光谱技术在dna鉴定中的应用研究
摘 要（三号字、黑体、居中，“”之间空两格，与内容空一行） 本文利用太赫兹时域光谱技术来研究碱基和氨基酸分子在1~9THz频率范围内的吸收光谱和折射率。并在此基础上进一步研究DNA分子的光谱特性。分析发现：随着样品厚度的减小，吸收峰会出现简并现象，而折射率却随着样品厚度的增加而增加。通过与不同种类分子的吸收系数的比较，我们发现同源性物种的吸收峰比不同的物种具有更多的吸收峰。我们得到了几种不同的分子的吸收峰位置，希望能够通过这次实验建立DNA数据库，并且利用太赫兹光谱来识别DNA分子。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景研究 1
1.2太赫兹波简介 2
1.2.1太赫兹波的产生 2
1.2.2太赫兹波的特性 3
1.2.3太赫兹波的研究 4
第二章 傅里叶变换红外光谱技术及样品的制备 5
2.1傅里叶变换红外光谱技术（FTIR） 5
2.2实验样品制备技术 6
2.3傅里叶红外光谱技术数据处理基本原理 6
2.4样品厚度的计算 7
第三章 太赫兹光谱测定 9
3.1碱基的太赫兹光谱 9
3.2氨基酸的太赫兹光谱 15
3.3 DNA分子的太赫兹光谱 20
3.4不同厚度的样品 22
第四章 光谱研究 24
4.1碱基的太赫兹光谱解析 24
4.2氨基酸的太赫兹光谱解析 24
4.3 DNA的太赫兹光谱解析 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1课题的背景研究
太赫兹波是位于微波和中红外波之间的远红外电磁频谱，它的频率在0.1~10THz范围内（1THz=1012THz）。太赫兹辐射具有对生物分子结构和活性不会造成伤害的低能性。在太赫兹波段的吸收光谱反映了低频的分子内部运动，这是依赖于双螺旋碱基对的弱氢键。大多数的DNA光谱的调查已经进行远近红外和中红外甚至是更高的频率的远红外的部分。在太赫兹波段的光谱研究中有一些数量有限的数字。经过
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
反复测试，我们还发现，空气的吸收特性，样品和聚乙烯在图11中0.1~0.5THz频率范围内非常相似，推测这可能是由仪器灵敏度低造成的。近年来，D.L.Woolard等几位作者分别先后提出了有关于DNA光谱的研究结果。我们比较了鲱鱼和鲑鱼的DNA样品在10cm?1~25cm?1（即0.3~0.75THz）频率范围内的透射率。他们在10cm?1~25cm?1频率范围内发现了许多普通的模式和可以分别的模式。然而，吸收峰和DNA分子的内部结构之间的关系还没有被研究。Arora等人表明，吸收系数的平均变化相比在0.8~1.0THz的频率范围内的缓冲区呈线性的行为。B W Fischer等人显示了太赫兹时域光谱技术的使用并记录了四个碱基的远红外介电函数和相对应的核苷形成的DNA的构建块。通过观察频率依赖性吸收系数和折射率，发现了在分子与分子之间有许多不同的光谱特征。安德烈等人以前的理论研究表明，一部分的太赫兹光谱包括了独特的个体生物聚合物的数值结构。
图11 在0.1~0.5THz范围内参考和样品的吸收系数的比较
在目前的工作中，我们首先利用太赫兹光谱技术研究了四种碱基（A、T、C、G）和六种氨基酸（LAlainine、LArginine、LIsoleucine、LLeucine、LLysine、LValine）的光谱吸收特性，希望从中能够找到规律，这有利于后期研究DNA样品的吸收特性。在研究DNA样品的吸收特性时，我们选取了五种样品的DNA，它们是松材线虫DNA、拟松材线虫DNA、鲱鱼DNA、鲑鱼DNA和白杨DNA。其中，松材线虫是一种对松树危害极大的外来入侵物种，而拟松材线虫则是一种生活在松木中无害的昆虫，它的形态和松材线虫非常相似。在选取中DNA样品中，松材线虫和拟松材线虫属于线虫动物门，鲱鱼和鲑鱼属于脊索动物门，而白杨属于植物。
本文介绍了太赫兹光谱特性，并在一定理论的基础上比较了碱基、氨基酸和DNA等不同样品的吸收特性。此外，我们还研究了样品厚度对光谱的影响。
1.2太赫兹波简介
太赫兹波是指频率在0.1~10THz范围内的电磁波，其波长大概在0.03到3mm范围之内，这个频率范围是介于微波与红外波之间的。大量实验表明，太赫兹辐射具有对生物分子结构和活性不会造成伤害的低能性。随着80年代一系列的新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术，太赫兹技术得以迅速发展，并在国际范围内掀起一股太赫兹研究的热潮。
