氨基酸的太赫兹光谱及其振动模式研究

《氨基酸的太赫兹光谱及其振动模式研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、应、气体分子的振动和转动光谱以及许多极性生物大分了的振动和转动能级问的跃迁都位于THz频段。生物分子对THz辐射的响应主要来自于由生物大分子的构型和构象所决定的骨架振动和构型弯曲等集体振动模式，而这种集体振动模式反映了分子的整体结构信息，而不是象其他光谱学方法那样仅仅测量相对定域的电子结构或与单个化学键相关的振动模式。同时由于生物分子的结构对环境非常敏感．集体振动模的分布和强度还包含了环境的影响。因此，THz光谱对于研究生物大分子的结构、分子之间的反应、分子与环境的相互作用等都具有独特的优势，为确定分子的构型、构象和环境影响提供了指纹特征

2、。此外，利用泵浦探测的THpTDS技术，可以通过肘『日J分辨的THz光谱对糖、氢基酸、蛋白质等易于变性的生物分子在特定的生理过程中或其他相互作用过程中发生的构象变化等信息进行动态分析。生物分子的整体结构与它们在THz频段光谱性质的高度相关性成为THz光谱技术应用于生物分子研究的重要理论基础。分子结构的振动模式根据图l211l】所示的共振吸收过程中光子的能量进行的大致分类可看出：在频率为几个到十几个THz的远红外区(即THz波段)，振动光谱主要依赖于分子的空『自J结构及分子之J白J的相互作用，相应的振动模式包含了分子内和分子阃的振动。而且，

3、对于分子晶体而言，光谱的振动模式还与晶体的整个空问晶格的振荡有关。物质在THz波段的振动频率与大部分具有相当太运动质量和弱势能作用的分子的集体运动相关，典型的例子就是分子的扭曲振动和结构变形【12]。相关的分子外部振动模式包括分子之『自J的弱相互作用如氢键和范德华力等。lT№l：：篓!．避酝00101频率一IzY丫丫Kf”“i2器缸’嚣，、蘸盟t．2不同电碰波段的孰鼬分子韭振跃迁情自#考女靛【tqlTHz-TDS技术于1983年首先‘由Bell实验章的DHAuston等人提U1，并称之为相干远红外光谱颡4量法【2-3】；1988年．IBM

4、的DGfischkowsky等人发展了这项技术，并J下式将其称为THz_TDS技术[4]。与传统的FrIR技术相比tTHz．TDS技术具有很多优点，首2川越■i?●．!

5、-一_∥龟I譬K骱骷霉一0曼．一第一章引言先它对热背景不敏感，有较高的信噪比和光谱分辨率，其次，它不需要低温热辐射测量记录仪进行探测，最为重要的是，它可以不利用克喇末一克罗尼格色散关系(K．ramers-Kronigrelation)，就可同时获得物质的折射率和吸收系数[13】。但相比FTIR技术，它获得的光谱带宽较窄。1．2THz．TDS技术在生物分子方面的国内外研究进

6、展05年THz科学技术被评为未来改变世界的十大技术之一[14]，THz波段的特殊性以及THz光谱技术的独特优点，使得它在物理、化学、生物医学、通信、雷达、安全检查等各方面都有广阔的应用前景。目前，全世界有200多个研究小组在从事THz相关研究，比如美国伦斯勒理工大学、Rice大学、英国剑桥大学、里兹大学，德国汉堡大学，日本的东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及日本理化学研究所等，韩国汉城大学、浦项科技大学，新加坡国立大学等。国内，在THz研究方面有中国科学院物理研究所i上海应用物理研究所、西安光学与精密仪器研究所、天津大学

7、、浙江大学、首都师范大学等科研院所和高校以及我国台湾地区的台湾大学等。THz技术已经成为全世界研究的热点；随着THz技术的不断发展，THz．TDS技术逐渐成熟。自从2000年A．G．Markelz等人[15]首次使用脉冲THz-TDS技术研究DNA、牛血清蛋白和胶原质等生物样品以来，生物分子的THz研究取得了蓬勃的发展。生物大分子鸟嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶、葡萄糖、果糖、肽等的THz光谱测试不仅显示了生物大分子内部或分子问的集体振动和晶格振动引起的低频振动模式特点，光谱对温度等环境因素变化的不同的响应，并证明了THz-TDS技术在鉴

8、别分子结构方面有很高的分辨能力[16-20]。诸多模拟软件SPARTAN、CPMD，DMol3，GAMESS，andGAUSSIAN等的模拟计算与实验的对比，表征了许多生物分子吸收的声子模式、晶格模式、氢键作用、振动、扭转、转动等分子内或分子间的作用模式[16，21-28]，氨基酸类的研究自2003年P．F．Taday等人[29]首次报道室温下L一谷氨酸的THz吸收光谱以来，氨基酸的研究取得了很大的成果，甘氨酸、丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、天冬酰胺等二十种蛋白质氨基酸及氨基酸类部分手性对映体、外消旋体的THz光谱测试也在陆续的报道[29—49

9、]，氨基酸类小分子在THz波段有不同的光谱表征，对温度等外部环境的变化有明显的反应，部分与实验有较好对应的Gaussian单分子气相模拟显示了分子的摇摆、振动、骨架扭转等振动模，但单分子与TH