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第七章 太赫兹在化学和生物学中的机遇
7.1 发展机遇
太赫兹科学在化学和生物学领域中的机遇十分广泛。利用太赫兹技术可以研
究分子团簇等气相物质的光谱和动力学性能,这无疑将为研究人员提供更多非共
价相互作用方面的重要信息。同样,研究液体的太赫兹光谱,能够反映出它的集
体(非共价)模式,只是液体环境和气相环境截然不同而已。对液体的研究可以
显示出线性和非线性光谱的细节,而且在处理诸如溶剂问题时,还能得到它们的
固有特性。
生物膜, LB 膜和自组单分子层也是太赫兹的研究对象之一。生物膜与生物
组织具有密切联系,因而十分重要,而 LB 膜和自组单层分子层则允许人们控制
膜的组分和化学功能。利用太赫兹技术来研究分子间的相互作用,可以补充这些
薄膜分子间在红外波段相互作用的研究。
大量有机和无机晶体的声子模式也都处于太赫兹频段,因此可以利用太赫兹
对这些晶体的平衡态和动力学过程进行探测与测量。除材料的声子模式之外,还
能利用太赫兹技术研究表面声子模式及吸附物与表面的相互作用。
在迅速发展的电子自旋共振谱方面,太赫兹科学也有诸多机遇。人们能利用
太赫兹技术研究许多无外加场时就存在能级分裂的分子,这对于其他技术则是无
法实现的。另外,利用强太赫兹脉冲的磁场还可以进行自旋翻转实验。利用太赫
兹技术,人们还有可能在分子电子学领域表征分子的电荷转移过程和导电性质。
例如,表征光合作用反应中心的电荷转移的初始步骤。
在蛋白质结构和动力学方面,太赫兹科学更是如鱼得水。目前,人们已经能
够利用氨基酸的太赫兹光谱来区分各种氨基酸,在将来的研究当中,肯定会把蛋
白质的二级结构和三级结构等细节显示得更加清楚。例如,对于螺旋的振动频率
已经有许多理论预言,但是一直没有具有说服力的实验结果。而利用线性的和非
线性的太赫兹光谱,研究人员就可以研究毫秒到亚皮秒量级的动力学过程。目前,
研究人员已经能够探测到单个或两个并排的 DNA 序列,随着该项工作的不断深
入必将促使无标记感应器的产生。而且现在已经实验测得了单个 DNA 的太赫兹
光谱,而在 DNA 动力学方面,太赫兹研究肯定存在很多非凡的机遇。随着太赫
兹技术和近场光学的不断结合,还能研究超过蛋白质和 DNA 的更大系统。
目前,大部分化学及生物学领域的太赫兹研究仍然采用连续辐射,也就是说,
目前得到的实验结果大多是样品的线性光谱。直到最近才有非平衡态的研究报
道。它采用光脉冲激发染料/溶剂系统或者量子点样品,在一定时间延迟后,利
用太赫兹脉冲探测样品的低频光学性质的演化过程。这项研究只能采用非连续辐
射,因此实验中必须利用超快激光或加速器的脉冲辐射源。可以预测,在化学和
生物学领域的研究当中,将会越来越多地涉及非平衡系统,因而对脉冲式太赫兹
辐射源也必然会提出更多要求。
7.2 面临的挑战
目前,化学和生物学面临的最大挑战是用特定方式控制化学反应。为了达到
对化学反应的控制,分子系统的能量就不能随机进入各个反应自由度,而应该被
导入到特定的模式或某些模式的集合中去。反应模式控制的相关问题是在皮秒时
间量级内发生的溶剂化相互作用,尤其是其中的水分子作用。
由于化学和生物学都是处理分子间的相互作用,所以在这里把它们放在一块
讨论。当然也对它们进行进一步的区分。在这里可以认为化学主要是涉及较小的
分子(如小于蛋白质的分子)以及由重复单体构成的聚合物。而生物学则主要涉
及一些巨大的分子,甚至病毒、细胞、组织等。
太赫兹光子的能量为 4 meV ,约是 300K 下一个自由运动的粒子平均动能的
1/6,因此太赫兹频段的共振可以被热运动激发。这些共振从本质上来说是非简
谐的,所以很难采用分子动力学进行计算。另外,在它们所处的光谱范围内,传
统的辐射源也很少。因此,太赫兹科学就成了基础化学中一个真正的前沿领域。
生物系统是由时变大分子构成的,而且这些分子之间存在着极为复杂的相互作
用,这就给研究人员提出了更大的挑战:生物复合体(如单个细胞)的结构本身
就极其复杂而有趣,且它们还随时间变化。目前,能够测量这种网络中化学状态
变化的方法很少,并且这些方法也都需要使用非常麻烦的标记技术。既然太赫兹
波段对于系统中的集体运动模式十分敏感,那么可以设想在单个细胞中利用太赫
兹来实现分子相互作用的跟踪和成像。
7.3 太赫兹在化学中的应用
7.3.1 气相物质
从最简单的真空中的单个分子或分子团出发,太赫兹可以探测轻分子的转动
动力学,较重分子的低频扭转模式以及分子团的分子间集体模式。气相太赫兹时
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