dna碱基太赫兹光谱研究【字数：6946】
摘 要太赫兹波是指位于微波和红外线之间频段的电磁波，是电磁波段中由电子学向光子学过渡的特殊区域,也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域,具有重要的科学研究价值和应用价值。本文利用太赫兹时域光谱仪（有效频率范围0.5-2.5THz）和傅里叶红外光谱仪（有效频率范围1-9THz），分别测试构成DNA的四种碱基样品的振动光谱，找出所有特征峰的位置，并与已发表文献作比较。利用Gaussian 09软件，模拟分子环境，对DNA碱基晶体分子进行结构优化后计算其频率特性。将计算结果与实验结果进行对比，对实验结果中的特征峰位置进行辨认，找出每种碱基的特征峰，为日后研究DNA分子结构的作用机制提供依据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2太赫兹光谱技术国内外研究进展 1
1.3本论文的研究内容 2
第二章 实验准备与测试 3
2.1实验准备 3
2.2测试结果 3
第三章 结果与讨论 5
3.1理论与计算 5
3.2实验结果 5
3.2.1DNA核碱基的晶体结构 6
3.2.2振动谱和正规模 7
3.3实验总结 13
第四章 展望 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
太赫兹波（Terahertz wave,THz）是指频率介于 0.110THz 之间的电磁辐射，处于电子学到光子学的过渡区域。作为光谱测量技术的一个重要手段，太赫兹时域光谱（THzTDS）技术展现出了独特的优势。太赫兹技术为生物学、物理学、化 学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都有很好的应用前景[1]。太赫兹时域光谱技术可同时测量电场的相位和幅度，经过傅里叶变换，样本材料在该波段的吸收系数、折射率以及复介电常数等参数都可以获得。太赫兹电磁波谱与有机物及生物分子（如 DNA、RNA、蛋白质等）的转动和振动能量对应，是研究生物分子和有机物方面非常有效的工具。太赫兹辐射 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
光子能量非常低，在进行生物检测时不会造成生物电离；同时太赫兹波属于远红外和毫米波范畴，具有低散射的特点。以上优点使太赫兹做生物检测时具有天然的优势。
太赫兹波不仅在有机生物分子检测方面具有优势，在其他领域也有广泛应用，如在林业科学相关研究，食品质量安全，医学检测及诊断，爆炸物检测，太赫兹通信，天体物理学研究，大气监测，太赫兹雷达，天文遥感和深空探测等方面都有很好的应用前景。
1.2太赫兹光谱技术国内外研究进展
基因（孟德尔因子），指携带遗传信息的DNA或RNA序列，是控制生物学特性的基本遗传单位。目前，基因检测方法主要有荧光定量PCR、基因芯片、液体生物芯片和微流量控制技术。尽管如此，上述方法要求高、成本高、耗时长，因此必须寻找一种相对便宜、速度快、无损的遗传检测方法。
太赫兹（THz）辐射位于微波和红外区域之间，频率范围约为0.110太赫兹，是一种很有前途的方法，可以满足上述所有要求。近年来，太赫兹时域光谱（THzTDS）在化学检测、材料鉴定和生物医学等领域得到了广泛的应用[12]。太赫兹光谱对分子间的相互作用（如静电、氢键和VDW力）极其敏感，许多晶体晶格的低频振动模式（骨架振动等）都位于太赫兹波段。更重要的是，太赫兹辐射具有低能量的特点，大量的实验证实了太赫兹辐射不会对基因组造成损害[3]。因此，作为一种新的光谱技术，THzTDS可用于DNA的鉴定[4]。
随着THzTDS的出现，DNA和DNA核碱基晶体在实验和理论上都引起了人们的兴趣。比较了鲱鱼和鲑鱼DNA样本在1025 cm1（0.30.75 THz）频率下的传播情况，Woolard[4]等人发现许多常见的声子模式和识别模式的数目都在1025 cm1之间。不过，DNA的峰值与内部结构之间的关系尚不清楚。Fischer[5]等人用大约密度函数法计算细胞色素四元体，并实现了4个低频率IR活性模式，这主要是由氢键引起的分子间振动（平面和平面振动）引起的。杰普森[6]等人还利用传统的平面波方法预测了胸腺嘧啶晶体在THz波段的振动模式。闫[7]等人采用理论和实验相结合的方法，分析了两种DNA碱基晶体（胞嘧啶和胸腺嘧啶）在太赫兹波段的振动光谱，得到了3.5THz以下各振动峰对应的振动模式（分子间振动）。西泽[8]等人利用GapTHz波发生器测量了0.45.8THz范围内的DNA和RNA组分的光谱，在较大的光谱区域内发现不同的特征光谱图。
虽然可以通过实验方法得到THz 带上所有的DNA峰，但由于THz谱图相似，且峰的重叠位置较多，因此寻找能用于DNA鉴定的特征峰仍然不是一件容易的工作[4,9]。从这个意义上说，要分析THz带中DNA的光谱特征，理论上必须深入研究其基本结构单元的THz光谱特征，即四种含氮核苷碱：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）或鸟嘌呤（G），以及一种称为脱氧核糖和磷酸基的单糖。
1.3本论文的研究内容
本文主要研究了四种DNA碱基的太赫兹光谱特征。采用傅立叶变换红外光谱（FTIR）和THzTDS相结合的方法，研究了在0.5～9THz范围内的太赫兹光谱，基于PBCGEBF方法计算了分离单体及其相应的分子晶体的光谱。对实验结果和理论结果在THz波段和法向节点进行了深入的分析，对晶格模式的起源和性质进行了一定的探讨。利用太赫兹光谱技术对构成DNA的四种碱基晶体进行研究，获得它们的振动光谱，找出他们的特征峰位置，并对光谱进行深度解析。测试构成DNA的四种碱基样品的振动光谱，找出所有特征峰的位置。对DNA碱基晶体分子进行结构优化后计算其频率特性，找出特征峰的位置，并对所有特征峰进行指认，找出其所对应的振动模式。
