汪一帆^1） 尉萬(wàn)聰^2） 周鳳娟^1）** 薛照輝^1）**

(¹⁾天津大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院,天津,300072;
 ²⁾清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系，北京，100084)
 

    摘要 太赫茲（THz）輻射是一種新型的遠(yuǎn)紅外相干輻射源，近年來(lái)在生物大分子研究中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在生物分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性等方面有著巨大的應(yīng)用潛力. 本文結(jié)合THz 光譜的特點(diǎn)，介紹了利用THz 光譜對(duì)蛋白質(zhì)、糖類及DNA等生物大分子的探索研究，以及應(yīng)用THz 技術(shù)測(cè)定水環(huán)境與生物分子的相互作用. 探討了該技術(shù)在生物領(lǐng)域應(yīng)用中有待解決的問(wèn)題及發(fā)展前景.

    關(guān)鍵詞 太赫茲, 生物, 蛋白質(zhì), 糖類, DNA

    學(xué)科分類號(hào) O561, Q691

    在碳水化合物、蛋白質(zhì)、核酸等生物分子的研究分析中，光譜學(xué)發(fā)揮著非常重要的作用. 太赫茲 (THz)輻射是指頻率在0.1~10THz (波長(zhǎng)在30μm~3mm) 之間的電磁波，其波段位于微波和紅外光之間. 由于長(zhǎng)期缺少有效的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)，THz 波段曾一度被稱作“THz 空隙”. 近十幾年來(lái)超快激光技術(shù)和半導(dǎo)體材料科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展為THz 脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，促進(jìn)了THz 輻射在光譜學(xué)和成像技術(shù)方面的應(yīng)用.

    相比于紫外可見(jiàn)吸收光譜、傅里葉變換紅外光譜、圓二色譜、X 射線成像分析等傳統(tǒng)技術(shù)，THz 光譜有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）光譜的特征吸收：許多分子之間弱的相互作用（氫鍵、范德華力等）、生物大分子的骨架振動(dòng)、偶極子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)吸收正好處于THz 頻帶范圍，并且THz光譜技術(shù)對(duì)探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在的微小差異和變化非常靈敏，具有反映化合物結(jié)構(gòu)的指紋特征，因此THz 光譜技術(shù)在分析和研究生物大分子方面有著廣闊的前景^[1].（2）低能性：THz 電磁輻射的光子能量低，只有毫電子伏特，不會(huì)因?yàn)殡婋x而破壞生物分子，因而是一種安全有效的無(wú)損檢測(cè)方法^[2].（3）高靈敏度：THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí)，不但可以對(duì)生物樣品進(jìn)行時(shí)間分辨研究，而且可以有效地抑制遠(yuǎn)紅外背景輻射噪音的干擾，輻射強(qiáng)度測(cè)量的信噪比和探測(cè)靈敏度遠(yuǎn)高于傅里葉變換紅外光譜.（4）寬帶性：THz 脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋GHz至幾十THz的范圍，便于在大的范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì).（5）相干性：THz時(shí)域光譜技術(shù) (THz-TDS) 的相干測(cè)量技術(shù)能夠直接測(cè)量THz電場(chǎng)的振幅和相，可以方便地提取樣品的折射率、吸收系數(shù). 此外，THz 對(duì)生物分子中的水非常敏感，因此可以用于分析生物分子與水的相互作用.

    THz 光譜在生物分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值. 利用THz 技術(shù)可以獲得這些生物分子在THz 波段的光學(xué)常數(shù),進(jìn)而可以研究它們的光譜特征. 國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)利用THz 光譜對(duì)DNA、蛋白質(zhì)和糖類等生物分子的探索研究. 本文主要綜述了近年來(lái)THz光譜在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用及進(jìn)展.

1 THz 光譜在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用

    蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)含量最高的組分，酶、抗體、多肽激素、輸送媒介等都是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的. 蛋白質(zhì)是在結(jié)構(gòu)與功能上種類最多的一類分子，它們?cè)谏w系中起著關(guān)鍵作用. 蛋白質(zhì)的基本分子單位是氨基酸，其結(jié)構(gòu)通式為R–C_α( H) (N H3⁺)–COO^–，R代表可變的側(cè)鏈，該側(cè)鏈對(duì)蛋白質(zhì)體系的介電和電子學(xué)特征起著重要作用. 氨基酸的結(jié)構(gòu)為一大的偶極子，對(duì)它進(jìn)行振動(dòng)光譜的研究有利于深入了解蛋白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和功能.

