燕 芳， 李 偉， 王志春

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010

引 言

太赫茲波的能量介于光子和電子之間， 能穿透非金屬和非極性材料， 使太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)作為無損檢測(cè)的一項(xiàng)新興技術(shù)手段成為可能。 許多生物分子的集體振轉(zhuǎn)模式位于太赫茲波段， 使生物分子在太赫茲波段具有指紋性， 獲得待測(cè)物質(zhì)的太赫茲吸收譜后， 與標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)照可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的定性分析。 在此基礎(chǔ)上， 結(jié)合最小二乘法、 支持向量機(jī)等數(shù)據(jù)處理技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)基于太赫茲時(shí)域光譜對(duì)待測(cè)物質(zhì)的定量分析。

構(gòu)成蛋白質(zhì)的二十種氨基酸與生命活動(dòng)緊密相關(guān)， 王衛(wèi)寧等[1]研究發(fā)現(xiàn)， 氨基酸類物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)的有效光譜范圍內(nèi)， 具有各自的特征吸收， 因此可以利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)定性鑒別物質(zhì)， 并對(duì)精氨酸、 組氨酸的太赫茲吸收譜與分子間集體振轉(zhuǎn)模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系做了相關(guān)研究。

目前的量子化學(xué)分析計(jì)算在國際上廣泛使用Gaussian03軟件。 Gaussian03基于從頭算理論、 半經(jīng)驗(yàn)法和密度泛函等計(jì)算方法， 在氣相范圍內(nèi)研究分子結(jié)構(gòu)及能量、 分子間作用力、 IR和拉曼光譜等具有突出優(yōu)勢(shì)[2]。 研究生物分子太赫茲吸收峰的歸屬， 多采用密度泛函理論， 為不同的分子匹配不同的算法、 不同的基組(如雜化泛函算法、 6-311G++基組)計(jì)算生物分子的紅外振動(dòng)譜， 為在紅外譜內(nèi)提取的太赫茲譜做簡(jiǎn)正振動(dòng)分析， 對(duì)分子結(jié)構(gòu)內(nèi)振轉(zhuǎn)與太赫茲吸收峰做出指認(rèn)。

在對(duì)氨基酸樣品的太赫茲吸收譜計(jì)算中， 為了分析與樣品更為接近的構(gòu)型， 應(yīng)選擇全面反映分子間作用力的晶胞構(gòu)型作為計(jì)算的初始構(gòu)型。 而晶胞構(gòu)型計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)處理器的要求偏高， 同時(shí)運(yùn)算時(shí)間較長(30 h以上)， 限于以上缺點(diǎn)該方法對(duì)于大量樣品的計(jì)算適用性不強(qiáng)。 本文通過對(duì)三種氨基酸樣品單分子構(gòu)型的分析， 找到了吸收峰所在頻率對(duì)應(yīng)的原子或原子團(tuán)振轉(zhuǎn)模式的一致規(guī)律， 可以為氨基酸類物質(zhì)的太赫茲定性分析提供一定的參考。

1 樣品實(shí)驗(yàn)部分

利用透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)獲取谷氨酰胺、 蘇氨酸和組氨酸樣品的太赫茲吸收譜， 設(shè)備詳細(xì)描述見文獻(xiàn)。 通過在密閉的實(shí)驗(yàn)光路中充滿氮?dú)鈦斫档铜h(huán)境濕度對(duì)太赫茲波的吸收[3]， 測(cè)試溫度為室溫25 ℃。 吸收譜的獲取參照了Dorney等[4]提出的方法。

為了降低顆粒度差異引起的太赫茲波散射， 實(shí)驗(yàn)所用谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸樣品經(jīng)充分研磨后加入120 mg聚乙烯粉末混合， 以8 MPa壓力沖壓成片， 樣片厚度約0.9 mm， 直徑13 mm。

實(shí)驗(yàn)中， 分別記錄太赫茲光路中有無樣品時(shí)的時(shí)域信號(hào)作為樣品信號(hào)和參考信號(hào)， 為了減小 THz-TDS系統(tǒng)測(cè)量時(shí)域樣品信號(hào)和參考信號(hào)的誤差， 每種樣品均測(cè)量三次后取其平均值。 然后對(duì)時(shí)域測(cè)量結(jié)果做傅里葉變換， 樣品信號(hào)傅里葉變換結(jié)果記為Esam(ω)， 參考信號(hào)傅里葉變換結(jié)果記為Eref(ω)。 取Esam(ω)和Eref(ω)比值的幅頻特性和相頻特性， 如式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

其中：d為樣品厚度，c為光速，ω為角頻率，φ(ω)為相位差。 折射率n(ω)和吸收系數(shù)α(ω)為

(3)

(4)

