太赫兹光谱在生物大分子研究中的应用详细说明

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标签:太赫兹(129)傅里叶变换(148)电磁辐射(175)

太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来在生物大分子研究中得到了广泛的应用,特别是在生物分子的结构和动力学特性等方面有着巨大的应用潜力。本文结合THz光谱的特点,介绍了利用THz光谱对蛋白质、糖类及DNA等生物大分子的探索研究,以及应用THz技术测定水环境与生物分子的相互作用。探讨了该技术在生物领域应用中有待解决的问题及发展前景。

在碳水化合物、蛋白质、核酸等生物分子的研究分析中,光谱学发挥着非常重要的作用。太赫兹(THz)辐射是指频率在0.1~10THz(波长在30µm~3mm)之间的电磁波,其波段位于微波和红外光之间。由于长期缺少有效的产生和探测技术,THz波段曾一度被称作“THz空隙”。近十几年来超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,促进了THz辐射在光谱学和成像技术方面的应用。相比于紫外可见吸收光谱、傅里叶变换红外光谱、圆二色谱、X射线成像分析等传统技术,THz光谱有其独特的优势:(1)光谱的特征吸收:许多分子之间弱的相互作用(氢键、范德华力等)、生物大分子的骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收正好处于THz频带范围,并且THz光谱技术对探测物质结构存在的微小差异和变化非常灵敏,具有反映化合物结构的指纹特征,因此THz光谱技术在分析和研究生物大分子方面有着广阔的前景[1]。(2)低能性:THz电磁辐射的光子能量低,只有毫电子伏特,不会因为电离而破坏生物分子,因而是一种安全有效的无损检测方法[2]。(3)高灵敏度:THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以对生物样品进行时间分辨研究,而且可以有效地抑制远红外背景辐射噪音的干扰,辐射强度测量的信噪比和探测灵敏度远高于傅里叶变换红外光谱。(4)宽带性:THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围,便于在大的范围里分析物质的光谱性质。(5)相干性:THz时域光谱技术(THz-TDS)的相干测量技术能够直接测量THz电场的振幅和相,可以方便地提取样品的折射率、吸收系数。此外,THz对生物分子中的水非常敏感,因此可以用于分析生物分子与水的相互作用。THz光谱在生物分子的结构和动力学特性等方面有着重要的应用价值。利用THz技术可以获得这些生物分子在THz波段的光学常数,进而可以研究它们的光谱特征。国内外研究者已经利用THz光谱对DNA、蛋白质和糖类等生物分子的探索研究。本文主要综述了近年来THz光谱在生物领域中的应用及进展.

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