)晶態(tài)葡萄糖實(shí)驗(yàn)測(cè)量與量子化學(xué)計(jì)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(lái)源于己

4、糖分子中吡喃環(huán)扭曲振動(dòng)引發(fā)的集體振動(dòng)模式；而己糖的其它特征吸收峰主要來(lái)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(dòng)模式。． (3)對(duì)二糖和組成二糖的己糖進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)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(guò)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(dòng)模式之間的關(guān)系。 (4)提出了一種基于THz時(shí)域光譜技術(shù)的手性藥物檢測(cè)

5、新方法，并對(duì)該方法的理論機(jī)理進(jìn)行了深入分析。該方法以谷氨酸和苯丙氨酸為例對(duì)手性對(duì)映體及其外消旋化合物進(jìn)行了THz光譜測(cè)量，研究結(jié)果表明氨基酸手性對(duì)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(lái)源于不同晶體結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的不同晶格振動(dòng)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(dòng)模式對(duì)氨基酸手性對(duì)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(yàn)提供了一種快速、高效、非接觸和無(wú)損傷的新型

6、檢測(cè)手段。 (5)提出了一種THz時(shí)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(jì)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(duì)β-D-吡喃半乳糖分子的振動(dòng)模式進(jìn)行了探討，基于密度泛函理論B3LYP/6-311+G<'**>木的計(jì)算結(jié)果，借助于可視化軟件GaussView 3.0對(duì)半乳糖在1.5-19.5THz范圍內(nèi)的振動(dòng)模式進(jìn)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)光譜吻合的很好，實(shí)驗(yàn)光譜在6