核苷等生物分子的太赫茲時(shí)域光譜研究.pdf

1、太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)是基于飛秒激光技術(shù)的遠(yuǎn)紅外波段光譜測(cè)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明太赫茲光譜對(duì)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(cè)試手段。構(gòu)型、構(gòu)象、氫鍵作用方式以及晶型等因素都會(huì)對(duì)化合物的THz光譜產(chǎn)生影響。對(duì)胞嘧啶與異胞嘧啶的測(cè)量顯示異構(gòu)體在THz波段表現(xiàn)有不同的吸收特性；對(duì)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(huì)對(duì)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)利用量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian程序包對(duì)茶堿,次黃嘌呤核苷的振動(dòng)光譜進(jìn)行了理論模擬,并對(duì)它們的太赫茲吸收信號(hào)進(jìn)行了初步嘗

4、試性地解析,實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(dòng)相關(guān)。 利用THz-TDS對(duì)多種物質(zhì)的混合物進(jìn)行了定量研究,通過測(cè)量不同物質(zhì)的吸收光譜,將整個(gè)測(cè)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(duì)混合物的吸收光譜進(jìn)行解析,定性并定量獲得了混合物中各成分含量。實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果表明,該方法對(duì)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(duì)含量分析簡(jiǎn)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(yuǎn)紅外波段的光譜特征,填補(bǔ)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(duì)于分子結(jié)構(gòu)和空間排布非常敏感,這一特點(diǎn)可用來識(shí)別結(jié)構(gòu)相似化合物及異構(gòu)體等生物分子。同時(shí),THz-TDS能夠?qū)Χ喾N物質(zhì)的混合物進(jìn)行定量研究,為化合物的定性、定量分析以及藥物檢測(cè)和質(zhì)量控制等提供了全