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太赫兹波段物质介电特性研究

武宇亭  
【摘要】:太赫兹辐射通常是指频率在0.1-10terahertz(THz)范围内的电磁辐射,许多物质在这个波段表现出独特的物理和化学信息。太赫兹时域光谱(THz-TDS)相干探测技术和计算机技术的迅猛发展,使得在实验和理论上对物质在此波段的特性研究成为可能。由于分子间相互作用以及分子内旋转和振动跃迁,水等极性分子在太赫兹波段会产生强烈的吸收;生物分子与水分子的相互作用又会改变水分子的动力学过程。因此,对生物分子的水溶液进行研究具有重要的生物学意义。本文采用太赫兹时域光潜技术及分子动力学方法对液态物质在太赫兹波段的动力学特性展开研究,主要包括以下几个方面: 第一,首先对THz科学及THz-TDS技术作了简要介绍,同时讨论了分子在THz波段的振动、介电、吸收等特性,并对实验数据处理及双德拜模型做了详细的说明。 第二,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89fs和10.55ps。随后对不同浓度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。 第三,利用分子动力学模拟技术,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。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。结果表明,统计获得的特征吸收峰位置与实验结果吻合很好,充分说明了分子动力学模拟方法在生物分子特征吸收谱预测方面的应用价值。


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