基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究

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1、———————————————————————————————基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究———————————————————————————————ResearchonBiomoleculesIdentificationandTheirInteractionsBasedonTerahertzTime-DomainSpectroscopyTechnology———————————————————————————————作者姓名：李明亮专业名称：测试计量技术及仪器研究方向：太赫兹时域光谱技术及应用指导教师：崔洪亮教授学位类别：工学博士培养单位：仪器科学与电

2、气工程学院论文答辩日期：2018年6月3日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位盲审专家正高级天津大学主席刘瑞丰研究员中国地震局地球物理研究所盲审专家正高级武汉大学委员汪岳峰教授中国人民解放军军械工程学院盲审专家副高级大连理工大学田地教授吉林大学陈祖斌教授吉林大学朱凯光教授吉林大学摘要中文摘要基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究太赫兹波（Terahertzwave,THz）是指频率介于0.1-10THz之间的电磁辐射，处于电子学到光子学的过渡区域。作为光谱测量技术的一个重要手段，太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术展现出独

3、特的优势。太赫兹技术为生物学、物理学、化学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。太赫兹波技术在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都很好的应用前景。太赫兹时域光谱技术可同时测量电场的相位和幅度，经傅里叶变换，样本材料在该波段的吸收系数、折射率以及复介电常数等参数都可以获得。太赫兹电磁波谱与有机物及生物分子（如DNA、RNA、蛋白质等）的转动和振动能量对应，是研究生物分子和有机物方面非常有效的工具。太赫兹辐射光子能量非常低，在进行生物检测时不会造成生物电离；同时太赫兹波属于远红外和毫米波范畴，具有低散射的特点。以上

4、优点使太赫兹做生物检测时具有天然的优势。本文在国家973计划“活细胞的太赫兹波无标记检测技术基础研究”（2015CB755401），国家自然科学基金项目“‘十二五’国家科技支撑计划项目”(2012BAK04B03)，重庆市科学技术委员会项目“太赫兹复合材料无损检测成像设备”（cstc2013yykfC00007）的共同资助下，利用太赫兹时域光谱技术鉴别固相生物分子的种类；研究液相生物分子的相互作用；与超材料相结合，鉴别液相生物分子种类；研究液相生物分子间的相互作用。主要研究内容如下：1、对应用太赫兹光谱技术研究生物分子的研究现状进行了详细梳理与总结；重点介绍了与用THz-TDS

5、技术检测固相样本、液相样本以及液相样本与超材料结合相关的研究成果；对后续章节中实验中用到的样品制作工艺和实验设备进行描述。在此基础上，提出本文的主要研究思路和内容。2、详细说明了不同生物分子样本的制作流程及注意事项；对太赫兹辐射源I吉林大学博士学位论文的工作原理、结构及太赫兹波的探测手段和方法进行介绍；介绍了THz-TDS系统的工作原理及结构；重点讨论了透射式THz-TDS技术的原理和系统结构以及提取材料参数的理论依据和方法。3、对外观相似，直观上难以区分，且没有明显的特征吸收峰的固相生物分子进行鉴别，首先利用主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，P

6、CA）提取了不同生物分子样本的透射光谱数据的主成分，然后结合基于网格搜索算法的支持向量机（GridSearch-SVM）和基于遗传算法的支持向量机（GA-SVM）进行模式识别。从分类结果上看，GA-SVM是一种高效，平行和综合的搜索算法，其自动控制搜索过程可以通过自适应确定最优解，即使在训练样本有限的情况下，该算法仍产生准确的识别结果并展现良好的收敛特性。THz-TDS技术与模式识别相结合的方法，在鉴别不同固相生物分子的种类方面具有可行性。4、针对传统生物医学方法在检测液相生物分子相互作用时会受到荧光剂干扰的问题，提出了采用THz-TDS技术进行无标记检测生物分子相互作用的方法

7、；选取具有重要生物学意义的雌激素受体α抗体（AER-α）以及与它的特异性抗原雌激素受体α多肽片段（ERP-α）作为研究对象，测量了AER-α与ERP-α反应前后的太赫兹光谱，应用水化动力学角度分析两种生物分子相互作用的机制，并从介电性质变化方面进一步分析两种生物分子相互作用前后的介电损耗角变化。最后，与传统生物医学方法相比较，证明了THz-TDS技术在检测液相生物分子相互作用方面具有可行性和可靠性。5、针对于一些液相生物分子在常规条件下对太赫兹场响应不敏感的情况，提出使用开口谐振环（Spli