氨基酸分子太赫茲吸收譜與量子化學(xué)計(jì)算

梁椿梅，黃　蓉，周　婷，周　俊

(電子科技大學(xué)　物理電子學(xué)院，成都　610054)

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氨基酸分子太赫茲吸收譜與量子化學(xué)計(jì)算

梁椿梅，黃蓉，周婷，周俊

(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054)

該文利用THz時域光譜儀得到L-谷氨酸樣品與精氨酸樣品的太赫茲吸收譜，并運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算分析軟件Gaussian09和DFT理論計(jì)算了L-谷氨酸與精氨酸分子的太赫茲吸收譜，將仿真與實(shí)驗(yàn)的光譜進(jìn)行對比，觀察兩者吸收峰位置和數(shù)量，得到L-谷氨酸與精氨酸的光譜特性。結(jié)果表明，THz時域光譜技術(shù)在3THz內(nèi)具有性噪比高，對生物分子結(jié)構(gòu)活性無破壞等優(yōu)點(diǎn)，是新興的相干檢測技術(shù)。仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較吻合，但仿真頻率向的高頻有偏移。

太赫茲；生物分子；Gaussian軟件；Gaussview軟件；仿真

太赫茲(THz)輻射是指頻率在0.1～10THz之間的電磁波，其波段位于微波和紅外光之間[1]。近十幾年來超快激光技術(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。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。國內(nèi)外研究者已經(jīng)利用THz光譜對DNA、蛋白質(zhì)和糖類等生物分子進(jìn)行了探索研究。THz具有高透性，低能性，指紋特性等基本特征，能夠有效地研究生物分子結(jié)構(gòu)。

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飛速發(fā)展的時期，研究者們已在生物分子指紋圖譜的獲得、無標(biāo)記生物探測以及水環(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。

本文通過對THz時域光譜儀得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和利用Gaussian軟件得到仿真結(jié)果進(jìn)行分析和比較，得到生物分子的吸收峰位置。

1　實(shí)驗(yàn)介紹

1.1Gaussian軟件介紹

Gaussian軟件是計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的一款綜合性量子化學(xué)計(jì)算程序包。Gaussian程序可以用來研究分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、振動頻率、紅外和超極化率等等。理論計(jì)算可以模擬在氣相和溶液中的體系，可以模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)[2-3]。Gaussian可執(zhí)行程序可以在不同型號的大型計(jì)算機(jī)、超級計(jì)算機(jī)、工作站或個人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并相應(yīng)有不同的版本。Gaussian能夠計(jì)算很寬范圍的光譜，并得到其吸收特征[4]。

Gaussview是一個專門設(shè)計(jì)用于Gaussian配套使用的軟件，其主要用途是構(gòu)建Gaussian的輸入文件和顯示Gaussian計(jì)算結(jié)果。

1.2生物分子在THz波段特性

每種分子都有特定的振動和轉(zhuǎn)動能級，通常分子內(nèi)化學(xué)鍵的振動或轉(zhuǎn)動吸收頻率主要在普通的紅外波段，但對于分子之間弱的相互作用(如氫鍵)，大分子的骨架振動，偶極子的旋轉(zhuǎn)和振動躍遷以及晶體中晶格的低頻振動吸收則對應(yīng)THz波段范圍，并且THz光譜技術(shù)對探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在的微小差異和變化非常靈敏[5]。

這些振動所反映的分子結(jié)構(gòu)及相關(guān)環(huán)境信息在THz波段內(nèi)表現(xiàn)為吸收峰位置和強(qiáng)度的不同。具有反映化合物結(jié)構(gòu)的指紋特征[6]。生物分子的骨架振動以及構(gòu)型彎曲等集體振動模式與生物分子的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象具有高度相關(guān)性。

2　實(shí)驗(yàn)過程

2.1仿真過程

本文主要仿真兩種生物分子，分別為L-谷氨酸C5H9NO4和精氨酸C6H14N4O2。首先用GaussView軟件構(gòu)建出分子每個生物分子的模型[7-8]。如圖1和圖2所示分別為兩種分子模型。

圖1　L-谷氨酸分子式圖

圖2　精氨酸分子式圖

建立好分子模型后，用密度泛函(DFT)理論方法B3LYP，用6-31G基組進(jìn)行opt+freq計(jì)算；然后，用遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算[7]。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3和圖4表明了兩種氨基酸分子的吸收峰對應(yīng)的頻率和吸收峰值。吸收峰位置為頻率(cm-1)波數(shù)，所以實(shí)驗(yàn)與仿真進(jìn)行比較時，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)所需要的結(jié)果中，取3THz之前的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)的結(jié)果比較準(zhǔn)確，干擾較小[8]。換作波數(shù)，則取100(cm-1)以內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖3　L-谷氨酸的仿真結(jié)果圖

圖4　精氨酸的仿真結(jié)果圖

2.2仿真與實(shí)驗(yàn)分析

運(yùn)用THz時域光譜儀對兩種氨基酸樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖5和圖6所示結(jié)果。

通過兩種實(shí)驗(yàn)與理論的比較，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算太赫茲吸收光譜和實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果比較吻合，但是出現(xiàn)了一定的偏移，頻率向高頻偏移[8-9]。在一定范圍內(nèi)，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果波動很大，說明在該頻段中，受到一定的干擾，則可以選擇比較穩(wěn)定的頻段觀察吸收峰位置以及數(shù)量。

圖5　L-谷氨酸仿真與實(shí)驗(yàn)對比圖

圖6　精氨酸仿真與實(shí)驗(yàn)對比圖

3　結(jié)束語

由THz作用下生物分子振動情況的仿真結(jié)果，可以看出明顯的波峰波谷，得到分子的振動頻譜，由生物分子的指紋特性可以唯一的確定生物分子。將生物分子的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果相比，將會有比較相似的結(jié)果。不同物質(zhì)的振動光譜各不相同，借助于Gaussian09 和GaussView軟件，計(jì)算模擬出其振動光譜，可以與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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[8]李春.基于太赫茲光譜技術(shù)和DFT理論的生物分子研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2014.

[9]王明才.氨基酸的時域太赫茲光譜研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2010.

Quantum Chemical Calculation of Biological Molecular Absorption Spectrum

LIANG Chunmei，HUANG Rong，ZHOU Ting，ZHOU Jun

(SchoolofPhysicalElectronics，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China)

ThispapergottheabsorptionspectrumsofL-glutamicacidsamplesandargininesamplesbyTHztimedomainspectroscopy.Atthesametime，itgotTHzabsorptionspectrumsofL-glutamicacidandargininemoleculesbythequantumchemicalcalculationanalysissoftwareGaussian09andDFTtheorycalculation.Then，thispapercomparedtheabsorptionspectrumsofsimulationandexperimentandobservedthepositionandnumberofabsorptionpeak.THztime-domainspectroscopyisanewcoherentdetectiontechnologybecauseithashighnoiseratiointherangeof3THzandnodamagetothebiologicalactivityofmolecularstructure.Theresultofsimulationagreedwellwithexperiment，buttheresultofsimulationashighfrequencyoffsetfrequency.

THz；biologicalmolecule；Gaussiansoftware；Gaussviewsoftware；simulation

2015-05-13；修改日期: 2015-12-29

梁椿梅(1993-)，女，本科，電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

O433.4

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.028