太赫兹光谱检测人染色体端粒DNA空间构象关键技术研究

太赫兹（THz）技术的迅速发展使其在生物领域的应用成为可能。本项目应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）研究人染色体端粒DNA构象变化及其低频动力学过程。主要的目标是通过本项目建立太赫兹光谱技术检测液态生物样品构象变化和研究动力学过程的基础。本项目结题，所取得的重要的研究成果包括：(1) 利用THz-TDS技术测量和分析了水在THz波段的介电特性，并利用德拜弛豫理论对其介电常数进行拟合，得到对应于氢键断裂和形成及氢键网络重排的两个弛豫时间，分别是89 fs和10.55 ps。这些工作为研究液态生物样品（DNA，蛋白等）在太赫兹频段的介电特性奠定了基础。(2) 对不同浓度鲑鱼精DNA水溶液进行了测试，并讨论分析了DNA分子与水分子之间的相互作用，以及对于水分子两个弛豫模式的影响。结果表明，随着DNA浓度的增大，两个弛豫模式的强度及其对应的时间都有所改变。(3)针对长时间模拟结果不收敛的问题，提出一种新统计方法。该方法利用多段短轨迹分别计算生物分子太赫兹吸收谱，将各段轨迹得到的吸收谱中峰值位置作直方分布统计，弥补了单轨迹构象遍历不足的缺陷。同时我们讨论了不同的统计参数对于结果的影响，证明了这种统计方法的可靠性，可以将此方法应用到其它生物分子的吸收谱计算中。(4) 基于本项目提出的生物分子太赫兹光谱预算方法，计算了大肠杆菌硫氧还原蛋白质(thioredoxin protein)在0.3-0.75THz这个波段内的特征吸收谱。模拟结果与实验结果取得了很好的一致，充分说明了该方法在生物分子特征吸收谱预测方面的应用价值。（5）研究了嘧啶类碱基及其修饰物在THz波段的光谱响应，以探索THz光谱与物质组成和结构之间的关系。研究获得了胞嘧啶及异胞嘧啶在0.2-2.0 THz范围内吸收系数、折射率及介电常数等光学参数和光谱特征。实验结果表明：THz光谱对于物质结构的微小差异和变化高度敏感，能够区分不同结构和组成的碱基化合物。这对THz技术用于DNA无标记检测和核苷类抗肿瘤药物的检测具有重要的意义。