亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术获得了DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶在0.1―3.5 THz的特征吸收谱,发现胞嘧啶在2.53 THz的特征吸收细节信息。采用考虑了周期性边界条件的赝势平面波密度泛函方法对胞嘧啶分子晶体进行了结构优化和晶格动力学计算,模拟重现其太赫兹特征吸收光谱,并成功辨识了胞嘧啶在0.1―3.5 THz的所有特征吸收峰。研究结果表明,这些重要的生物分子在太赫兹频段表现出鲜明的光谱特性,胞嘧啶分子3.5 THz以下的吸收特性均来源于由分子间氢键支配的外振动模式。     

RNA碱基的太赫兹光谱和拉曼光谱特征研究

应用傅里叶红外光谱仪和激光拉曼光谱仪测试了RNA碱基在太赫兹波段(1～10 THz)的红外和拉曼光谱,同时结合Guassian09软件和周期性边界条件下基于能量的分块方法(PBC—GEBF),分析了RNA碱基晶体的红外和拉曼光谱特征,得到了所有特征峰位置及其对应的振动模式,且计算光谱与测试光谱一致吻合,表明碱基粉末样品为无定形晶体结构。通过对红外光谱的分析可知,在太赫兹波段,腺嘌呤和鸟嘌呤都有6个红外活性振动模式,胞嘧啶和尿嘧啶分别为6个和3个红外活性振动模式,与实验结果相比,除了鸟嘌呤6.35 THz处的弱吸收峰没能重现,4.83和5.39 THz处的吸收峰简并;胞嘧啶4.3和4.79 THz处吸收峰简并;尿嘧啶3.32和3.82 THz处的吸收峰简并外,其他吸收峰的位置和强度均被准确地模拟重现。通过对拉曼光谱的分析可知,理论和实验光谱基本一致,除了尿嘧啶3.52和4.48 THz处特征峰简并;鸟嘌呤7.26和8.03 THz,3.57,4.02,4.49,4.89和5.98 THz处特征峰简并外,其他特征峰的位置和强度均被准确的模拟重现。通过对特征峰的分析和辨认,可知在1～10 THz,RNA碱基的振动模式均来源于晶格内分子的集体振动,分子间的氢键和弱相互作用力对振动模式的贡献很大,进一步分析可知,在1～5.5 THz,其振动模式来自所有原子参与的集体振动,在5.5～10 THz,振动模式来自于部分原子参与的集体振动。此项研究对揭示RNA碱基在构成生物大分子结构、生物大分子鉴定以及太赫兹波段光谱的形成机制等方面,具有重要的理论和实际参考价值。     

除虫脲和高效氯氟氰菊酯的太赫兹光谱及密度泛函理论研究(英文)

利用太赫兹时域光谱技术及密度泛函理论对两种常用的卫生杀虫剂除虫脲和高效氯氟氰菊酯的低频振动光谱进行了研究。室温下观测到两种物质在0.2～2.2THz内的实验谱分别有5和7个吸收峰,可作为其在THz波段的指纹谱用于分子识别。为了深入理解太赫兹吸收峰的振动特性,我们采用Gaussi-an03和CRYSTAL09软件分别进行了单分子和晶体的密度泛函理论模拟。晶体模拟结果预测出两种物质在0.2～2.2THz实验谱中所有的吸收峰,明显优于单分子模拟结果。最后通过晶体密度泛函理论模拟的简正模式分析获得不同吸收峰处的振动模式归属。结果证明太赫兹光谱技术在农药分子识别以及晶体密度泛函理论模拟在太赫兹吸收峰指认和振动模式归属方面的可行性。     