    氨基酸在THz波段的吸收是由分子轉(zhuǎn)動(dòng)或扭動(dòng)造成的，氨基酸的不同結(jié)構(gòu)造成了它們?cè)赥Hz波段不同的吸收峰位. Kikuchi^[3]首次利用變角THZ-TDS測(cè)定L-半胱氨酸和L-組氨酸的氨基酸單晶體. 王雪美等^[4]利用THz-TDS技術(shù)研究室溫條件下多晶含硫氨基酸L-蛋氨酸和L-半胱氨酸的光譜特性，發(fā)現(xiàn)含硫氨基酸吸收峰的非諧性以及較寬的吸收譜帶和平臺(tái)可能是源于分子間相互作用的聲子吸收.

    多肽是肽鍵連接氨基酸構(gòu)成的多聚體. 由于多肽肽鏈內(nèi)或鏈間存在荷電基團(tuán)，因此也就存在著靜電作用的力（通稱鹽鍵，如–NH₃⁺_…-OOC–）,這種力也可能在荷電基團(tuán)與偶極基團(tuán)、或偶極基團(tuán)與偶極基團(tuán)之間發(fā)生，鏈內(nèi)的靜電作用比鏈間的強(qiáng). 對(duì)于多肽鏈分子還存在范德華力（如–CH₂OH_…HOCH₂–），在鏈內(nèi)的基團(tuán)間或分子鏈間都可能有范德華的吸引或排斥力，特別是一些龐大基團(tuán)的色散偶極和誘導(dǎo)偶極間會(huì)呈現(xiàn)出主要的范德華作用力. 而THz-TDS 對(duì)氫鍵、范德華力等許多分子之間弱的相互作用非常敏感，具有反映化合物結(jié)構(gòu)和環(huán)境的指紋特征，因此可以用來(lái)鑒定肽的結(jié)構(gòu).

    肽的光譜特征與其氨基酸組成、排列順序、分子間氫鍵以及晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān). Plusquellic^[5]利用THz-FTIR技術(shù)檢測(cè)不同晶型的多肽，結(jié)果獲得了明顯不同的THz波譜，并且發(fā)現(xiàn)短鏈晶型的多肽在50~500cm^-1 THz波段有明顯的特征吸收.

    蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)表示多肽鏈特有的氨基酸排列序列. 二級(jí)結(jié)構(gòu)描述多肽鏈被氫鍵所穩(wěn)定的部分，如α-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角. 三級(jí)結(jié)構(gòu)定義為半胱氨酸殘基之間的二硫鍵，以及其它非共價(jià)力，如疏水鍵、氫鍵和靜電力所穩(wěn)定的立體結(jié)構(gòu). 四級(jí)結(jié)構(gòu)指兩個(gè)或者多個(gè)肽鏈的相互作用.

    很多蛋白質(zhì)的集體振動(dòng)模式在THz 范圍內(nèi)，生物分子的集體運(yùn)動(dòng)模式對(duì)分子的構(gòu)象、結(jié)構(gòu)及分子環(huán)境變化非常敏感. Markelz 等^[6]首次利用THz-TDS研究了DNA、牛血清蛋白和膠原質(zhì)在0. 06~2. 00THz 波段的性質(zhì)，表明這些生物分子的大量低頻集體振動(dòng)模式具有紅外活性，這一結(jié)果引起了人們對(duì)利用THz-TDS研究生物大分子的極大興趣. 這之后，他對(duì)集體振動(dòng)模式的相對(duì)作用和馳豫作用進(jìn)行了深入研究^[7]，發(fā)現(xiàn)在樣品一致并考慮多重反應(yīng)的條件下，生物大分子在THz 波段的總介電響應(yīng)譜帶范圍較寬且沒(méi)有特征吸收，但該響應(yīng)卻對(duì)水合作用、溫度、綁定、構(gòu)造改變高度敏感，對(duì)這些效果的產(chǎn)生進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)這是由表面?zhèn)孺湹鸟Y豫損耗引起的. Balu等^[8]利用低頻THz 光譜研究了視紫質(zhì)和菌視紫紅質(zhì)這兩種光活性蛋白質(zhì)系統(tǒng)，以探討螺旋跨膜蛋白集體低頻運(yùn)動(dòng). 結(jié)構(gòu)相似的這兩種蛋白質(zhì)，其受THz 輻射激活產(chǎn)生的振動(dòng)特性有著驚人的相似. 具體來(lái)說(shuō)，低頻時(shí)其細(xì)胞質(zhì)環(huán)區(qū)非常活躍，高頻時(shí)其細(xì)胞外的環(huán)區(qū)被振動(dòng)激活. 該研究表明THz光譜在確定蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的振動(dòng)自由度上有重要意義.

