太赫兹（THz）光谱在生物大分子研究中的应用

Fischer 等^[17]利用THz-TDS技术比较了在温度300K和10K 时纤维素和几丁质特征吸收峰的变化，这种差别可能是源于两种物质在聚合物骨架的差异，几丁质比纤维素结合着更多的侧链基团.

3 THz 光谱在DNA 研究中的应用

    DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础，其二级结构为双螺旋结构. DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构. 根据螺旋的方向可分为正超螺旋和负超螺旋. 正超螺旋使双螺旋结构更紧密，双螺旋圈数增加，而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数. 几乎所有天然DNA中都存在负超螺旋结构.

    DNA 分子对THz 辐射的响应主要来自于由其分子的构形和构象决定的集体振动模. Wittlin^[18]研究了Li-DNA 和Na-DNA在0.09~13.5THz 波段，温度从5~300K 时的光谱特征，分别于1. 35和1. 23THz 测出包括低频模式在内的五种振动模式. 研究发现伴随着水合作用产生了红移现象. 应用点阵动力学模型可以较成功的解释振动模式及其与水合作用的相互关系. Globus 等^[19]利用THz 技术在10~24cm频率范围内测量稀溶液中的DNA - art. no. 609308.

    Fisher等^[20]应用THz-TDS 技术研究了组成核酸的四种碱基（鸟嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶）在0.5~4.0THz 波段，温度分别为10K 和300K 时的吸收系数和折射率性质，且与应用Gaussion98 软件包所得到计算结果有着很合理的一致性. 这说明四个低频振动是由于分子间的氢键面内、外的运动所造成的，伴随着一个氢键体系的弯曲运动，另一个氢键体系发生了扭转或伸展运动.

    Li等^[21]基于双链DNA十倍体的三维结构，对特定构象的低频声子模式与计算机模拟的相关性进行研究.实验采用了常规模式分析和纳秒级分子动力学两种模型分析方法，发现相比常规模式分析，分子动力学与实验结果更为相关，并证实在短DNA双链中存在着大量的活跃低频声子模式.

    THz 光谱能鉴别出不同DNA序列的吸收或反射率，Weng等^[22]在此基础上采用经验模型分解，对DNA序列的THz 光谱进行了定量分析.

    THz 还可以应用在如DNA、寡聚核苷酸杂交过程以及生物芯片读出等的无标记生物探测中. DNA分子的折射率与其结合状态密切相关，因此THz 能够通过获得物质的吸收系数和折射率进而对DNA 进行无标记探测. Brucherseifer 等^[23]对DNA 分子杂交状态与其复折射率的关系进行了研究，发现单或多核核苷酸的绑定状态可通过监视THz经DNA的透射来推知. Nagel 等^[24]利用THz-TDS作为DNA序列分析工具研究了DNA链杂交，实验证明杂交过程中的THz 吸收光谱有很大的不同，这表明DNA的自由链和杂交链易被THz光谱所区别. 这种技术的高灵敏度甚至可以和荧光标记技术相媲美.

4 THz 光谱在水环境中生物分子研究的应用

    水对于生物分子发挥其功能有着至关重要的作用，但长期以来，由于实验仪器和研究方法的局限，水分子与生物大分子的相互作用难以观察. 90年代后期，随着THz-TDS技术开始应用于生物学研究领域，研究人员发现THz对生物分子中的水非常敏感，THz光谱可检测少量溶剂诱导的生物分子-水分子界面的集体水分子网络动力学变化. 这为研究生物分子与水的相互作用提供了新的手段及启示.

    在对水环境中糖类的研究中，Havenith等^[25]发现THz 可以作为一种探测溶质-诱导变化的灵敏探针. 以p-锗-激光为THz光源在2.3~2.9THz 范围内研究乳糖的光谱特征，将水和乳糖粉的吸收与整体吸收相比较，可以看出乳糖溶液的吸光度要比前两者大. 分子动力学模拟（CHARMm力场）表明这是因为氢键重排动力学在水合作用下发生了改变. 溶剂化糖类的THz 光谱显示水分子的数目与糖类动态耦合，并在其周围形成了动态水合层. 动态水合层与溶质接触的氧原子数目和糖类生物功能有关^[13]

    水在蛋白质的结构和动力学上起着非常重要的作用. Xu等^[26]利用THz-TDS研究牛血清蛋白溶液中与蛋白质功能相关的集体运动，通过减少水的干扰，发现牛血清蛋白溶液的摩尔吸收随浓度变化不大，这与比尔定律相符. Born等^[27]利用THz 光谱技术来探讨蛋白诱导下泛素的快速溶剂化动力学，通过对几个泛素特殊位点突变体进行吸光谱测定，确定蛋白质表面的动态水化层厚度至少是18 埃，这远远超过了由散射方法观察到的静态水化层（3埃）. 该研究还发现，侧链截断会使蛋白质结构的柔性增加、刚性降低，从而产生更多自由状的动态水合层. 他们还利用THz 光谱技术研究了低水合态下模型肽的溶剂化^[28],发现如果单位溶质的水分子数少于18~20，THz 光谱吸收就会急剧下降. 该现象是肽-水分子网络运动被破坏的特征，并有力支持了激活该运动需要最少量结合水的假说.