dna碱基拉曼光谱研究【字数：8905】
摘 要拉曼光谱是一种光穿过透明介质发生散射导致光的频率进一步变化的现象，是一种生物学领域的重要分析手段。而本课题主要利用激光拉曼光谱技术，通过广义能量碎裂方法利用激光拉曼光谱仪对构成DNA的四种碱基晶体进行光谱测试，获得了它们的振动光谱。结合了Gaussian 09软件对DNA碱基晶体结构的振动光谱进行了理论计算，并找出它们的特征峰位置及其对应的振动模式。并将理论和实验的结果结合已有的成果进行比较分析，为解释DNA碱基在构成生物大分子结构、生物大分子鉴定以及拉曼光谱的形成机制等方面，提供重要的理论和实际参考价值和依据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本文研究背景和意义 1
1.2国内外研究的现状 2
1.3本文的内容及章节安排 2
第二章 拉曼光谱原理、实验仪器材料及算法原理 4
2.1拉曼光谱原理 4
2.2实验仪器材料 4
2.3算法及原理 5
第三章 实验结果与讨论 8
3.1腺嘌呤的光谱和振动模式 8
3.2鸟嘌呤的光谱和振动模式 10
3.3胞嘧啶的光谱和振动模式 11
3.4胸腺嘧啶的光谱和振动模式 12
3.5本章小结 13
第四章 总结与展望 14
4.1论文总结 14
4.2研究展望 14
参考文献 15
致 谢 17
第一章 绪论
1.1本文研究背景和意义
脱氧核糖（DNA）是分子结构复杂的有机化合物，[1]作为染色体的一个成分而存在于细胞核内，功能为储藏遗传信息。DNA 分子巨大，是一种长链聚合物，组成单位为四种脱氧核苷酸，即：腺嘌呤脱氧核苷酸[2]、胸腺嘧啶脱氧核苷酸[3]、胞嘧啶脱氧核苷酸[4]、鸟嘌呤脱氧核苷酸[5]。
1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，后来被人们称之为拉曼光谱[6]。它作为一种重要的分析手段广泛地应用于细胞和分子生物学研究领域，其中DNA是其分析测试的重要对象。
1953 年美国的沃森(James *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
Dewey Watson)、英国的克里克与威尔金斯描述了 DNA 的结构：由一对多核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕构成。糖 磷酸链在螺旋形结构的外面，碱基朝向里面。两条多核苷酸链通过碱基间的氢键相连，形成相当稳定的组合。分子编码中使用的遗传指令所有已知生物的发展和运作[7]。
当时由于技术上的原因，拉曼光谱的应用及发展受到很大的限制。60年代激光被用作拉曼光谱的激发光源之后，由于激光的优越性（具有微观、原位、稳定性好、灵敏性高、空间分辨率高等优点[913]），从而大大提高了拉曼散射的强度。因此在这方面具有一定优势。另外，表面增强拉曼光谱可以检测多种体系的细微变化，可以对有机物的种类及含量情况进行分析。
当光照射到物质上时，会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光与激发光波长相同，非弹性散射的散射光有的比激发光波长，有的比激发光波短，每一种物质都有自己的特征拉曼光谱，人们利用拉曼谱线的频率、强度和偏振度的不同，可以研究物质的结构和性质。太赫兹光谱和拉曼光谱在研究上具有互补性，是生物大分子鉴定和结构研究的重要手段[14]。
在一些文献中已经报道了拉曼光谱在DNA碱基中的应用。到目前为止，利用单体模型的振动谱研究晶体振动谱忽略了外场环境的影响。因此，有必要在周期性边界条件下计算晶体的振动光谱。与传统的周期量子化学方法相比，PBCGEBF方法能够将周期系统划分为更具体的研究，并且能够以更小的计算成本和更好的性能获得晶体的振动谱。
1.2国内外研究的现状
到目前为止，国内有关于拉曼光谱的应用成果已取得了很大的进展。王锭等人采用表面增强拉曼光谱，实现了三聚氰胺的现场实时快速检测，李灿等人设计了原位紫外拉曼光谱并深入研究，验证了磷酸铝分子的筛合的机理[15]。在制药及临床医学方面，李一收集了10例正常的口腔黏膜组织等样本，进行近红外拉曼光谱扫描，检测到了样本中的生化物质变化。王芳等人设计了RNA碱基的太赫兹光谱和拉曼光谱特征研究实验，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[16]。且表明了理论和实验结论的统一性。