1.2.1太赫兹波的产生
太赫兹波的产生方法有三种：一种是光电导产生宽频带脉冲太赫兹辐射的方法，一种是窄频带连续太赫兹脉冲产生技术，还有一种是光整流产生宽频带脉冲太赫兹辐射的方法。
光电导产生频带脉冲太赫兹辐射的方法，是通过金属电极光电导半导体来施加压力，产生太赫兹辐射的。当超快激光打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面，瞬间产生大量的电子空穴对。这些光生自由载流子，会在外加偏置电场和内建电场的作用下，加速运动，从而在光电导半导体材料的表面，形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。
窄频带连续太赫兹脉冲产生技术的光源的带宽非常窄。目前的研究主要集中在两个方向：一是利用电子学的方法将低频微波向高频延伸，其特点是效率高，可以产生大功率的太赫兹波，但是其产生的太赫兹波频率较低；另一个是将光学特别是激光技术想低频延伸，其特点是可以产生方向性和相干性很好的太赫兹波，但是输出功率较小。
光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是非线性效应，是电光效应的逆过程。众所周知，两束光束在线性介质中可以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生混合，从而能产生和频振荡及差频振荡现象。由此在出射光中，除了和入射光具有相同频率的广播以外还有其他频率的广播。而且当艺术高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定的、不随时间变化的电极化场。这个电极化场不会向外鼓舌电磁波，它只会在介质内部建起一个直流电场。
1.2.2太赫兹波的特性
太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行实践分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前，脉冲太赫兹辐射通常只有较低的太赫兹射线平均功率，但是由于太赫兹脉冲有很高的峰值功率，并且采用想干探测技术获得的是太赫兹脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景研究 1
1.2太赫兹波简介 2
1.2.1太赫兹波的产生 2
1.2.2太赫兹波的特性 3
1.2.3太赫兹波的研究 4
第二章 傅里叶变换红外光谱技术及样品的制备 5
2.1傅里叶变换红外光谱技术（FTIR） 5
2.2实验样品制备技术 6
2.3傅里叶红外光谱技术数据处理基本原理 6
2.4样品厚度的计算 7
第三章 太赫兹光谱测定 9
3.1碱基的太赫兹光谱 9
3.2氨基酸的太赫兹光谱 15
3.3 DNA分子的太赫兹光谱 20
3.4不同厚度的样品 22
第四章 光谱研究 24
4.1碱基的太赫兹光谱解析 24
4.2氨基酸的太赫兹光谱解析 24
4.3 DNA的太赫兹光谱解析 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1课题的背景研究
太赫兹波是位于微波和中红外波之间的远红外电磁频谱，它的频率在0.1~10THz范围内（1THz=1012THz）。太赫兹辐射具有对生物分子结构和活性不会造成伤害的低能性。在太赫兹波段的吸收光谱反映了低频的分子内部运动，这是依赖于双螺旋碱基对的弱氢键。大多数的DNA光谱的调查已经进行远近红外和中红外甚至是更高的频率的远红外的部分。在太赫兹波段的光谱研究中有一些数量有限的数字。经过
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