结构相似单糖和二糖分子的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合密度泛函理论(DFT)对两种结构相似的典型单糖和二糖物质(D-葡萄糖和乳糖一水化合物)在0.3~1.7 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了实验与理论模拟研究。首先,利用THz-TDS技术分别测量了D-葡萄糖和乳糖一水化合物在0.3~1.7 THz频段的太赫兹特征吸收谱,获得了它们在此太赫兹频率范围内的指纹光谱数据,发现虽然乳糖的组成结构中含有葡萄糖,但THz-TDS技术对糖类分子的结构变化非常敏感,两种物质在所测太赫兹频段内分别表现出各自不同的太赫兹指纹吸收特性。然后,利用DFT方法分别对两种糖类物质单分子和多分子构型的低频集体振动模式进行了理论模拟计算,获得了D-葡萄糖晶胞构型和乳糖一水化合物单分子及晶胞构型的DFT模拟计算结果,并通过简正振动模式分解的PED分析方法,结合GaussView显示的分子振动形式,对两种糖类物质在太赫兹频段吸收峰的简正振动模式进行了指认,发现乳糖一水化合物的振动模式与羟基(-OH)、羟甲基(-CH₂OH)和糖苷键的振动模式密切相关,且D-葡萄糖在1.44 THz处及乳糖一水化合物在1.38 THz处出现的吸收峰主要是由分子间的相互作用(氢键和范德华力),尤其是相互作用较强的氢键引起。最后,利用约化密度梯度(RDG)分析,可视化地分析了D-葡萄糖和乳糖一水化合物分子间相互作用的位置、类型和强度,进一步证明了两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间氢键网络支配的集体振动模式。研究结果表明,THz-TDS技术对糖类分子结构的细微变化有着敏锐的感知,虽然D-葡萄糖和乳糖一水化合物的分子结构相似,但太赫兹波对它们之间的结构差异十分敏感,两者在太赫兹波段的特征吸收谱表现出明显差异,这为THz-TDS技术结合DFT方法对糖类物质进行检测识别以及研究糖类分子间的相互作用提供了有价值的实验和理论参考。     

β-D-吡喃半乳糖的太赫兹光谱研究

为深入了解β-D-吡喃半乳糖在太赫兹波段的光谱特性, 利用太赫兹时域光谱技术测量了室温下β-D-吡喃半乳糖晶体在0.3～3.0 THz范围内的吸收谱及折射率谱, 同时利用傅里叶变换红外光谱技术获得了半乳糖在1.5～19.5 THz之间的吸收谱。实验研究的同时, 运用密度泛函理论和6-311+G**基组计算了气态孤立β-D-吡喃半乳糖分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率, 并据此对实验光谱吸收峰进行了指认。研究结果表明, 除了因为分子间效应而导致的少许偏移外, 理论计算结果与实验数据吻合得很好; 实验光谱在6 THz以上频段的共振吸收峰来源于明确的分子内振动模式, 而6 THz以下低频段的共振吸收峰则主要来源于分子间氢键或晶体的声子模式。实验和理论研究的对比表明物质的远红外吸收特征对于分子的结构和空间排列非常敏感。     

1,4-萘醌的太赫兹,远红外及低频拉曼光谱研究

本文对1,4-萘醌进行了太赫兹时域光谱,远红外吸收光谱及低频拉曼散射谱的测试研究。1,4-萘醌的太赫兹吸收光谱与远红外谱仪测得的光谱取得了在1.75 THz(58.3 cm-1)/1.63 THz(54.3 cm-1)等处吸收峰位基本相同、两者相互佐证和补充的结果。将太赫兹和远红外吸收谱与低频拉曼散射谱进行比较,表明两种选择机制不同的光谱在1.04,1.72和4.59 THz等处的峰位基本重合,结合群论的不可约表示理论分析,表明该样品在低频波段具有拉曼活性和红外活性的振动属性(A1、B1或B2)。采用Gaussi-an03软件的密度泛函理论B3LYP函数和6-311基组模拟单分子红外与拉曼光谱,结合实验分析,对部分分子基团或原子振转模式给与了指认。     

蒿甲醚的太赫兹时域光谱研究

蒿甲醚是目前治疗疟疾非常有效的药物。由于其独特的药效,在临床医学中的应用比较广泛。采用太赫兹时域光谱技术测量了蒿甲醚在太赫兹波段的吸收特性,得到它在0.2～3.0 THz频率范围的特征吸收谱。应用密度泛函理论和6-31G基组计算了蒿甲醚分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,并据此对实验光谱吸收峰进行了指认。理论计算表明,在1.26和2.73 THz处的吸收峰与实验上在1.24和2.73 THz处得到的吸收峰位置相对应,理论计算与实验数据吻合的较好。同时对蒿甲醚的远红外振动模式进行了识别,振动模式以分子基团的骨架振动和扭转为主要特征。对蒿甲醚太赫兹光谱特性的研究结果表明太赫兹技术是一种检测中药的有效方法,这为进一步研究蒿甲醚的药效提供了理论依据。     

