β-D-吡喃半乳糖的太赫兹光谱研究

　　第２８卷，第４期２００８年４月

　　光谱学与光谱分析

　　ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌ

　　Ａｎａｌｙｓｉｓ

　　＂Ｃ０１．２８，Ｎｏ．４。ｐｐ７２１?７２５

　　Ａｐｒｉｌ，２００８

　　伊Ｄ一吡喃半乳糖的太赫兹光谱研究

　　张同军１’２，蔡晋辉ｚ，周泽魁２

　　１．山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛２．浙江大学控制科学与工程系，浙江杭州３１００２７

　　２６６５１０

　　摘要为深入了解ｐＤ吡喃半乳糖在太赫兹波段的光谱特性，利用太赫兹时域光谱技术测量了室温下ｐｎ吡喃半乳糖晶体在０．３～３．０ＴＨｚ范围内的吸收谱及折射率谱，同时利用傅里叶变换红外光谱技术获得了半乳糖在１．５～１９．５ＴＨｚ之间的吸收谱。实验研究的同时，运用密度泛函理论和６－３１１＋Ｇ一基组计算了气态孤立ｐＤ吡喃半乳糖分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率，并据此对实验光谱吸收峰进行了指认。研究结果表明，除了因为分子间效应而导致的少许偏移外，理论计算结果与实验数据吻合得很好；实验光谱在６ＴＨｚ以上频段的共振吸收峰来源于明确的分子内振动模式，而６ＴＨｚ以下低频段的共振吸收峰则主要来源于分子间氢键或晶体的声子模式．实验和理论研究的对比表明物质的远红外吸收特征对于分子的结构和空间排列非常敏感。

　　关键词ｐＤ吡喃半乳糖；太赫兹时域光谱ｆ傅里叶变换红外光谱；密度泛函理论中图分类号：０４３４．３

　　文献标识码：Ａ

　　文章编号：１０００－０５９３（２００８）０４－０７２１－０５

　　分析和鉴定［９］。与传统的傅里叶变换红外光谱（ＦＴＩＲ）相比，

　　引言

　　糖类广泛分布于动植物和微生物的体内，被认为是继蛋

　　ＴＨｚ－ＴＤＳ是同步相干探测，对热背景噪声不敏感，可以获得很高的信噪比且不需要热辐射仪探测器［１州。更重要的是ＴＨｚ－１１）Ｓ无需使用Ｋｒａｍｅｒｓ－Ｋｒｏｎｉｇ色散关系就可以获得物质的折射率和吸收系数。因而使得ＴＨｚ一１ｒＩ）Ｓ技术被广泛运用于研究化学生物分子在ＴＨｚ波段的光学特性。就信噪比而言，ＴＨｚ－ＴＤＳ在低于３ＴＨｚ时远远高于ＦＴＩＲ，而ＦｎＲ在５ＴＨｚ以上时更好。

　　白质、核酸之后的第三大生物分子［１］，具有比其他生物分子高几个数量级的潜在的信息含量，在生命活动中起着重要的作用．糖的相关研究表明，其生理作用已经远远超出“生物体的能源物质及组织组成物质”的传统认识［２］，它们在细胞识别、细胞分化、免疫等方面起着极为重要的作用。半乳糖是最常见的生物单糖之一，是乳糖的主要组成成分，也是许多生物分子的重要组成部件。糖类物质的远红外光谱（Ｏ．２～

　　２０

　　ＴＨ才ｎ）ｓ与ＦＴｍ相互补充，是研究分子结构和分子振

　　动光谱的重要工具。密度泛函理论（ＤＦＴ）由于有效地考虑了电子相关，且拥有计算精度高和计算效率高等优点，近年来被成功应用于分子，尤其是中等分子体系的振动光谱研究［１．虽然人们运用红外、拉曼光谱技术对伊ｎ吡喃半乳糖分子做了一些研究，但大都局限于中红外区，至今未见结合这三种方法对ｐＤ－ｕｔｔ喃半乳糖分子的ＴＨｚ波段光谱特性进行研究的报道。本文分别使用ＴＨｚ－ＴＤＳ和ＦＴｍ两种技术对ｐＤ吡喃半乳糖晶体在ＴＨｚ波段的光谱特性进行了研究，报道了卢－Ｄ－，ｔｔ喃半乳糖在０．３～３．０ＴＨｚ和１．５～１９．５ＴＨｚ

　　ＴＨｚ）包含有丰富的光谱和结构信息［３］，因为糖分子的许

　　多分子内振动模式，分子问弱相互作用（如氢键、范德瓦耳斯力、偶极的振动和转动跃迁等）以及晶体中晶格的低频振动等都落在这一频段［“朝。因而利用远红外振动光谱研究半乳糖晶体的光谱特性具有重要意义．

