thz辐射在dna光谱研究中的应用

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1、THz辐射在DNA光谱研究中的应用第26卷,第3期2006年3月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis'Co1.26,No.3,pp385—391March,2006THz辐射在DNA光谱研究中的应用王晓红,张亮亮,胡颖,张存林首都师范大学物理系,北京100037摘要太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来在不同的研究领域中得到了广泛的应用,许多研究表明THz脉冲光谱学在生物和医学方面具有潜在的应用前景.文章简要介绍了THz辐射产生和探测的基本原理和方法;阐述了THz辐射在生物学和DNA分子光

2、谱学研究的物理基础;讨论应用THz辐射研究DNA取得的成果及最新进展,展望应用THz辐射研究DNA分子的前景.主题词THz辐射;DNA;光谱;折射率;吸收系数中图分类号:0434.3文献标识码:A文章编号:1000—0593(2006)03—0385—07引言THz辐射指的是频率范围在0.1～10THz之间的电磁辐射,其波段介于远红外和微波之间.一直以来,生物分子的光谱研究都是在高于10THz的频率范围内进行的,分子结构和性质的详细信息是从其他波段如拉曼和红外光谱中得到.随着傅里叶变换红外分光计(FTIR)的发展,使用合适的发射源,光谱波段能够延伸

3、到远红外(FIR)波段[1].但是FT技术的发射源的光流量很低,在THz频段的灵敏性很差,因此,对生物大分子在THz波段的振动模式研究非常少.近1O年来,飞秒(fs)激光技术的发展使得THz光谱技术有了突破性的进展;THz辐射的产生[2_6],探测[7和应用方面的研究[15]引起了越来越多的关注.理论证明许多极性大分子在振动能级间的跃迁和转动能级间的跃迁正好处于THz频率范围,在THz频段存在大量的DNA分子主链间的受激本征共振.因此,生物分子的THz光谱可以反映由分子内或分子间集体振动和晶格振动引起的低频振动模的本征特性.吸收光谱中观察的集体振动

4、模式由整个分子的构形和构象决定,并且可反映出分子与环境之间的相互作用.THz时域光谱(THz-11)S)为分子的构形和构象提供了直接的特征谱.THz相干电磁辐射具有较低的光子能量,在进行样品探测时,不会产生有害的光致电离,是一种有效的无损探测方法.近1O年来的研究表明THz波段的实验测量是可行的,并且取得了一些成果.理论模型方面,利用简正模分析,洛伦兹模型,以及薄膜矩阵模型和蒙特卡洛模型能够解释生物分子在较长波段的吸收特点[1;实验方面,THz光谱广泛地应用于分子构象研究,基因鉴定和同质异构体鉴别等方面.这些实验结果证明了THz时域光谱技术是很有发

5、展前途的,如果把这个技术和理论分析相结合,那么在基础生物科学,医学和军事防御方面都会有很重要的应用.因此,THz光谱技术在分析和研究大分子尤其是DNA聚合物内部低频振动方面有非常广阔的应用前景.1THz时域光谱技术1.1脉冲THz辐射的产生和探测目前主要有两种产生THz辐射的方法,光导天线作为瞬变电流源辐射THz波[1妇和晶体中光学脉冲整流辐射THz波[2.THz脉冲的探测,主要有三种探测方法:热辐射探测[.,时控天线探测[和时控电光探测[.在0.1～3THz的频率范围内,频率在3THz以下时,天线探测的信噪比和灵敏度较高[3.;自由空间电光取样技

6、术能够实现高达37THz的高探测带宽[3;时控探测相对于热辐射探测,可以压缩本征热背景噪声.就信噪比而言,在高于5THz时,热探测的信噪比更高.THz产生和探测的实验装置示意图如图1所示.1.2TI-Iz时域光谱技术提取光学参数的方法首先认为实验中THz时域光谱系统的响应函数是不随时间改变的,所测样品的结构均匀,前后表面被抛光并且保持相互平行.分别探测没有样品时的参考信号和有样品信息的样品信号.收稿日期:2005-05-20.修订日期:2005—08—21基金项目:国家自然科学基金重大项目(10390160),北京市教育委员会科技发展计划(KM20

7、0310028115)和北京市自然科学基金(6032006)资助作者简介:王晓红,女,1982年生,首都师范大学物理系硕士研究生*通讯联系人386光谱学与光谱分析第26卷F嘻1SchematicdiagramofTHzgenerationanddetectorj设入射的THz信号为Em,(∞),若不经过样品,在线性介质中传播距离L后,即为参考信号,记为E

8、(∞),有E(∞):ETHl(oj)e-J'正/若经过样品,则为带有样品信息的样品信号,记为Es(∞).通过把样品信号和参考信号比值Es(∞)/E

9、(∞),就可以消除实验的系统响应误差,并且得到由

10、样品引起THz波振幅P和相位的改变.从而确定材料吸收系数n的曲线,折射率n的曲线,以及消光系数.得到材料的折射率n和消光系