类维生素A及其衍生物分子低频振动的太赫兹与低频拉曼光谱研究

The low-frequency vibrations of the retinoids, which include the retinal, the retinol and the retinoic acid, play an important role of the chromophore in the biological photosensitive systems. Nevertheless, the researches have only focused on the terahertz spectrum of all-trans retinal molecule. Therefore, there are two problems: one is that other spectroscopic methods are absent; the other is that there are not enough systematical analyses of the low-frequency vibrations of all of the retinoid molecules. Then, the research of the low-frequency vibrations and the knowledge of the optical properties and the electromagnetic properties are greatly limited. . Here, we will make new researches of the low-frequency vibrations of the retinoids and their derivatives by both terahertz spectrum and low-frequency Raman spectrum. The fruitful areas of optical and electromagnetic researches are listed as follows: the assignment of the spectrum of the low-frequency vibrations, the intramolecular and intermolecular interactions, the influence of the changes of the temperature or the function groups on the low-frequency vibrations, the complex dielectric functions, the reduced absorption cross-section and the localization of low-frequency vibrations. Moreover, the principles of the changes of molecular dipole moments could be given when the biomolecules interact with the terahertz waves. This work will pave the way for the research of the photoisomerization of the retinal chromophore and the binding between the retinoids and the proteins or amino acids.

视黄醛、视黄醇、视黄酸等类维生素A及其衍生物分子的低频振动在生物感光体系中发挥了生色团的重要功能。目前只开展了全反式视黄醛分子的太赫兹光谱研究，但是研究中存在如下问题：光谱探测手段单一化；对类维生素A体系中所有分子低频振动的系统比较方法、分析方法都缺乏。这极大限制了对该类生物分子低频振动信息的完整获取和它的电磁、光学性质的深入认识。针对上述问题，本项目拟采用太赫兹与低频拉曼结合的手段研究类维生素A及其衍生物分子的低频振动特性：包括分子的低频振动光谱获得、归属和分子间或分子内相互作用确定，温度、分子官能团或基团变化对低频振动的影响，以及分子的复介电函数性质、约化吸收截面、低频振动模的定域化特点等电磁、光学性质的研究。这些研究能显示出生物分子在与太赫兹光场发生耦合作用时其分子振动偶极矩发生的变化。本项目研究成果可为感光体系中类维生素A分子与蛋白质、氨基酸的结合研究、光致异构化的研究奠定基础。

视黄醛等类维生素 A分子的低频振动在生物感光体系中发挥了生色团的重要功能。目前只开展了单一分子的太赫兹振动光谱研究，但是研究中存在如下问题：光谱探测手段单一化；对类维生素 A分子低频振动的红外与拉曼活性以及分析方法都缺乏；对于该体系中存在的分子混合物缺乏物理分析和定量分析方法。针对上述问题，本项目拟采用太赫兹与低频拉曼结合的手段研究类维生素 A分子的低频振动特性：包括分子的低频振动光谱获得和归属，以及分子的复介电函数与拉曼极化率关系、约化吸收截面、吸收线性函数等电磁、光学性质的研究；对于分子组成的混合物体系则采用了有效介质理论、主成分分析的方法实现量化研究，最后提出了太赫兹片上系统的设计方案以提高检测灵敏度。.研究结果显示：类维生素 A分子具有明显的特征吸收峰，其低频振动以扭转振动为主，高频振动以剪式振动为代表，其中位于低频区域的扭转振动对于光致异构化过程有着重要的影响。通过类维生素 A分子的复介电函数与拉曼极化率的比较，发现全反式视黄醛分子的低频区域内的振动峰具有红外活性和拉曼活性，13顺式视黄醛分子以较强拉曼活性居多。同时，类维生素 A分子的低频区域的振动峰的吸收截面普遍要比其高频区域吸收截面要小，其原因是高频区域的剪式振动的振动幅度较大，而低频区域主要以扭转振动为主，其振动的幅值较小。在围绕生物混合物体系的分析方法研究中，利用吸收线性函数的方法拟合直线得到不同的斜率，可将不同种类的氨基酸样品鉴别出来；利用有效介质理论可以有效获取混合物中低浓度样品的物理信息。主成分分析的方法实现了定量处理不同浓度的样品信息。同时在测试硬件方面提出了太赫兹片上系统的概念，它有助于实现高灵敏度的生物分子检测。.本项目研究成果可为感光体系中类维生素 A 分子与蛋白质、氨基酸的结合研究、光致异构化的研究奠定基础。