自1928年印度物理学家 C. V. Raman 发现拉曼效应以来，拉曼技术受到的关注日益递增，也因此不断地推陈出新，焕发出崭新的活力。1964 年 Chantry 等[17]设计并简单实验了近红外傅里叶变换拉曼光谱，但并未引起广泛注意，直到 1986 年，Hirschfeld 和Chase[18]真正意义上的将傅里叶拉曼光谱变为现实，才由此显现出其在阐述络合化合物和荧光化合物的结构方面的强大能力。鉴于拉曼散射面较小的缺陷，1990 年 Pupples 等人为了增强拉曼信号强度研制出高分辨率共聚焦拉曼光谱仪，极大地改进了无共振特性物质的拉曼检测效果。拉曼光谱是由分子或点阵在振动及转动情况下产生的一种散射光谱，通过测量拉曼光谱波峰的位置、强度和线宽，可以实现分子中某些化学键和官能团的“指纹鉴别”。
综上，种种国内外的研究为本课题的实验方法等奠定了理论和实践的基础。
1.3本文的内容及章节安排
本文对4种DNA碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤）的拉曼光谱进行了研究，并与理论结果和实验数据进行了比较。结果表明，PBEGEBF方法和密度泛函理论（DFT）可以很好地描述晶体的晶格参数，并与拉曼光谱实验测量提供的结果非常一致。该研究为进一步探索DNA分子和DNA / RNA等生物大分子的结构奠定了理论基础。
本文共分为四个章节，具体安排如下：
第一章：绪论。首先包含了拉曼光谱的相关研究经历和发展历程，该课题的研究背景和意义以及拉曼光谱的国内外研究现状，最后介绍了本文的内容和章节的安排
第二章：拉曼光谱原理、实验仪器材料及算法原理。顾名思义，首先介绍了拉曼光谱的原理，其次列出了实验中需要的仪器为拉曼光谱仪以及用了DNA四种碱基作为样本，最后介绍了相应的理论算法的原理。
第三章：实验结果与讨论。该章节分别分析了腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶的得出的光谱图和振动模式，并进行结果讨论。
第四章：总结与展望。对这个课题的整体总结，在结果和相关分析的介绍之后，提出不足并寻找解决的方法，得出项目结束后的心得体会。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本文研究背景和意义 1
1.2国内外研究的现状 2
1.3本文的内容及章节安排 2
第二章 拉曼光谱原理、实验仪器材料及算法原理 4
2.1拉曼光谱原理 4
2.2实验仪器材料 4
2.3算法及原理 5
第三章 实验结果与讨论 8
3.1腺嘌呤的光谱和振动模式 8
3.2鸟嘌呤的光谱和振动模式 10
3.3胞嘧啶的光谱和振动模式 11
3.4胸腺嘧啶的光谱和振动模式 12
3.5本章小结 13
第四章 总结与展望 14
4.1论文总结 14
4.2研究展望 14
参考文献 15
致 谢 17
第一章 绪论
1.1本文研究背景和意义
脱氧核糖（DNA）是分子结构复杂的有机化合物，[1]作为染色体的一个成分而存在于细胞核内，功能为储藏遗传信息。DNA 分子巨大，是一种长链聚合物，组成单位为四种脱氧核苷酸，即：腺嘌呤脱氧核苷酸[2]、胸腺嘧啶脱氧核苷酸[3]、胞嘧啶脱氧核苷酸[4]、鸟嘌呤脱氧核苷酸[5]。
1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，后来被人们称之为拉曼光谱[6]。它作为一种重要的分析手段广泛地应用于细胞和分子生物学研究领域，其中DNA是其分析测试的重要对象。
1953 年美国的沃森(James *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
Dewey Watson)、英国的克里克与威尔金斯描述了 DNA 的结构：由一对多核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕构成。糖 磷酸链在螺旋形结构的外面，碱基朝向里面。两条多核苷酸链通过碱基间的氢键相连，形成相当稳定的组合。分子编码中使用的遗传指令所有已知生物的发展和运作[7]。
