第33卷，第10期 2013年10月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.33,No.10,pp2612-2616
October，2013
DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹光谱研究
闫慧1.2，范文慧1，郑转平1，刘佳1
1.中国科学院西安光学精密机械研究所，瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西西安710119 2.中原工学院，河南郑州450007
摘要利用太棘兹时域光谱技术获得了DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺瞻啶在0.1一3.5THz的特征吸收谱，发现胞嘧啶在2.53THz的特征吸收细节信息。采用考虑了周期性边界条件的质势平面波密度泛函方法对胞啶分子晶体进行了结构优化和晶格动力学计算，模拟重现其太赫兹特征吸收光谱，并成功辨识了胞嘧啶在0.1一3.5THz的所有特征吸收峰。研究结果表明，这些重要的生物分子在太赫兹频段表现出鲜明
的光谱特性，胞嘧啶分子3.5THz以下的吸收特性均来源于由分子间氢键支配的外振动模式。关键词太棘效时域光谱；胞嘧啶；胸腺嘧啶；理论计算
中图分类号：0433.5文献标识码：A
引言
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2013)10-2612-05
且太赫兹（terahertz，THz)光子具有能量低的特点（频率1 THz的光子能量仅为4.1meV)，不会对生物分子造成电离破坏，因此THz光谱技术也是一种可应用于生物分子检测
胞嘧啶(cytosine，C)和胸腺嘧啶（thymine，T)是构成遗传物质DNA不可或缺的碱基分子，其分子结构如图1所示。 DNA两条链上的碱基分子通过氢键配对，形成了DNA独特的双螺旋结构。可以说，碱基分子对DNA结构的稳定性及其遗传特性具有非常重要的作用。
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Fig. 1 Molecular structure of (a) cytosine and (b) thymine 近年来，太赫兹时域光谱（terahertztime-domainspec troscopy，THz-TDS)已经广泛应用于化学检测、物质鉴别生物医学、反恐维毒等领域，展示出重大的科学价值和诱人的应用前景[1.)。作为一种辨新的相干测量光谱技术，THz TDS不仅能使人们在分子水平上了解物质结构及其特性，而
与研究的新型光谱技术。
胞嘧啶分子晶体属于正交晶系，其晶胞结构如图2(a)所示[3]，虚线表示胞嘧啶晶体中的氢键。可以看出，胞嘧啶分子间形成了丰富的NH..N及N-HO氢键。胸腺嘧啶分子晶体属于单斜晶系，其晶胞结构如图2(b)所示()。胸腺密啶分子在相互平行的平面内逐层堆积形成晶体结构，在同一平面内，一个胸腺嘧啶分子和相邻的两个分子间形成两组 C—OH—N氢键+.5]。Fischer等[]通过密度泛函理论(densityfunctionaltheory，DFT)对胸腺瞻啶的四聚体单元进行计算，获得的四个低频红外活性振动模式均来源于这两组氢键面内振动和面外报动的分子间运动；面且，胸腺嘧啶分子间形成的氢键和观测到的振动特性有关。Jepsen等[]通过固体密度泛函理论也精确预测了胸腺瞻啶分子晶体的太赫兹振动模式。然面，对于胞嘧啶分子在THz额段特征吸收光谱的辨识，以及胞嘧啶分子在THz频段特征吸收峰的来源，仍缺乏系统的理论研究与解释。
利用THz-TDS技术获得了胞嘧啶和胸腺哗啶的太馨效特征吸收谱，并采用考虑了周期性边界条件的质势平面波(pseudo-potentialplanewave，PPW)密度泛函方法[8对胞嘧啶分子品体进行了结构优化和晶格动力学计算。这项研究对
收稿日期：2013-01-05，修订日期：2013-03-22
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作者简介：目慧，1986年生，中国科学院西安光学精密机械研究所硕士研究生，现就职于中原工学院
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