生命基本组成单元的太赫兹光谱研究

论文摘要

太赫兹（简称THz）波是指频率为0.1-10 THz,位于红外和微波之间的电磁波。随着THz波产生和探测技术的逐渐成熟,目前已广泛应用于通讯、材料、国防安全、生物医学等领域。对于生物大分子而言,分子间和分子内的低频拉伸和弯曲振动、晶格的声子振动、氢键的扭转振动是其产生高级结构和运动的主要原因。核酸、蛋白质、糖和脂类分子间/内的能够反应生物学功能的氢键、范德华力和骨架振动属于太赫兹波段。因此,对生物分子的太赫兹光谱研究在近年来受到极大重视。太赫兹时域光谱技术（THz Time-Domain Spectroscopy,简称THz-TDS）是一种深入了解生物分子结构和功能的相干探测技术。然而,由于传统的THz-TDS系统检测带宽有限（通常小于5 THz）,不能获得生物分子在整个太赫兹频谱范围内的光谱信息,高频段太赫兹光谱信息的缺失制约着太赫兹技术在生物领域内的进一步发展。为得到生物分子在太赫兹范围内更全面的光谱信息,本文主要开展了以下几个方面的工作:首先,根据宽频THz辐射的产生和探测原理,在实验室原有设备的基础上,完成了宽频THz-TDS系统（ZAP）的安装,调试和优化。并对优化后的ZAP系统进行测试和分析,得到了频谱在0.5-10 THz范围内的的高信噪比的太赫兹信号,为后续实验提供稳定可靠的实验装置和技术手段,突破了利用传统THz-TDS对生物分子的检测范围窄的局限。其次,根据从THz-TDS中提取样品光学参数的理论方法和ZAP的数据输出方式,用Matlab软件编写提取样品光学参数的程序,其中包括频域谱、相位谱、折射率和吸收系数等,为得到生物分子的太赫兹吸收光谱提供计算条件。之后利用优化好的宽频THz-TDS系统,系统研究了组成生命遗传物质的DNA和RNA分子碱基,腺嘌呤Adenine（A）、鸟嘌呤Guanine（G）、胞嘧啶Cytosine（C）、胸腺嘧啶Thymine（T）、尿嘧啶Uracil（U）的太赫兹时域光谱。利用上述自编的Matlab程序处理数据,获得了它们在0.5-10 THz频段内的THz吸收光谱。首次发现了这些生物分子在5-10 THz高频范围内的一些新的特征吸收峰,该工作弥补了以往报道中这些生物分子在高频段太赫兹光谱信息的缺失。结果表明,这些生物分子在整个太赫兹频谱范围内都有共振响应,是进一步开展宽频太赫兹波生物效应研究的前提和基础。最后,总结了目前已发表的利用THz-TDS技术对AGCTU分子的研究结果,并与本工作进行对比分析,讨论了结果的准确性,完善了太赫兹指纹图谱数据库。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 太赫兹波简介
•     1.1.2 太赫兹时域光谱技术简介
•   1.2 发展现状与存在问题
•   1.3 论文的主要内容
• 第2章 宽频太赫兹辐射的产生与探测
•   2.1 宽频太赫兹辐射源
•     2.1.1 气体等离子体辐射宽频太赫兹波
•     2.1.2 四波混频模型
•     2.1.3 瞬态电流模型
•   2.2 宽频太赫兹辐射探测技术
•     2.2.1 空气相干探测
•     2.2.2 空气偏压相干探测
•   2.3 本章小结
• 第3章 宽频太赫兹时域光谱系统的搭建与优化
•   3.1 飞秒激光放大器系统光源的优化
•     3.1.1 激光脉宽的优化
•     3.1.2 激光输出功率的优化
•   3.2 系统的调节优化
•     3.2.1 BBO晶体角度的优化
•     3.2.2 光路调节
•   3.3 优化后系统的结果与分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 太赫兹光谱数据处理方法
•   4.1 固相生物分子参数提取算法
•     4.1.1 离散傅里叶变换
•     4.1.2 太赫兹吸收光谱数据提取方法
•   4.2 混合样品的太赫兹波吸收系数提取方法
•   4.3 本章小节
• 第5章 生命基本组成单元的太赫兹光谱研究
•   5.1 实验
•     5.1.1 样品制备和实验方法
•     5.1.2 实验结果
•   5.2 DNA/RNA碱基的宽频太赫兹吸收光谱
•     5.2.1 两种嘌呤的太赫兹吸收光谱
•     5.2.2 三种嘧啶的THz吸收光谱
•   5.3 分析与讨论
•   5.4 本章小节
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 硕士期间发表的论文成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 于淼

导师: 胡源,彭晓昱

关键词: 太赫兹时域光谱技术,太赫兹辐射源,空气相干探测,特征吸收谱,碱基

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,生物学,无线电电子学

单位: 长春理工大学

分类号: Q6;O441.4

总页数: 70

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