纳米受限效应对生物大分子太赫兹波谱影响机理研究

To reduce the intense absorption of water to Terahertz (THz) wave and increase the signal-to-noise ratio, the THz spectrum detection of biomacromolecules is usually operated using the nanofluidic channel technologies in experiment. Effects of nanoconfinement due to the existence of nanofluidic channels on the conformation and dynamics of biomacromolecular solution have been well known. However, investigations about the effects of nanoconfinement on the THz spectrum of biomacromolecules are still not clear. In this project, extensive all-atom molecular dynamics simulations will be performed to study the difference of the THz spectrum of DNA, poly-peptide, protein etc biomacromolecules in nanoconfined and in natural environments. THz spectrum of biomacromolecules under different confinement walls (repulsive, attractive), different confinement dimensions (1D, 2D, spherical), and different degree of confinement will be calculated. Quantitative relations between the peak height/position of the THz fingerprint spectrum and the degree of confinement will be derived. Through the studies on the effects of nanoconfinement on the conformation, dynamics and hydrogen bond density of biomacromolecules, the mechanism of nanoconfinement on the THz spectrum of biomacromolecules will be explored and explained. This will give a profound theoretical background and guide to the THz spectrum detection of confined biomacromolecules in experiment.

为了减少水溶液对太赫兹波的强烈吸收以提高测量信噪比和灵敏度，实验上针对活性生物大分子的太赫兹波谱检测往往采用纳流道技术。由于纳流道的存在而产生的纳米受限效应对生物大分子构象和动力学的影响已有较清楚认识，而关于纳米受限效应对生物大分子太赫兹波谱的影响尚不清楚。本项目采用全原子分子动力学模拟，比较研究DNA、多肽、蛋白质等生物大分子在自由状态下和纳米受限条件下太赫兹波谱差异。通过研究在不同受限壁（吸引、排斥）、不同受限维度（一维、二维、球形）、不同受限程度下生物大分子太赫兹光谱，建立太赫兹波吸收谱强度、特征频率与受限程度之间定量关系；通过研究纳米受限效应对生物大分子构象、动力学、氢键密度等物理量的影响，阐明纳米受限效应对太赫兹波谱的影响机理，为实验上受限条件下生物大分子太赫兹波谱测定提供重要的理论基础与指导。

为了减少水溶液对太赫兹波的强烈吸收以提高测量信噪比，实验上针对活性生物大分子的太赫兹波谱检测往往采用纳流道技术。由于纳流道的存在而产生的纳米受限效应对生物大分子构象和动力学的影响已经有较清楚的认识，而关于纳米受限效应对生物大分子太赫兹波谱的影响还未见报道，自由状态下与纳米受限条件下生物大分子太赫兹波谱有多大差别还不得而知。 . 本项目首先在理论上建立了生物大分子纳米受限模型和生物大分子太赫兹波谱计算方法，开展了全原子分子动力学模拟计算在自由状态下和纳米受限条件下DNA、多肽等生物大分子的太赫兹波谱，并比较在自由水溶液状态下和受限于碳纳米管、纳米壁等典型纳米结构中生物大分子溶液的太赫兹波谱特征，研究不同受限维度下生物大分子尺寸、扩散系数、太赫兹波吸收谱、介电性质等物理参数随受限程度变化的定量关系。其次,在实验上，通过光刻工艺制备了尺寸在微米级微纳流道阵列芯片，开展了装载于这些微纳微流道芯片内的多肽、DNA、蛋白等生物大分子的太赫兹波谱检测与分析。整个项目结合理论和实验发现，对受限生物大分子的太赫兹光谱进行了精细表征与解析，从生物大分子构象、水分子动力学以及体系氢键密度的变化，阐明了纳米受限效应对太赫兹波谱影响机理。 .该项目取得的关于受限效应对太赫兹光谱影响机制理论成果，将可应用到生物大分子太赫兹光谱探测实验研究，在生物医学领域，将指导活细胞或肿瘤细胞的太赫兹光谱探测与解析。在项目执行的三年内，发表SCI论文10篇，EI会议论文4篇，其他论文1篇，培养硕士研究生3名。.