    近年來(lái)，隨著THz-TDS技術(shù)的發(fā)展，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)得以進(jìn)行深入的研究. Markelz^[9]首次在200K的蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)躍遷中檢測(cè)出THz 介電響應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)光譜的溫度相關(guān)性與熱激活側(cè)鏈運(yùn)動(dòng)一致，且這一運(yùn)動(dòng)甚至包含亞皮秒級(jí)的動(dòng)力學(xué)信息. He等^[10]利用THz-TDS技術(shù)研究蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)躍遷，通過(guò)研究天然狀態(tài)和變性的雞蛋清溶菌酶，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)躍遷的必要因素. 研究表明伴隨著激活反應(yīng)，光譜特性與溫度有關(guān)，并且沒(méi)有由弱到強(qiáng)躍遷的跡象. 在此基礎(chǔ)上，他還利用THz - TDS技術(shù)觀察到短鏈聚丙氨酸動(dòng)態(tài)躍遷到丙氨酸五肽的現(xiàn)象^[11]，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)丙氨酸二肽或丙氨酸三肽的躍遷. 該研究表明，光譜的溫度相關(guān)性確實(shí)產(chǎn)生于溶劑側(cè)鏈的相互作用. Chen等^[12]利用THz-TDS觀測(cè)PsbO蛋白的可逆性構(gòu)造變化. Havenith等^[13]發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的THz光譜對(duì)突變敏感，并受蛋白質(zhì)表面電荷和柔性的影響.

    蛋白質(zhì)折疊是指蛋白質(zhì)可憑借相互作用在細(xì)胞環(huán)境(特定的酸堿度、溫度等)下自我組裝的過(guò)程. 研究蛋白質(zhì)折疊可以有效的解釋分子生物學(xué)中心法則. 近年來(lái)，THz-TDS 技術(shù)在這一領(lǐng)域也開始發(fā)揮出重要作用.Havenith等^[14]利用THz 吸收動(dòng)力學(xué)（KITA）光譜來(lái)研究蛋白質(zhì)折疊過(guò)程中的THz 電場(chǎng)衰減和相轉(zhuǎn)移. 通過(guò)與熒光法、圓二色譜、小角度X 射線散射的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)KITA 可檢測(cè)到在折疊早期和二級(jí)結(jié)構(gòu)形成時(shí)結(jié)合水-蛋白質(zhì)相互作用的重排現(xiàn)象，從而證明蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)形成與溶劑動(dòng)力學(xué)有關(guān).

2 THz 光譜在糖類研究中的應(yīng)用

    糖類是生物體維持生命活動(dòng)所需能量的主要來(lái)源，是合成其他化合物的基本原料，同時(shí)也是生物體的主要結(jié)構(gòu)成分，對(duì)于保持生物分子空間構(gòu)象和形成一定的生物學(xué)功能具有重要的作用. 糖分子中存在大量的氫、氧原子基團(tuán)，其自身或者和其他生物分子都能形成大量的氫鍵，因此是研究氫鍵的典型體系.

    THz-TDS 對(duì)糖類的結(jié)構(gòu)非常靈敏，可以反映糖類結(jié)構(gòu)與環(huán)境的指紋特性，而且對(duì)于低頻區(qū)糖分子的定量檢測(cè)也非常有效. Shin等^[15]利用THz-TDS研究了從海帶多糖中提取出的不同結(jié)構(gòu)β-葡聚糖的光譜特性，得到了三鏈螺旋（TSHs）和單鏈螺旋（SSHs）這兩種結(jié)構(gòu)在0.1~2.0THz 波段的THz-TDS 吸收譜圖，結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的β-葡聚糖吸收譜表現(xiàn)出明顯不同的光譜特征. 楊麗敏等^[16]將幾種糖衍生物的THz 光譜吸收峰與紅外光譜中的OH 伸縮振動(dòng)峰做了對(duì)比，研究表明THz 光譜吸收峰所對(duì)應(yīng)的是涉及到分子間氫鍵振動(dòng)的直接關(guān)系，不是只對(duì)應(yīng)于某一化學(xué)鍵，而紅外光譜中的νOH 伸縮振動(dòng)可以近似地與氫鍵體系相對(duì)應(yīng)，這說(shuō)明了THz光譜是紅外光譜的有益補(bǔ)充.