第二章 实验准备与测试
2.1实验准备
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2太赫兹光谱技术国内外研究进展 1
1.3本论文的研究内容 2
第二章 实验准备与测试 3
2.1实验准备 3
2.2测试结果 3
第三章 结果与讨论 5
3.1理论与计算 5
3.2实验结果 5
3.2.1DNA核碱基的晶体结构 6
3.2.2振动谱和正规模 7
3.3实验总结 13
第四章 展望 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
太赫兹波（Terahertz wave,THz）是指频率介于 0.110THz 之间的电磁辐射，处于电子学到光子学的过渡区域。作为光谱测量技术的一个重要手段，太赫兹时域光谱（THzTDS）技术展现出了独特的优势。太赫兹技术为生物学、物理学、化 学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都有很好的应用前景[1]。太赫兹时域光谱技术可同时测量电场的相位和幅度，经过傅里叶变换，样本材料在该波段的吸收系数、折射率以及复介电常数等参数都可以获得。太赫兹电磁波谱与有机物及生物分子（如 DNA、RNA、蛋白质等）的转动和振动能量对应，是研究生物分子和有机物方面非常有效的工具。太赫兹辐射 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
光子能量非常低，在进行生物检测时不会造成生物电离；同时太赫兹波属于远红外和毫米波范畴，具有低散射的特点。以上优点使太赫兹做生物检测时具有天然的优势。
太赫兹波不仅在有机生物分子检测方面具有优势，在其他领域也有广泛应用，如在林业科学相关研究，食品质量安全，医学检测及诊断，爆炸物检测，太赫兹通信，天体物理学研究，大气监测，太赫兹雷达，天文遥感和深空探测等方面都有很好的应用前景。
1.2太赫兹光谱技术国内外研究进展
基因（孟德尔因子），指携带遗传信息的DNA或RNA序列，是控制生物学特性的基本遗传单位。目前，基因检测方法主要有荧光定量PCR、基因芯片、液体生物芯片和微流量控制技术。尽管如此，上述方法要求高、成本高、耗时长，因此必须寻找一种相对便宜、速度快、无损的遗传检测方法。
太赫兹（THz）辐射位于微波和红外区域之间，频率范围约为0.110太赫兹，是一种很有前途的方法，可以满足上述所有要求。近年来，太赫兹时域光谱（THzTDS）在化学检测、材料鉴定和生物医学等领域得到了广泛的应用[12]。太赫兹光谱对分子间的相互作用（如静电、氢键和VDW力）极其敏感，许多晶体晶格的低频振动模式（骨架振动等）都位于太赫兹波段。更重要的是，太赫兹辐射具有低能量的特点，大量的实验证实了太赫兹辐射不会对基因组造成损害[3]。因此，作为一种新的光谱技术，THzTDS可用于DNA的鉴定[4]。
随着THzTDS的出现，DNA和DNA核碱基晶体在实验和理论上都引起了人们的兴趣。比较了鲱鱼和鲑鱼DNA样本在1025 cm1（0.30.75 THz）频率下的传播情况，Woolard[4]等人发现许多常见的声子模式和识别模式的数目都在1025 cm1之间。不过，DNA的峰值与内部结构之间的关系尚不清楚。Fischer[5]等人用大约密度函数法计算细胞色素四元体，并实现了4个低频率IR活性模式，这主要是由氢键引起的分子间振动（平面和平面振动）引起的。杰普森[6]等人还利用传统的平面波方法预测了胸腺嘧啶晶体在THz波段的振动模式。闫[7]等人采用理论和实验相结合的方法，分析了两种DNA碱基晶体（胞嘧啶和胸腺嘧啶）在太赫兹波段的振动光谱，得到了3.5THz以下各振动峰对应的振动模式（分子间振动）。西泽[8]等人利用GapTHz波发生器测量了0.45.8THz范围内的DNA和RNA组分的光谱，在较大的光谱区域内发现不同的特征光谱图。
虽然可以通过实验方法得到THz 带上所有的DNA峰，但由于THz谱图相似，且峰的重叠位置较多，因此寻找能用于DNA鉴定的特征峰仍然不是一件容易的工作[4,9]。从这个意义上说，要分析THz带中DNA的光谱特征，理论上必须深入研究其基本结构单元的THz光谱特征，即四种含氮核苷碱：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）或鸟嘌呤（G），以及一种称为脱氧核糖和磷酸基的单糖。
1.3本论文的研究内容
本文主要研究了四种DNA碱基的太赫兹光谱特征。采用傅立叶变换红外光谱（FTIR）和THzTDS相结合的方法，研究了在0.5～9THz范围内的太赫兹光谱，基于PBCGEBF方法计算了分离单体及其相应的分子晶体的光谱。对实验结果和理论结果在THz波段和法向节点进行了深入的分析，对晶格模式的起源和性质进行了一定的探讨。利用太赫兹光谱技术对构成DNA的四种碱基晶体进行研究，获得它们的振动光谱，找出他们的特征峰位置，并对光谱进行深度解析。测试构成DNA的四种碱基样品的振动光谱，找出所有特征峰的位置。对DNA碱基晶体分子进行结构优化后计算其频率特性，找出特征峰的位置，并对所有特征峰进行指认，找出其所对应的振动模式。
第二章 实验准备与测试
2.1实验准备
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