聚酰胺66的太赫兹光谱特性与分子振动特征研究

针对太赫兹技术在材料特征识别和探测领域的潜在应用以及高分子材料在太赫兹波段的指纹特征,利用太赫兹时域光谱技术开展了PA66高分子材料在太赫兹波段的吸收光谱以及折射率、介电常数等光学参数的实验与理论分析研究。得到了PA66的太赫兹波段的光谱特征及吸收特征峰。并利用密度泛函理论开展了PA66在0.1～10 THz范围内的分子振动频率的计算工作,对比了理论计算数据和实验测试数据,并进行了太赫兹光谱特征吸收峰的归属指认。结果表明,计算的PA66分子振动频率与太赫兹实验光谱具有较高的一致性,并且太赫兹吸收光谱中的特征峰是分子中各基团的振动与太赫兹波频率的共振响应。通过分析基团的振动模式,对太赫兹光谱吸收特征峰归属进行指认:PA66材料在0.2～2.3 THz频段内多个特征峰主要由主链上酰胺基中C=O,—NH基团的摆动以及大骨架C链中的—CH_2非对称性振动产生。其中, 0.77 THz处的特征峰归因于分子内强烈的C=O和N—H的面外摆动, 1.56 THz处特征峰包含C=O的面外摆动和C链上CH_2的扭动,而1.85 THz处特征峰主要归因于来自单体己二酸中CH_2和C=O键的面外摇摆。中心频率约为4.57 THz处的特征峰,包含了C=O的面间摆动和来自单体己二胺中CH_2的强烈扭动。7.6 THz频率的吸收峰主要由C=O的摆动和—CH_2,—NH的剪切振动产生。研究结果表明,高分子材料对太赫兹波的吸收与分子中各基团的振动模式密切相关,并且在太赫兹波段的振动吸收峰一般由主链和支链中各种官能团的摇摆振动、扭曲振动以及分子间的相互作用而产生,进而推论出非对称性、含N、 O等元素官能团的极性高分子材料,电负性的差异致使分子振动偶极矩较大,在太赫兹波段容易产生指纹特征峰。为利用太赫兹技术进行材料的结构分析和识别检测提供理论基础和技术支撑。     

木糖醇和D-木糖的太赫兹光谱检测与分析

甜味剂是一种非常重要的食品添加剂,在食品工业中的应用十分广泛,甜味剂的鉴别和检测是一个非常重要的研究课题。太赫兹电磁辐射具有许多独特的性质,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术已发展成为一种重要的无损检测方法。文章利用太赫兹时域光谱技术,对木糖醇和D-木糖进行了光谱测量,结果表明在0.3～2.6THz波段内,木糖醇在1.62,1.87和2.51THz三个频率位置处出现吸收峰,而D-木糖的吸收峰位于1.67,1.96和2.46THz。应用密度泛函理论,对两种样品的单分子结构进行几何优化和频率计算,并据此对实验测量的吸收峰进行了指认,说明部分吸收峰源于单分子的振动模式,另一部分源于分子间相互作用的振动模式。     

呋喃妥因的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱技术测量了硝基呋喃类药物中呋喃妥因原药在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数、折射率等光学指纹特性,结果表明呋喃妥因在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,吸收系数光谱可用于鉴定呋喃妥因。借助Gaussian软件利用密度泛函理论对呋喃妥因分子在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数光谱进行了模拟,并对吸收系数实验光谱中部分吸收峰的振动模式进行了分析和指认。结果表明实验谱中1.25和1.60 THz处的吸收峰与理论谱中1.30和1.67 THz处吸收峰一致,是由呋喃妥因分子内的振动模式引起的。     

持久性有机物硫丹的太赫兹光谱研究

以最新被斯德哥尔摩公约列入持久性有机污染物的硫丹为研究对象,采用太赫兹时域光谱技术获得了α硫丹在0.2～2THz频率范围内的吸收系数谱和折射率谱,结果显示在此频率范围内存在有一系列特征吸收峰,并且通过实验和理论计算对比发现在1.70和1.88THz处的实验吸收峰与1.68和1.91THz处的理论吸收峰有很好的吻合;经分析认为,这吻合峰是由于分子内集体振动引起的,实验中的其他峰值可能归因子分子间弱相互作用力和混合振动。研究结果证明了THz-TDS技术进行持久性有机物检测的可行性,为THz-TDS系统在持久性有机物识别和残留物检测方面的应用提供了依据。     

