太赫兹（THz）光谱在生物大分子研究中的应用

 汪一帆^1） 尉万聪^2） 周凤娟^1）** 薛照辉^1）**

(¹⁾天津大学农业与生物工程学院,天津,300072;
 ²⁾清华大学生物科学与技术系，北京，100084)
 

    摘要 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.

    关键词 太赫兹, 生物, 蛋白质, 糖类, DNA

    学科分类号 O561, Q691

    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.

1 THz 光谱在蛋白质研究中的应用

    蛋白质是细胞内含量最高的组分，酶、抗体、多肽激素、输送媒介等都是由蛋白质构成的. 蛋白质是在结构与功能上种类最多的一类分子，它们在生命体系中起着关键作用. 蛋白质的基本分子单位是氨基酸，其结构通式为R–C_α( H) (N H3⁺)–COO^–，R代表可变的侧链，该侧链对蛋白质体系的介电和电子学特征起着重要作用. 氨基酸的结构为一大的偶极子，对它进行振动光谱的研究有利于深入了解蛋白质的微观结构和功能.

    氨基酸在THz波段的吸收是由分子转动或扭动造成的，氨基酸的不同结构造成了它们在THz波段不同的吸收峰位. Kikuchi^[3]首次利用变角THZ-TDS测定L-半胱氨酸和L-组氨酸的氨基酸单晶体. 王雪美等^[4]利用THz-TDS技术研究室温条件下多晶含硫氨基酸L-蛋氨酸和L-半胱氨酸的光谱特性，发现含硫氨基酸吸收峰的非谐性以及较宽的吸收谱带和平台可能是源于分子间相互作用的声子吸收.

    多肽是肽键连接氨基酸构成的多聚体. 由于多肽肽链内或链间存在荷电基团，因此也就存在着静电作用的力（通称盐键，如–NH₃⁺_…-OOC–）,这种力也可能在荷电基团与偶极基团、或偶极基团与偶极基团之间发生，链内的静电作用比链间的强. 对于多肽链分子还存在范德华力（如–CH₂OH_…HOCH₂–），在链内的基团间或分子链间都可能有范德华的吸引或排斥力，特别是一些庞大基团的色散偶极和诱导偶极间会呈现出主要的范德华作用力. 而THz-TDS 对氢键、范德华力等许多分子之间弱的相互作用非常敏感，具有反映化合物结构和环境的指纹特征，因此可以用来鉴定肽的结构.