基于量子化学的氨基酸太赫兹光谱定性分析

论文摘要

太赫兹辐射是指波长在30μm~3mm之间的电磁波,能量介于光子和电子之间,能穿透非金属和非极性材料,使太赫兹时域光谱技术作为无损检测的一项新兴技术手段成为可能。许多生物分子的集体振转模式位于太赫兹波段,使生物分子在太赫兹波段具有指纹性,获得待测物质的太赫兹吸收谱后,与标准谱进行对照可以实现对待测物质的定性辨识。在此基础上,结合最小二乘法、支持向量机等数据处理技术还可以实现以太赫兹时域光谱技术对已知成分物质组分含量的定量分析。构成氨基酸类物质分子内原子的振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有明显吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法模拟计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定的参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。本文首先利用太赫兹时域光谱技术获取了苏氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建了苏氨酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型、二聚体构型和晶胞构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行了太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明单分子构型和二聚体构型的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合,而较为全面的反应分子间氢键及范德华力的晶胞构型计算结果与实验结果较为吻合。研究表明,太赫兹时域光谱技术可以实现氨基酸类物质的定性辨识,一定程度上,量子化学计算可以为氨基酸吸收谱库提供理论支撑,同时,实验法指明化学计量分析及运算,应选择较为全面吻合实际样品结构的晶胞构型作为最小研究结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 太赫兹辐射与太赫兹时域光谱技术
•     1.1.1 太赫兹辐射
•     1.1.2 太赫兹时域光谱系统
•     1.1.3 太赫兹时域光谱技术及其系统的特点
•     1.1.4 太赫兹时域光谱技术的应用
•   1.2 氨基酸鉴别技术综述
•     1.2.1 氨基酸物理检测方法简介
•     1.2.2 氨基酸化学检测方法简介
•     1.2.3 THz-TDS技术在生物分子方面的研究现状
•     1.2.4 常见氨基酸的太赫兹吸收峰峰位
•   1.3 本文研究内容及章节安排
•   1.4 本章小结
• 2 研究方案与基本理论
•   2.1 研究方案
•   2.2 实验方案及吸收谱获取
•     2.2.1 样片制备
•     2.2.2 实验数据获取
•   2.3 计算获取太赫兹吸收谱
•     2.3.1 量子化学计算方法
•     2.3.2 量子化学分析相关软件
•     2.3.3 计算流程
•   2.4 本章小结
• 3 基于太赫兹吸收谱的氨基酸定性分析
•   3.1 苏氨酸太赫兹吸收谱的实验获取
•   3.2 基于太赫兹时域光谱技术的氨基酸定性分析
•     3.2.1 纯净氨基酸样品的定性分析
•     3.2.2 混合氨基酸样品的定性分析
•     3.2.3 混合氨基酸样品额外吸收峰出现的原因分析
•   3.3 本章小结
• 4 基于量子化学计算的氨基酸定性分析
•   4.1 量子化学建模及结构优化
•     4.1.1 单分子
•     4.1.2 氨基酸官能团
•     4.1.3 二聚体
•     4.1.4 晶胞
•     4.1.5 计算机硬件资源配置
•   4.2 基于量子化学的苏氨酸吸收峰指认
•     4.2.1 实验谱与计算谱
•     4.2.2 单分子计算谱指认
•     4.2.3 二聚体计算谱指认
•     4.2.4 晶胞计算谱指认
•   4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李伟

导师: 燕芳

关键词: 太赫兹,时域光谱,氨基酸,吸收谱,量子化学

来源: 内蒙古科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,有机化工,无线电电子学

单位: 内蒙古科技大学

分类号: O657.3;O441.4;TQ226.36

DOI: 10.27724/d.cnki.gnmgk.2019.000120

总页数: 58

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