    近幾年，研究者們開始利用THz 光譜研究多糖及其衍生物. Fischer 等^[17]利用THz-TDS技術(shù)比較了在溫度300K和10K 時(shí)纖維素和幾丁質(zhì)特征吸收峰的變化，這種差別可能是源于兩種物質(zhì)在聚合物骨架的差異，幾丁質(zhì)比纖維素結(jié)合著更多的側(cè)鏈基團(tuán).

3 THz 光譜在DNA 研究中的應(yīng)用

    DNA是儲(chǔ)存、復(fù)制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，其二級(jí)結(jié)構(gòu)為雙螺旋結(jié)構(gòu). DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA鏈進(jìn)一步扭曲盤旋形成超螺旋結(jié)構(gòu). 根據(jù)螺旋的方向可分為正超螺旋和負(fù)超螺旋. 正超螺旋使雙螺旋結(jié)構(gòu)更緊密，雙螺旋圈數(shù)增加，而負(fù)超螺旋可以減少雙螺旋的圈數(shù). 幾乎所有天然DNA中都存在負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu).

    DNA 分子對(duì)THz 輻射的響應(yīng)主要來(lái)自于由其分子的構(gòu)形和構(gòu)象決定的集體振動(dòng)模. Wittlin^[18]研究了Li-DNA 和Na-DNA在0.09~13.5THz 波段，溫度從5~300K 時(shí)的光譜特征，分別于1. 35和1. 23THz 測(cè)出包括低頻模式在內(nèi)的五種振動(dòng)模式. 研究發(fā)現(xiàn)伴隨著水合作用產(chǎn)生了紅移現(xiàn)象. 應(yīng)用點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)模型可以較成功的解釋振動(dòng)模式及其與水合作用的相互關(guān)系. Globus 等^[19]利用THz 技術(shù)在10~24cm頻率范圍內(nèi)測(cè)量稀溶液中的DNA - art. no. 609308.

    Fisher等^[20]應(yīng)用THz-TDS 技術(shù)研究了組成核酸的四種堿基（鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶）在0.5~4.0THz 波段，溫度分別為10K 和300K 時(shí)的吸收系數(shù)和折射率性質(zhì)，且與應(yīng)用Gaussion98 軟件包所得到計(jì)算結(jié)果有著很合理的一致性. 這說(shuō)明四個(gè)低頻振動(dòng)是由于分子間的氫鍵面內(nèi)、外的運(yùn)動(dòng)所造成的，伴隨著一個(gè)氫鍵體系的彎曲運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)氫鍵體系發(fā)生了扭轉(zhuǎn)或伸展運(yùn)動(dòng).

    Li等^[21]基于雙鏈DNA十倍體的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)特定構(gòu)象的低頻聲子模式與計(jì)算機(jī)模擬的相關(guān)性進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)采用了常規(guī)模式分析和納秒級(jí)分子動(dòng)力學(xué)兩種模型分析方法，發(fā)現(xiàn)相比常規(guī)模式分析，分子動(dòng)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為相關(guān)，并證實(shí)在短DNA雙鏈中存在著大量的活躍低頻聲子模式.

    THz 光譜能鑒別出不同DNA序列的吸收或反射率，Weng等^[22]在此基礎(chǔ)上采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头纸猓瑢?duì)DNA序列的THz 光譜進(jìn)行了定量分析.

