太赫兹（THz）光谱在生物大分子研究中的应用

    肽的光谱特征与其氨基酸组成、排列顺序、分子间氢键以及晶体结构密切相关. Plusquellic^[5]利用THz-FTIR技术检测不同晶型的多肽，结果获得了明显不同的THz波谱，并且发现短链晶型的多肽在50~500cm^-1 THz波段有明显的特征吸收.

    蛋白质的一级结构表示多肽链特有的氨基酸排列序列. 二级结构描述多肽链被氢键所稳定的部分，如α-螺旋、β-折叠和β-转角. 三级结构定义为半胱氨酸残基之间的二硫键，以及其它非共价力，如疏水键、氢键和静电力所稳定的立体结构. 四级结构指两个或者多个肽链的相互作用.

    很多蛋白质的集体振动模式在THz 范围内，生物分子的集体运动模式对分子的构象、结构及分子环境变化非常敏感. Markelz 等^[6]首次利用THz-TDS研究了DNA、牛血清蛋白和胶原质在0. 06~2. 00THz 波段的性质，表明这些生物分子的大量低频集体振动模式具有红外活性，这一结果引起了人们对利用THz-TDS研究生物大分子的极大兴趣. 这之后，他对集体振动模式的相对作用和驰豫作用进行了深入研究^[7]，发现在样品一致并考虑多重反应的条件下，生物大分子在THz 波段的总介电响应谱带范围较宽且没有特征吸收，但该响应却对水合作用、温度、绑定、构造改变高度敏感，对这些效果的产生进行了讨论，发现这是由表面侧链的驰豫损耗引起的. Balu等^[8]利用低频THz 光谱研究了视紫质和菌视紫红质这两种光活性蛋白质系统，以探讨螺旋跨膜蛋白集体低频运动. 结构相似的这两种蛋白质，其受THz 辐射激活产生的振动特性有着惊人的相似. 具体来说，低频时其细胞质环区非常活跃，高频时其细胞外的环区被振动激活. 该研究表明THz光谱在确定蛋白质构象变化的振动自由度上有重要意义.

    近年来，随着THz-TDS技术的发展，蛋白质结构及其动力学得以进行深入的研究. Markelz^[9]首次在200K的蛋白质动态跃迁中检测出THz 介电响应，并发现光谱的温度相关性与热激活侧链运动一致，且这一运动甚至包含亚皮秒级的动力学信息. He等^[10]利用THz-TDS技术研究蛋白质的动态跃迁，通过研究天然状态和变性的鸡蛋清溶菌酶，发现蛋白质结构不是产生动态跃迁的必要因素. 研究表明伴随着激活反应，光谱特性与温度有关，并且没有由弱到强跃迁的迹象. 在此基础上，他还利用THz - TDS技术观察到短链聚丙氨酸动态跃迁到丙氨酸五肽的现象^[11]，但没有发现丙氨酸二肽或丙氨酸三肽的跃迁. 该研究表明，光谱的温度相关性确实产生于溶剂侧链的相互作用. Chen等^[12]利用THz-TDS观测PsbO蛋白的可逆性构造变化. Havenith等^[13]发现蛋白质的THz光谱对突变敏感，并受蛋白质表面电荷和柔性的影响.

    蛋白质折叠是指蛋白质可凭借相互作用在细胞环境(特定的酸碱度、温度等)下自我组装的过程. 研究蛋白质折叠可以有效的解释分子生物学中心法则. 近年来，THz-TDS 技术在这一领域也开始发挥出重要作用.Havenith等^[14]利用THz 吸收动力学（KITA）光谱来研究蛋白质折叠过程中的THz 电场衰减和相转移. 通过与荧光法、圆二色谱、小角度X 射线散射的数据进行对比，发现KITA 可检测到在折叠早期和二级结构形成时结合水-蛋白质相互作用的重排现象，从而证明蛋白质二级结构形成与溶剂动力学有关.

2 THz 光谱在糖类研究中的应用

    糖类是生物体维持生命活动所需能量的主要来源，是合成其他化合物的基本原料，同时也是生物体的主要结构成分，对于保持生物分子空间构象和形成一定的生物学功能具有重要的作用. 糖分子中存在大量的氢、氧原子基团，其自身或者和其他生物分子都能形成大量的氢键，因此是研究氢键的典型体系.

    THz-TDS 对糖类的结构非常灵敏，可以反映糖类结构与环境的指纹特性，而且对于低频区糖分子的定量检测也非常有效. Shin等^[15]利用THz-TDS研究了从海带多糖中提取出的不同结构β-葡聚糖的光谱特性，得到了三链螺旋（TSHs）和单链螺旋（SSHs）这两种结构在0.1~2.0THz 波段的THz-TDS 吸收谱图，结果表明不同结构的β-葡聚糖吸收谱表现出明显不同的光谱特征. 杨丽敏等^[16]将几种糖衍生物的THz 光谱吸收峰与红外光谱中的OH 伸缩振动峰做了对比，研究表明THz 光谱吸收峰所对应的是涉及到分子间氢键振动的直接关系，不是只对应于某一化学键，而红外光谱中的νOH 伸缩振动可以近似地与氢键体系相对应，这说明了THz光谱是红外光谱的有益补充.

    近几年，研究者们开始利用THz 光谱研究多糖及其衍生物.