由式(4)即可計(jì)算出樣品的太赫茲吸收譜。

2 量子化學(xué)分析

量子化學(xué)分析計(jì)算在Gaussian03軟件中進(jìn)行， 采用密度泛函理論中的雜化泛函理論， 為不同分子選用了不同基組， 首先， 對(duì)谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸樣品進(jìn)行單分子構(gòu)型計(jì)算， 為了對(duì)氨基酸類物質(zhì)進(jìn)行定性分析， 還構(gòu)建了氨基酸官能團(tuán)的模型并進(jìn)行了相應(yīng)的量子化學(xué)計(jì)算。

2.1 谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸單分子構(gòu)型計(jì)算

氨基酸在固體樣品中以兩性離子形式存在， 故將對(duì)谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸單分子的兩性離子進(jìn)行計(jì)算分析。 分子構(gòu)型在ChemDraw中繪制， 導(dǎo)出分子結(jié)構(gòu)的笛卡爾坐標(biāo)并導(dǎo)入Gaussian03進(jìn)行運(yùn)算。 因兩性離子帶正負(fù)兩性電荷， 故選用6-311G++(d, p)基組， 同時(shí)采用基于B3LYP雜化泛函的密度泛函理論做構(gòu)型優(yōu)化[5]， 最后進(jìn)行IR計(jì)算。 由于太赫茲波處于遠(yuǎn)紅外波段， 故太赫茲吸收譜需在IR的遠(yuǎn)紅外段提取。 圖1(a)， (b)和(c)分別為谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸兩性離子形式存在的單分子構(gòu)型。

圖1 三種氨基酸樣品的單分子構(gòu)型

三種樣品的單分子構(gòu)型在量子化學(xué)計(jì)算過程中， 選用的運(yùn)算理論與基組均相同， 計(jì)算機(jī)時(shí)與收斂迭代次數(shù)限于原子個(gè)數(shù)、 分子空間結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理器配置。 三種樣品的計(jì)算機(jī)時(shí)和收斂迭代次數(shù)示于表1， 計(jì)算所用數(shù)據(jù)處理器配置為2.6 GHz主頻， 單核四線程， 緩存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為128 G固態(tài)硬盤(SSD)。

2.2 氨基酸官能團(tuán)單分子構(gòu)型計(jì)算

王衛(wèi)寧等指出， 發(fā)展較為成熟的紅外吸收譜的構(gòu)成是由固定的原子或原子基團(tuán)的峰位、 峰形支撐的。 也就是說， 各原子或原子基團(tuán)有特定的紅外吸收峰位和峰形。 保持氨基酸類物質(zhì)化學(xué)通性的最小基團(tuán)為氨基酸官能團(tuán)， 為了探索太赫茲吸收譜是否具有和紅外吸收譜相類似的性質(zhì)， 研究氨基酸官能團(tuán)在太赫茲波段是否具有固定峰位， 本文構(gòu)建了氨基酸官能團(tuán)的單分子模型， 計(jì)算了氨基酸官能團(tuán)的太赫茲吸收譜。

表1 計(jì)算機(jī)時(shí)及收斂迭代次數(shù)

氨基酸官能團(tuán)由一個(gè)氨基和一個(gè)羧基構(gòu)成， 為了與氨基酸固體樣品做出更精確的對(duì)照， 將氨基酸官能團(tuán)也繪制成兩性離子。 而且， 繪制了含R基和不含R基兩種結(jié)構(gòu)， 其中含R基結(jié)構(gòu)用一個(gè)氫(H)原子取代R基， 不含R基為C-帶電體形式。 計(jì)算過程與三種樣品的單分子計(jì)算類似， 由ChemDraw繪制分子構(gòu)型， 導(dǎo)出笛卡爾坐標(biāo)后， 在Gaussian03中進(jìn)行優(yōu)化和IR計(jì)算。 其中氫原子取代R基的氨基酸官能團(tuán)選用6-311G++(d, p)基組， 而不含R基的氨基酸官能團(tuán)帶兩個(gè)單位負(fù)電荷和一個(gè)單位正電荷， 在基組選擇時(shí)考慮到不含R基的氨基酸官能團(tuán)電荷個(gè)數(shù)為3， 但依然帶兩性電荷， 故仍然選用6-311G++(d, p)基組。 圖2(a)和(b)分別為含R基和不含R基氨基酸官能團(tuán)的單分子構(gòu)型。

圖2 氨基酸官能團(tuán)的單分子構(gòu)型

3 結(jié)果與討論

利用量子化學(xué)分析軟件計(jì)算IR后， 在遠(yuǎn)紅外波段(波數(shù)3～333 cm-1)提取太赫茲吸收譜， 由于實(shí)驗(yàn)所用儀器精度所限， 3 THz后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受環(huán)境因素影響較大， 故只提取3 THz(波數(shù)3～100 cm-1)之前的計(jì)算數(shù)據(jù)與有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖3 三種氨基酸的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

(a): Comparison of experimental and computational spectra of glutamine; (b): Comparison of experimental and computational spectra of threonine; (c): Comparison of experimental and computational spectra of histidine