    THz 還可以應(yīng)用在如DNA、寡聚核苷酸雜交過(guò)程以及生物芯片讀出等的無(wú)標(biāo)記生物探測(cè)中. DNA分子的折射率與其結(jié)合狀態(tài)密切相關(guān)，因此THz 能夠通過(guò)獲得物質(zhì)的吸收系數(shù)和折射率進(jìn)而對(duì)DNA 進(jìn)行無(wú)標(biāo)記探測(cè). Brucherseifer 等^[23]對(duì)DNA 分子雜交狀態(tài)與其復(fù)折射率的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)單或多核核苷酸的綁定狀態(tài)可通過(guò)監(jiān)視THz經(jīng)DNA的透射來(lái)推知. Nagel 等^[24]利用THz-TDS作為DNA序列分析工具研究了DNA鏈雜交，實(shí)驗(yàn)證明雜交過(guò)程中的THz 吸收光譜有很大的不同，這表明DNA的自由鏈和雜交鏈易被THz光譜所區(qū)別. 這種技術(shù)的高靈敏度甚至可以和熒光標(biāo)記技術(shù)相媲美.

4 THz 光譜在水環(huán)境中生物分子研究的應(yīng)用

    水對(duì)于生物分子發(fā)揮其功能有著至關(guān)重要的作用，但長(zhǎng)期以來(lái)，由于實(shí)驗(yàn)儀器和研究方法的局限，水分子與生物大分子的相互作用難以觀察. 90年代后期，隨著THz-TDS技術(shù)開始應(yīng)用于生物學(xué)研究領(lǐng)域，研究人員發(fā)現(xiàn)THz對(duì)生物分子中的水非常敏感，THz光譜可檢測(cè)少量溶劑誘導(dǎo)的生物分子-水分子界面的集體水分子網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)變化. 這為研究生物分子與水的相互作用提供了新的手段及啟示.

    在對(duì)水環(huán)境中糖類的研究中，Havenith等^[25]發(fā)現(xiàn)THz 可以作為一種探測(cè)溶質(zhì)-誘導(dǎo)變化的靈敏探針. 以p-鍺-激光為THz光源在2.3~2.9THz 范圍內(nèi)研究乳糖的光譜特征，將水和乳糖粉的吸收與整體吸收相比較，可以看出乳糖溶液的吸光度要比前兩者大. 分子動(dòng)力學(xué)模擬（CHARMm力場(chǎng)）表明這是因?yàn)闅滏I重排動(dòng)力學(xué)在水合作用下發(fā)生了改變. 溶劑化糖類的THz 光譜顯示水分子的數(shù)目與糖類動(dòng)態(tài)耦合，并在其周圍形成了動(dòng)態(tài)水合層. 動(dòng)態(tài)水合層與溶質(zhì)接觸的氧原子數(shù)目和糖類生物功能有關(guān)^[13]

    水在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)上起著非常重要的作用. Xu等^[26]利用THz-TDS研究牛血清蛋白溶液中與蛋白質(zhì)功能相關(guān)的集體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減少水的干擾，發(fā)現(xiàn)牛血清蛋白溶液的摩爾吸收隨濃度變化不大，這與比爾定律相符. Born等^[27]利用THz 光譜技術(shù)來(lái)探討蛋白誘導(dǎo)下泛素的快速溶劑化動(dòng)力學(xué)，通過(guò)對(duì)幾個(gè)泛素特殊位點(diǎn)突變體進(jìn)行吸光譜測(cè)定，確定蛋白質(zhì)表面的動(dòng)態(tài)水化層厚度至少是18 埃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了由散射方法觀察到的靜態(tài)水化層（3埃）. 該研究還發(fā)現(xiàn)，側(cè)鏈截?cái)鄷?huì)使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的柔性增加、剛性降低，從而產(chǎn)生更多自由狀的動(dòng)態(tài)水合層. 他們還利用THz 光譜技術(shù)研究了低水合態(tài)下模型肽的溶劑化^[28],發(fā)現(xiàn)如果單位溶質(zhì)的水分子數(shù)少于18~20，THz 光譜吸收就會(huì)急劇下降. 該現(xiàn)象是肽-水分子網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)被破壞的特征，并有力支持了激活該運(yùn)動(dòng)需要最少量結(jié)合水的假說(shuō).