反复测试，我们还发现，空气的吸收特性，样品和聚乙烯在图11中0.1~0.5THz频率范围内非常相似，推测这可能是由仪器灵敏度低造成的。近年来，D.L.Woolard等几位作者分别先后提出了有关于DNA光谱的研究结果。我们比较了鲱鱼和鲑鱼的DNA样品在10cm?1~25cm?1（即0.3~0.75THz）频率范围内的透射率。他们在10cm?1~25cm?1频率范围内发现了许多普通的模式和可以分别的模式。然而，吸收峰和DNA分子的内部结构之间的关系还没有被研究。Arora等人表明，吸收系数的平均变化相比在0.8~1.0THz的频率范围内的缓冲区呈线性的行为。B W Fischer等人显示了太赫兹时域光谱技术的使用并记录了四个碱基的远红外介电函数和相对应的核苷形成的DNA的构建块。通过观察频率依赖性吸收系数和折射率，发现了在分子与分子之间有许多不同的光谱特征。安德烈等人以前的理论研究表明，一部分的太赫兹光谱包括了独特的个体生物聚合物的数值结构。
图11 在0.1~0.5THz范围内参考和样品的吸收系数的比较
在目前的工作中，我们首先利用太赫兹光谱技术研究了四种碱基（A、T、C、G）和六种氨基酸（LAlainine、LArginine、LIsoleucine、LLeucine、LLysine、LValine）的光谱吸收特性，希望从中能够找到规律，这有利于后期研究DNA样品的吸收特性。在研究DNA样品的吸收特性时，我们选取了五种样品的DNA，它们是松材线虫DNA、拟松材线虫DNA、鲱鱼DNA、鲑鱼DNA和白杨DNA。其中，松材线虫是一种对松树危害极大的外来入侵物种，而拟松材线虫则是一种生活在松木中无害的昆虫，它的形态和松材线虫非常相似。在选取中DNA样品中，松材线虫和拟松材线虫属于线虫动物门，鲱鱼和鲑鱼属于脊索动物门，而白杨属于植物。
本文介绍了太赫兹光谱特性，并在一定理论的基础上比较了碱基、氨基酸和DNA等不同样品的吸收特性。此外，我们还研究了样品厚度对光谱的影响。
1.2太赫兹波简介
太赫兹波是指频率在0.1~10THz范围内的电磁波，其波长大概在0.03到3mm范围之内，这个频率范围是介于微波与红外波之间的。大量实验表明，太赫兹辐射具有对生物分子结构和活性不会造成伤害的低能性。随着80年代一系列的新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术，太赫兹技术得以迅速发展，并在国际范围内掀起一股太赫兹研究的热潮。
1.2.1太赫兹波的产生
太赫兹波的产生方法有三种：一种是光电导产生宽频带脉冲太赫兹辐射的方法，一种是窄频带连续太赫兹脉冲产生技术，还有一种是光整流产生宽频带脉冲太赫兹辐射的方法。
光电导产生频带脉冲太赫兹辐射的方法，是通过金属电极光电导半导体来施加压力，产生太赫兹辐射的。当超快激光打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面，瞬间产生大量的电子空穴对。这些光生自由载流子，会在外加偏置电场和内建电场的作用下，加速运动，从而在光电导半导体材料的表面，形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。
窄频带连续太赫兹脉冲产生技术的光源的带宽非常窄。目前的研究主要集中在两个方向：一是利用电子学的方法将低频微波向高频延伸，其特点是效率高，可以产生大功率的太赫兹波，但是其产生的太赫兹波频率较低；另一个是将光学特别是激光技术想低频延伸，其特点是可以产生方向性和相干性很好的太赫兹波，但是输出功率较小。
光整流是产生太赫兹脉冲的另一种机制，它是非线性效应，是电光效应的逆过程。众所周知，两束光束在线性介质中可以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生混合，从而能产生和频振荡及差频振荡现象。由此在出射光中，除了和入射光具有相同频率的广播以外还有其他频率的广播。而且当艺术高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定的、不随时间变化的电极化场。这个电极化场不会向外鼓舌电磁波，它只会在介质内部建起一个直流电场。
1.2.2太赫兹波的特性
太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行实践分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前，脉冲太赫兹辐射通常只有较低的太赫兹射线平均功率，但是由于太赫兹脉冲有很高的峰值功率，并且采用想干探测技术获得的是太赫兹脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。
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