FOX-7转晶行为的太赫兹光谱及理论计算研究

1, 1 -二氨基- 2, 2 -二硝基乙烯(FOX-7)是一款新型高能钝感炸药, 为了研究温度变化对其分子结构特性的影响, 利用太赫兹时域光谱技术对持续升温(298K→393 K)过程中FOX-7 在0.2—2.5 THz 频率范围内的吸收光谱进行了在线探测, 结果发现随着样品温度的升高, FOX-7 的吸收谱带发生变化, 于384 K 时出现一个新的吸收特征峰, 且该吸收峰的峰强逐渐升高. 基于密度泛函理论(DFT), 对样品在298 K 和393 K 温度下的晶体结构进行了小于2.5 THz 范围内吸收频谱的模拟计算, 完成了对FOX-7 两种晶型实验吸收特征峰的指认. 分析表明FOX-7 的分子结构会受温度的影响而发生改变, 互为异构晶型的基团表现出的振动模式不同, 温度384 K 时FOX-7 开始发生α→β 晶型转变, 且该晶型转变过程是可逆的, 新出现的1.12 THz 特征峰在393 K 时的振动是由—NO₂ 和—NH₂ 的摆动及各自的扭动所致.     

有机磷农药甲基对硫磷的太赫兹(THz)光谱研究

运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)与理论模拟相结合的方法研究了有机磷农药甲基对硫磷在THz波段的光谱特性。在室温氮气环境中得到了样品在0.2～2.0 THz波段的吸收谱和折射率谱。表明其特征吸收峰分别位于0.65,1.33,1.81和1.91 THz处,其平均折射率为1.39。同时运用密度泛函理论(DFT)计算了甲基对硫磷分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,计算结果与实验数据吻合较好。研究结果表明,实验光谱的特征吸收峰是由分子的集体振动及扭转形成,不同的吸收峰位对应分子不同的振转模式。     

THz时域光谱在蛋白质研究中的应用进展

太赫兹时域光谱 (THz-TDS)是基于飞秒超快激光技术的远红外波段光谱测量新技术,近年来在生命科学、医学制药、安全检测等不同研究领域中的应用进展迅速。文章结合THz-TDS技术的特点及其在生物分子光谱学研究中的物理基础,介绍了近年来利用THz-TDS技术研究氨基酸、肽和蛋白质的结构、构象、动力学及无标记检测等方面取得的成果和最新进展;总结了不同实验条件下测定的不同氨基酸、同种氨基酸异构体及肽在THz波段的吸收系数和折射率,并对不同实验室测定的结果进行了比较;阐述了THz-TDS技术研究干的、含水的蛋白质粉末以及蛋白质溶液的构象及动力学;介绍了THz-TDS技术在生物素-抗生物素蛋白无标记生物传感中的应用,并初步探讨了该技术在生物分子领域应用中有待解决的问题及发展前景。     

Low-frequency vibrational modes of glutamine

High-resolution terahertz absorption and Raman spectra of glutamine in the frequency region 0.2 THz-2.8 THz are obtained by using THz time domain spectroscopy and low-frequency Raman spectroscopy. Based on the experimental and the computational results, the vibration modes corresponding to the terahertz absorption and Raman scatting peaks are assigned and further verified by the theoretical calculations. Spectral investigation of the periodic structure of glutamine based on the sophisticated hybrid density functional B3LYP indicates that the vibrational modes come mainly from the inter-molecular hydrogen bond in this frequency region.     

烟酸和烟酰胺及烟碱的太赫兹光谱研究

研究了室温条件下结构相似的烟酸和烟酰胺以及烟碱的太赫兹光谱。测量了它们的时间分辨光谱,通过傅里叶变换获得了它们的频谱,从而得到了频谱响应和折射率色散关系。实验结果表明, 烟碱在太赫兹波段无明显的特征频谱响应,而烟酸和烟酰胺在太赫兹波段存在明显的特征频谱响应。用密度泛函理论(DFT)计算了烟酸和烟酰胺的太赫兹频谱,对它们的吸收峰产生的原因做了初步分析,认为烟酸吸收峰的产生是由于分子内部的扭转和摇摆所造成的,而烟酰胺的吸收峰(除1.93 THz以外)是由于分子间的相互作用和光声子模式而造成的。结果表明,数值模拟和实验结果相结合,可以用来分析烟酸和烟酰胺的分子结构和分子振动模式。     

Structure-sensitive changes in the terahertz absorption spectra of merocyanine dye derivatives

The low-frequency vibrational modes of the series of merocyanines (malononitrile derivative) have been investigated by pulsed terahertz spectroscopy. The terahertz absorption spectra are shown to contain both intermolecular and intramolecular vibrational modes in the range of 0.15–3.45 THz (5–115 cm⁻¹). An unambiguous correlation is established between the purposeful modification of the molecular structure of merocyanine dyes and the change in their terahertz absorption spectra.