    不同狀態(tài)的水，其吸收THz 射線的方式也不同，因此研究人員可以直接觀測(cè)到蛋白質(zhì)對(duì)其周圍水分子的影響作用. Havenith等^[29]在蛋白質(zhì)對(duì)溶劑的影響距離及影響方式的問(wèn)題上進(jìn)行了探討，通過(guò)THz 光譜技術(shù)對(duì)溶劑化動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)水化層厚度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)周圍溶劑化層的相互重疊會(huì)導(dǎo)致λ蛋白的THz 吸收產(chǎn)生非單調(diào)趨勢(shì). 分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，蛋白質(zhì)溶劑化層中的水與其距離10埃的自由水有著不同特征. 在水化層相互重疊等高蛋白濃度之處的計(jì)算所得數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，都顯示其吸收光譜有非單調(diào)性變化. 蛋白質(zhì)對(duì)水分子網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)的影響距離在20埃以上，這遠(yuǎn)大于理論長(zhǎng)度. THz實(shí)驗(yàn)表明一個(gè)蛋白質(zhì)可以影響1000個(gè)水分子. 該研究小組^[30]還利用THz 技術(shù)測(cè)量溶劑化蛋白質(zhì)，以便研究生物大分子周圍的動(dòng)態(tài)水合層. 發(fā)現(xiàn)與濃度相關(guān)的THz 吸收系數(shù)會(huì)隨著溶質(zhì)誘導(dǎo)的溶劑化動(dòng)力學(xué)改變，并受蛋白質(zhì)濃度和動(dòng)態(tài)水合層厚度的影響.

    THz 吸收可作為溶液中蛋白質(zhì)濃度的函數(shù)，用以研究蛋白質(zhì)和水之間動(dòng)態(tài)耦合. 在高濃度的蛋白質(zhì)-水溶液中，隨著蛋白質(zhì)濃度的增高，THz 吸收光譜以近似線性趨勢(shì)降低^[26]. 在低濃度的蛋白質(zhì)-水溶液中，蛋白質(zhì)濃度與吸光率呈現(xiàn)非線性變化，蛋白質(zhì)溶劑化層重疊和自由水消失表明了蛋白質(zhì)稀溶液的轉(zhuǎn)變^[29]. 計(jì)算機(jī)模擬也可以用于研究鄰近生物分子表面的水分子動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu). Whitmire等^[31]使用標(biāo)準(zhǔn)模式分析生物大分子力場(chǎng)模型，并計(jì)算諧函數(shù)近似值下的THz吸收光譜. Ebbinghaus等^[29]使用分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算偶極波動(dòng).水分子的平移和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散可作為以蛋白質(zhì)和水分子間距、氫鍵動(dòng)力學(xué)的函數(shù). Havenith研究小組通過(guò)模擬水分子的這一特性，得以深入研究生物分子和鄰近水的動(dòng)態(tài)耦合^[32].

5 結(jié)語(yǔ)

    THz 以其對(duì)生物分子的特征吸收、高靈敏度、寬帶性等優(yōu)點(diǎn)，為人們提供了一種研究生物分子結(jié)構(gòu)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)、分子與環(huán)境相互作用的新方法. 目前關(guān)于THz 波段在生物學(xué)中的光譜和成像研究正處于一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，研究者們已在生物分子指紋圖譜的獲得、無(wú)標(biāo)記生物探測(cè)以及水環(huán)境與分子的相互作用等方面做出了一些初步的研究成果. 但THz 作為一種新興的光譜分析檢測(cè)手段，與已經(jīng)成熟的其他光譜技術(shù)相比仍難免存在著一系列問(wèn)題，它在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論分析技術(shù)方面仍有待完善. 在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，由于THz 波的波長(zhǎng)限制了THz 成像系統(tǒng)的空間分辨率，要在生物樣品 (如生物細(xì)胞或生物組織) 上加一層控制材料是很困難的；目前大多數(shù)脈沖實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于生物樣品可能會(huì)有樣品的變性問(wèn)題；一般光導(dǎo)天線輻射的THz 源有效頻率較低,使得一些物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息不能在譜圖中得到充分的反映；另外,現(xiàn)有的THz 時(shí)域光譜系統(tǒng)及成像系統(tǒng)的設(shè)備還比較昂貴,信息處理過(guò)程也很復(fù)雜,有待進(jìn)一步微型化和實(shí)用化. 在理論分析方面，有效的數(shù)據(jù)處理和圖譜分析方法仍需要進(jìn)一步探索，光譜數(shù)據(jù)也需要不斷積累以利于研究THz光譜與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系. THz 涉及到物理學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)等多學(xué)科的交叉與融合，隨著研究的不斷深入，該技術(shù)與多種學(xué)科之間的交叉勢(shì)必會(huì)更加深入. 相信隨著THz 技術(shù)的發(fā)展，它將在許多領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值.

參 考 文 獻(xiàn)
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