　　太赫兹时域光谱（ＴＨｚ－ＴＤＳ）技术是基于飞秒超快激光技术的远红外波段光谱测量新技术［６．＂，它利用物质对ＴＨｚ辐射的特征吸收来分析物质成分、结构及其相互作用［８］。ＴＨｚ光谱测量技术的高信噪比和单个ＴＨｚ脉冲的宽频带特性，使得ＴＨｚ技术能够对材料组成及结构的细微变化做出

　　频段的远红外光谱。同时运用密度泛函理论计算了孤立ｐＤ

　　吡喃半乳糖分子的结构及其在ＴＨｚ波段的振动频率，并据此对半乳糖分子在ＴＨｚ波段的特征吸收峰进行了指认。

　　收稿日期：２００６—１１?１０．修订日期：２００７－－０２—２０基金项目：国家自然科学基金项目（６０３７４０５１）资助

　　作者简介：张同军，１９７６年生，浙江大学控制科学与工程系博士研究生

　　ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｐｏｐｔｉｒｒｍｌ＠１６３．ｃｏｍ

　　万方数据　

　　７２２

　　光谱学与光谱分析

　　第２８卷

　　１材料与实验方法

　　１．１样品制备

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　　１．２实验装置

　　室温下＃－Ｄ－ⅡＩｔ喃半乳糖晶体在１．５～１９．５ＴＨｚ（５０～６５０ｃｌｎ－１）范围内的远红外光谱是在Ｂｒｕｋｅｒ６６Ｖ／ｓＦＴＩＲ光谱仪获得的，光谱仪配备一个ＦＩＲ－ｕｒＧＳ探测器用于该频段的光谱测量。为消除水蒸汽和Ｃ０２气体的影响，仪器工作于真空环境中。ＦＴＩＲ光谱仪的分辨率为６０ＧＨｚ，扫描次数２００次。

　　ＩＩ争Ｄ吡喃半乳糖晶体在０．３～３．０ＴＨｚ范围内的光谱特性通过一种标准的ＴＨ于Ｔ１）ｓ系统获得，实验装置如图２所示口２１。自锁模钛蓝宝石飞秒激光器产生的激光脉冲中心波长为８１０ｒｌｌｎ，脉宽１００ｆｓ，重复频率８２ＭＨｚ，输出功率９８０ｍｗ。飞秒激光脉冲经分束镜（ＣＢＳ）后分为泵浦光Ｉ和探测光Ⅱ。泵浦光以４５。角入射到矿型砷化铟（ＩｎＡｓ）晶体上，通

　　万　

　　方数据过光整流效应产生出ＴＨｚ脉冲，ＴＨｚ脉冲被离轴抛物面镜

　　（ＰＭｓ）聚焦到待测样品上。探测光与经过样品的ＴＨｚ脉冲共线后聚焦到探测元件碲化锌（ＺｎＴｅ）电光晶体上。ＴＨｚ脉冲的电场可由探测光通过电光采样的方法获得。对ＴＨｚ脉冲电场强度的时间波形进行快速傅里叶变换可得到对应的频域谱。设备信噪比＞１０００，光谱分辨率约为５０ＧＨｚ。

　　２结果与讨论

　　２．１争ｍ吡喃半乳糖的．１１｛ｚ时域光谱

　　穿过样品ＴＨｚ脉冲电场会被样品的散射行（ｖ）和吸收口（ｖ）所改变‘”］。穿过样品的ＴＨｚ电场强度与参考电场强度在频域内的比值Ｔ＝Ｅ（ｖ）／Ｅｒ（ｖ）与复折射率Ｎ一竹＋／ｋ存在如下关系

　　Ｔ＝器∥州油肛一Ａ毋

　　（１）

　　其中Ａ为振幅，ｐ为样品电场和参考电场之间的相位差，

　　ｄ为样品厚度，ｖ为辐射的频率，Ｃ为真空中的光速。由此，我们便可根据（２）～（４）式得到样品的折射率行（ｖ）、消光系数五（ｖ）和口（ｖ）吸收系数

　　挖一黑＋１

　　（２）

　　，，＿７１１２Ｖ

　　扣赤ｈ孤寿丽

　　（３）口＝垫

　　（４）

　　图３给出了室温下半乳糖在０．３～３．０ＴＨｚ范围内的吸收谱和折射率谱。样品的折射率谱位于吸收谱的上方，伴随每个吸收峰都有一个折射率的特征变化，说明在吸收峰附近，样品呈反常色散现象。由图３还可看出，随着频率的增加，样品的吸收谱基线出现了缓慢的上升，这可能是由于光散射或样品宽而无结构的吸收所引起。ｐＤ吡喃半乳糖晶体在２．１５，２．３３，２．８４和２．９６ＴＨｚ处有明显的吸收峰。

