氨基酸分子太赫兹吸收谱与量子化学计算

梁椿梅，黄　蓉，周　婷，周　俊

(电子科技大学　物理电子学院，成都　610054)



氨基酸分子太赫兹吸收谱与量子化学计算

梁椿梅，黄蓉，周婷，周俊

(电子科技大学物理电子学院，成都610054)

该文利用THz时域光谱仪得到L-谷氨酸样品与精氨酸样品的太赫兹吸收谱，并运用量子化学计算分析软件Gaussian09和DFT理论计算了L-谷氨酸与精氨酸分子的太赫兹吸收谱，将仿真与实验的光谱进行对比，观察两者吸收峰位置和数量，得到L-谷氨酸与精氨酸的光谱特性。结果表明，THz时域光谱技术在3THz内具有性噪比高，对生物分子结构活性无破坏等优点，是新兴的相干检测技术。仿真与实验的结果比较吻合，但仿真频率向的高频有偏移。

太赫兹；生物分子；Gaussian软件；Gaussview软件；仿真

太赫兹(THz)辐射是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，其波段位于微波和红外光之间[1]。近十几年来超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz辐射在光谱学和成像技术方面的应用。利用THz技术可以获得这些生物分子在THz波段的光学常数，进而可以研究它们的光谱特征。国内外研究者已经利用THz光谱对DNA、蛋白质和糖类等生物分子进行了探索研究。THz具有高透性，低能性，指纹特性等基本特征，能够有效地研究生物分子结构。

目前关于THz波段在生物学中的光谱和成像研究正处于一个飞速发展的时期，研究者们已在生物分子指纹图谱的获得、无标记生物探测以及水环境与分子的相互作用等方面做出了一些初步的研究成果。

本文通过对THz时域光谱仪得到实验结果和利用Gaussian软件得到仿真结果进行分析和比较，得到生物分子的吸收峰位置。

1　实验介绍

1.1Gaussian软件介绍

Gaussian软件是计算化学领域被广泛应用的一款综合性量子化学计算程序包。Gaussian程序可以用来研究分子能量和结构、过渡态的能量和结构、振动频率、红外和超极化率等等。理论计算可以模拟在气相和溶液中的体系，可以模拟基态和激发态[2-3]。Gaussian可执行程序可以在不同型号的大型计算机、超级计算机、工作站或个人计算机上运行，并相应有不同的版本。Gaussian能够计算很宽范围的光谱，并得到其吸收特征[4]。

Gaussview是一个专门设计用于Gaussian配套使用的软件，其主要用途是构建Gaussian的输入文件和显示Gaussian计算结果。

1.2生物分子在THz波段特性

每种分子都有特定的振动和转动能级，通常分子内化学键的振动或转动吸收频率主要在普通的红外波段，但对于分子之间弱的相互作用(如氢键)，大分子的骨架振动，偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收则对应THz波段范围，并且THz光谱技术对探测物质结构存在的微小差异和变化非常灵敏[5]。

这些振动所反映的分子结构及相关环境信息在THz波段内表现为吸收峰位置和强度的不同。具有反映化合物结构的指纹特征[6]。生物分子的骨架振动以及构型弯曲等集体振动模式与生物分子的结构和构象具有高度相关性。

2　实验过程

2.1仿真过程

本文主要仿真两种生物分子，分别为L-谷氨酸C5H9NO4和精氨酸C6H14N4O2。首先用GaussView软件构建出分子每个生物分子的模型[7-8]。如图1和图2所示分别为两种分子模型。

图1　L-谷氨酸分子式图

图2　精氨酸分子式图

建立好分子模型后，用密度泛函(DFT)理论方法B3LYP，用6-31G基组进行opt+freq计算；然后，用远程登录服务器进行计算[7]。计算结果如图3所示。

图3和图4表明了两种氨基酸分子的吸收峰对应的频率和吸收峰值。吸收峰位置为频率(cm-1)波数，所以实验与仿真进行比较时，需要进行转化。实验所需要的结果中，取3THz之前的数据，因为在该范围内的结果比较准确，干扰较小[8]。换作波数，则取100(cm-1)以内数据结果。

图3　L-谷氨酸的仿真结果图

图4　精氨酸的仿真结果图

2.2仿真与实验分析

运用THz时域光谱仪对两种氨基酸样品进行实验，得到如图5和图6所示结果。

通过两种实验与理论的比较，发现理论计算太赫兹吸收光谱和实验所得到的结果比较吻合，但是出现了一定的偏移，频率向高频偏移[8-9]。在一定范围内，如果实验结果波动很大，说明在该频段中，受到一定的干扰，则可以选择比较稳定的频段观察吸收峰位置以及数量。

图5　L-谷氨酸仿真与实验对比图

图6　精氨酸仿真与实验对比图

3　结束语

由THz作用下生物分子振动情况的仿真结果，可以看出明显的波峰波谷，得到分子的振动频谱，由生物分子的指纹特性可以唯一的确定生物分子。将生物分子的仿真结果与实验室的结果相比，将会有比较相似的结果。不同物质的振动光谱各不相同，借助于Gaussian09 和GaussView软件，计算模拟出其振动光谱，可以与实际的实验结果相比较，使得结果更加准确。

[1]王秀敏，徐新龙，李福利.THz技术进展[J].首都师范大学学报(自然科学版)，2003，24(3)：17-25.

[2]笪良国，鲍霞，魏亦军.GaussView和Gaussian03 在分子对称性教学中的应用[J].安庆师范学院学报(自然科学版)，2010，16(1)：122-124.

[3]王志军，毕开西.Gaussian09_GaussView在光谱实验教学中的应用[J].长治学院学报，2014，31(2)：74-75.

[4]王光琴，李宁，沈京玲.Gaussian在THz光谱模拟中的应用[J].首都师范大学学报(自然科学版)，2007，28(3)：27-32.

[5] 马晓菁，赵红卫，代斌，等.THz时域光谱在蛋白质研究中的应用进展[J].光谱学与光谱分析，128(110)：2237-2242.

[6]汪一帆，尉万聪，周凤娟，等.太赫兹(THz)光谱在生物大分子研究中的应用[J].生物化学与生物物理进展，2010，37(5)：484-489.

[7]唐忠锋，林海涛，陈晓伟，张增芳.基于太赫兹光谱的氨基酸检测[J].光谱学与光谱分析，2009，29(9)，2351-2356.

[8]李春.基于太赫兹光谱技术和DFT理论的生物分子研究[D].南京：南京林业大学，2014.

[9]王明才.氨基酸的时域太赫兹光谱研究[D].吉林：吉林大学，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，电子信息科学与技术专业。

O433.4

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.028