论文部分内容阅读
太赫兹时域光谱(THz-TDS)是基于飞秒激光技术的远红外波段光谱测量新技术。THz波光谱含有丰富的物理、化学信息,许多凝聚态物质以及生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围,研究物质在THz波段的光谱性质将有助于人们从全新的角度了解物质结构特性,获得光谱学研究中一直缺少的信息,而且能为揭示结构与功能的关系提供新的证据和帮助。
本文利用THz-TDS技术研究了组成核酸的碱基和核苷衍生物以及乳糖等生物分子物质体系,以此来考察不同物质在THz波段的光谱响应,探索THz光谱与物质组成和结构之间的关系。测量了室温下五种碱基及核苷衍生物等多种结构类似化合物的光谱,获得了物质在0.2-2.0THz范围内吸收系数和折射指数的信息。实验结果表明太赫兹光谱对于物质结构的微小差异和变化高度敏感,是很好的生物化学分析测试手段。构型、构象、氢键作用方式以及晶型等因素都会对化合物的THz光谱产生影响。对胞嘧啶与异胞嘧啶的测量显示异构体在THz波段表现有不同的吸收特性；对黄嘌呤衍生物THz波段光谱特性的研究表明,不同取代位置引起的空间效应和不同性质取代基的电子效应都会对化合物的THz光谱产生影响,造成化合物吸收峰的位移及低频运动模式的改变:a-D-乳糖与β-D-乳糖化学结构之间的区别仅仅在于葡萄糖环中单个羟基化学键类型不同,然而两者在THz波段却表现出各异的吸收和折射性质。
同时利用量子化学计算软件Gaussian程序包对茶碱,次黄嘌呤核苷的振动光谱进行了理论模拟,并对它们的太赫兹吸收信号进行了初步尝试性地解析,实验测得的吸收主要是由含氢键在内的分子之间相互作用或分子集体振动引起。研究结果还表明这些物质在THz波段的吸收主要与化合物的集体振动相关。
利用THz-TDS对多种物质的混合物进行了定量研究,通过测量不同物质的吸收光谱,将整个测量波段的THz吸收谱作为物质的指纹特征,根据朗伯-比尔定律对混合物的吸收光谱进行解析,定性并定量获得了混合物中各成分含量。实验及分析结果表明,该方法对端基异构体(a-D-乳糖与β-D-乳糖),同分异构体(胞嘧啶与异胞嘧啶),次黄嘌呤与次黄嘌呤核苷等混合物的成分及相对含量分析简单有效。
通过研究,获得了常见的碱基、核苷及一系列不同取代衍生物在远红外波段的光谱特征,填补了一些物质在该波段的光谱空白,研究结果表明THz-TDS对于分子结构和空间排布非常敏感,这一特点可用来识别结构相似化合物及异构体等生物分子。同时,THz-TDS能够对多种物质的混合物进行定量研究,为化合物的定性、定量分析以及药物检测和质量控制等提供了全新的研究手段。