当时由于技术上的原因，拉曼光谱的应用及发展受到很大的限制。60年代激光被用作拉曼光谱的激发光源之后，由于激光的优越性（具有微观、原位、稳定性好、灵敏性高、空间分辨率高等优点[913]），从而大大提高了拉曼散射的强度。因此在这方面具有一定优势。另外，表面增强拉曼光谱可以检测多种体系的细微变化，可以对有机物的种类及含量情况进行分析。
当光照射到物质上时，会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光与激发光波长相同，非弹性散射的散射光有的比激发光波长，有的比激发光波短，每一种物质都有自己的特征拉曼光谱，人们利用拉曼谱线的频率、强度和偏振度的不同，可以研究物质的结构和性质。太赫兹光谱和拉曼光谱在研究上具有互补性，是生物大分子鉴定和结构研究的重要手段[14]。
在一些文献中已经报道了拉曼光谱在DNA碱基中的应用。到目前为止，利用单体模型的振动谱研究晶体振动谱忽略了外场环境的影响。因此，有必要在周期性边界条件下计算晶体的振动光谱。与传统的周期量子化学方法相比，PBCGEBF方法能够将周期系统划分为更具体的研究，并且能够以更小的计算成本和更好的性能获得晶体的振动谱。
1.2国内外研究的现状
到目前为止，国内有关于拉曼光谱的应用成果已取得了很大的进展。王锭等人采用表面增强拉曼光谱，实现了三聚氰胺的现场实时快速检测，李灿等人设计了原位紫外拉曼光谱并深入研究，验证了磷酸铝分子的筛合的机理[15]。在制药及临床医学方面，李一收集了10例正常的口腔黏膜组织等样本，进行近红外拉曼光谱扫描，检测到了样本中的生化物质变化。王芳等人设计了RNA碱基的太赫兹光谱和拉曼光谱特征研究实验，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[16]。且表明了理论和实验结论的统一性。
自1928年印度物理学家 C. V. Raman 发现拉曼效应以来，拉曼技术受到的关注日益递增，也因此不断地推陈出新，焕发出崭新的活力。1964 年 Chantry 等[17]设计并简单实验了近红外傅里叶变换拉曼光谱，但并未引起广泛注意，直到 1986 年，Hirschfeld 和Chase[18]真正意义上的将傅里叶拉曼光谱变为现实，才由此显现出其在阐述络合化合物和荧光化合物的结构方面的强大能力。鉴于拉曼散射面较小的缺陷，1990 年 Pupples 等人为了增强拉曼信号强度研制出高分辨率共聚焦拉曼光谱仪，极大地改进了无共振特性物质的拉曼检测效果。拉曼光谱是由分子或点阵在振动及转动情况下产生的一种散射光谱，通过测量拉曼光谱波峰的位置、强度和线宽，可以实现分子中某些化学键和官能团的“指纹鉴别”。
综上，种种国内外的研究为本课题的实验方法等奠定了理论和实践的基础。
1.3本文的内容及章节安排
本文对4种DNA碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤）的拉曼光谱进行了研究，并与理论结果和实验数据进行了比较。结果表明，PBEGEBF方法和密度泛函理论（DFT）可以很好地描述晶体的晶格参数，并与拉曼光谱实验测量提供的结果非常一致。该研究为进一步探索DNA分子和DNA / RNA等生物大分子的结构奠定了理论基础。
本文共分为四个章节，具体安排如下：
第一章：绪论。首先包含了拉曼光谱的相关研究经历和发展历程，该课题的研究背景和意义以及拉曼光谱的国内外研究现状，最后介绍了本文的内容和章节的安排
第二章：拉曼光谱原理、实验仪器材料及算法原理。顾名思义，首先介绍了拉曼光谱的原理，其次列出了实验中需要的仪器为拉曼光谱仪以及用了DNA四种碱基作为样本，最后介绍了相应的理论算法的原理。
第三章：实验结果与讨论。该章节分别分析了腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶的得出的光谱图和振动模式，并进行结果讨论。
第四章：总结与展望。对这个课题的整体总结，在结果和相关分析的介绍之后，提出不足并寻找解决的方法，得出项目结束后的心得体会。
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