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　　０．３～３．０ＴＩ－Ｉｚ

　　ＴＩ－ｋ范围内的远红外光

　　谱

　　图４所示为用ＦＴＩＲ光谱仪在室温下测得的１．５～１９．５ＴＨｚ范围内ｐＤ吡喃半乳糖晶体的吸收谱。插图所示为Ｆｒ’取与ＴＨｚ－ＴＤＳ重叠测量范围内的光谱，由图可见，用两种

　　２．２哥ｍ吡喃半乳糖在Ｉ．５～１９．５

　　第４期光谱学与光谱分析７２３方法获得的半乳糖在该波段的波形形状和吸收峰位置都非常Ｔａｂｌｅ１Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ一－Ｄ－ｇａｌａｃｔｏｐｙｒ－接近，说明ＴＨｚ－ＴＤＳ和ＦＴＩＲ都是测量糖类分子在远红外ａｎｏｓｅ（ｂｏｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｓｒｉｎ（盖），ｂｏｎｄａｎｇｌｅｓ（／）ａｎｄ波段光谱特性的有效方法。ｄｉｈｅｄｒａｌａｎｇｌｅｓｆｉｎ（Ａ），ｄｉｐｏｌｅｍｏｍｅｎｔｉｎ（Ｄｅｂｙｅ）

　　．ａｎｄｔｏｔａｌｅｎｅｇｙｉｎ（Ｈａｒｔｒｅｅ））ａｔＩＤＬＹＰ／６－３１１＋

　　Ｏ５Ｇ。。ｌｅｖｅｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓｒｅｐｏｌ恤ｄｉｎＲｅｆ．

　　［１４］

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　　ｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅ１．５～１９．５ＴＨｚ

　　２．３ＤＦＩ＇计算与分析

　　为更好地理解实验光谱产生的理论机理，我们运用

　　Ｇａｕｓｓｉａｎ０３程序包对半乳糖分子进行了量子化学计算。采用

　　密度泛函理论的Ｂｅｃｋｅ－３一Ｌｅｅ－Ｙａｎｇ－Ｐａｒｒ（Ｂ３ＬＹＰ）混合泛函，

　　选取６－３１１＋Ｇ～基组对孤立』争Ｄ吡喃半乳糖分子进行了几

　　何全优化和振动频率计算。计算结果没有虚频出现，说明几

　　何优化计算找到了分子的最小能量结构。

　　表１列出了利用Ｄ订理论在Ｂ３ＬＹＰ／６—３１１－ＦＧ一水平

　　上计算所得的伊Ｄ吡喃半乳糖分子的结构参数。可以看出计

　　算所得的键长、键角、二面角等数值和文献［１‘］报道的通过Ｘ

　　射线衍射（ＸＲＤ）所得半乳糖晶体结构的结果基本一致。但分

　　子中各羟基以及ＣＨ２０Ｈ基的二面角的计算值与实验值差别

　　非常明显，从２６．５。到９７．７。不等。这是因为理论计算体现的

　　是气态状况下孤立分子的行为，而实验测量的是晶体结构。

　　由此我们也可以推断，伊Ｄ吡喃半乳糖晶体中相邻的羟基之

　　间存在着较强的分子间氢键，口－Ｄ葡萄糖的中子散射数据［１５］

　　也证实了糖类晶体的分子之间存在着较强的氢键网络，这是

　　糖类晶体的一大特点。实际上，正是这种分子间的氢键稳定

　　着ｐｎ吡喃半乳糖的晶体结构。由于氢键的键能较弱且运动

　　质量较大，其共振频率恰好落在人们相对未知的ＴＨｚ波段。

　　图５给出了１．５～１９．５ＴＨｚ频率范围内ｐＤ吡喃半乳

　　糖晶体的ＦＴＩＲ实验光谱和孤立ｐＤ半乳糖分子的ＤＦＴ理

　　论计算光谱。由图５可以看出，在大于６ＴＨｚ的高频段，理

　　论计算光谱和实验光谱无论在波形形状和吸收峰的位置、强

　　度上都非常接近，这种相似性说明该频率范围内的吸收特征

　　主要是来源于分子内振动模式。但理论光谱相对于实验光谱

　　也存在一定的偏移，这种偏移可能是因为实验是在常温下进

　　行的，而理论计算没有将这种热效应考虑在内，同时半乳糖

　　晶体内部的空间效应和分子间的弱相互作用也会导致偏移。

　　在６ＴＨｚ以下的低频区，实验光谱中存在几个较强的吸

　　收峰，而理论光谱的吸收峰则非常微弱，显然无法与之对

　　应。如前所述，ｐ口吡喃半乳糖晶体的分子之间存在着较强

　　万　方数据