3.1 樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖3(a)， (b)和(c)中分別對(duì)比了三種氨基酸分子的實(shí)驗(yàn)譜和由量子化學(xué)計(jì)算獲得的模擬譜。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 每種氨基酸由量子化學(xué)計(jì)算獲得的模擬譜在高頻段內(nèi)的吸收峰與實(shí)驗(yàn)譜基本一致， 而低頻段吸收峰的峰位和峰形均與實(shí)驗(yàn)譜有較大差距。 這是由于氨基酸單分子構(gòu)型的計(jì)算僅提供了分子內(nèi)部原子及原子基團(tuán)在太赫茲頻段內(nèi)的振轉(zhuǎn)結(jié)果， 沒有體現(xiàn)物質(zhì)內(nèi)分子間的氫鍵及范德華力作用， 而分子間氫鍵及范德華力的作用在太赫茲頻段內(nèi)的振轉(zhuǎn)結(jié)果集中體現(xiàn)于實(shí)驗(yàn)獲得的太赫茲吸收譜低頻段內(nèi)。

3.2 氨基酸官能團(tuán)的計(jì)算結(jié)果

不含R基的氨基酸官能團(tuán)整體電性為一個(gè)單位負(fù)電荷， 在體系中不穩(wěn)定， 自然界中不存在， 量子化學(xué)優(yōu)化結(jié)果不收斂(找不到體系能量最低點(diǎn))， 5 THz以下的太赫茲頻段未見吸收峰， 5.3 THz時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)吸收峰。 含R基的氨基酸官能團(tuán)整體為電中性， 可以找到體系總能最低點(diǎn)， 2.8 THz時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)太赫茲吸收峰， 但由氫原子取代R基的官能團(tuán)只能保持氨基酸的部分理化性質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)三種氨基酸樣品的實(shí)驗(yàn)譜與模擬譜在2～3 THz基本吻合， 含R基官能團(tuán)在2.8 THz也出現(xiàn)吸收峰。 為了討論氨基酸類物質(zhì)2～3 THz的吸收峰是否由氨基酸官能團(tuán)內(nèi)原子的振轉(zhuǎn)提供， 接下來為三種樣品單分子構(gòu)型和H-氨基酸官能團(tuán)單分子構(gòu)型在2～3 THz內(nèi)吸收峰對(duì)應(yīng)頻率的振轉(zhuǎn)模式做了指認(rèn)。

3.3 含R基氨基酸官能團(tuán)的太赫茲振動(dòng)模式

由于H-氨基酸官能團(tuán)不能完全代表實(shí)際氨基酸官能團(tuán)的理化性質(zhì)， 對(duì)H-氨基酸官能團(tuán)與谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸在2～3 THz內(nèi)的振轉(zhuǎn)模式的指認(rèn)如圖4所示。

圖4 氨基酸官能團(tuán)振轉(zhuǎn)模式指認(rèn)

(a): H-氨基酸官能團(tuán)2.8 THz振轉(zhuǎn)圖; (b): 谷氨酰胺內(nèi)官能團(tuán)2.41 THz振轉(zhuǎn)圖;

(c): 蘇氨酸內(nèi)官能團(tuán)2.49 THz振轉(zhuǎn)圖; (d): 組氨酸內(nèi)官能團(tuán)2.09 THz振轉(zhuǎn)圖

Fig.4 Identification of oscillation and rotation patterns of amino acid functional groups

(a): 2.8 THz oscillation diagram of the internal functional groups of H-amino acid;

(b): 2.41 THz oscillation diagram of the internal functional group of glutamine;

(c): 2.49 THz oscillation diagram of the internal functional group of threonine;

(d): 2.09 THz oscillation diagram of the internal functional group of histidine

指認(rèn)結(jié)果顯示， 在該頻段內(nèi)氨基酸官能團(tuán)不發(fā)生振動(dòng)， 只存在C—C鍵旋轉(zhuǎn)， 旋轉(zhuǎn)角約為60°。 C—C鍵旋轉(zhuǎn)使氨基由圖示位置順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)， 羧基由圖示位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié) 論

谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸單分子構(gòu)型的太赫茲吸收譜計(jì)算結(jié)果在2～3 THz段內(nèi)的吸收峰與實(shí)驗(yàn)吸收譜在該頻段的結(jié)果基本一致， 但其他吸收峰差距較大， 表明樣品的太赫茲吸收譜是分子內(nèi)原子及原子團(tuán)作用、 分子間氫鍵及范德華力作用的集中體現(xiàn)。 另外， 含R基氨基酸官能團(tuán)在2～3 THz段的吸收峰為2.8 THz， 而且在該段內(nèi)， 含R基官能團(tuán)振動(dòng)模式與谷氨酰胺、 蘇氨酸、 組氨酸官能團(tuán)振轉(zhuǎn)模式只發(fā)現(xiàn)C—C鍵的旋轉(zhuǎn)。 氨基酸官能團(tuán)在2～3 THz段內(nèi)的振轉(zhuǎn)是氨基酸類物質(zhì)在該段內(nèi)吸收峰的主要來源， 據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)氨基酸類物質(zhì)的定性指認(rèn)。