大豆種子的THz時域光譜測量

高 雁

(忻州師范學(xué)院物理系，山西忻州034000)

DNA分析是利用鑒別核酸上的堿基序列而開發(fā)并進(jìn)一步應(yīng)用的技術(shù)．生物芯片是一項(xiàng)越來越受歡迎的研究項(xiàng)目,在生物芯片上,未知堿基順序的分子被已知堿基序列的分子進(jìn)行熒光標(biāo)記．但是熒光標(biāo)記的方法會降低檢查的準(zhǔn)確性并增加成本和準(zhǔn)備時間．因此,一些無標(biāo)記的方法引起人們的興趣，THz光譜技術(shù)在這方面已顯示出一定的潛力．通過THz光譜得到樣品的色散和吸收性質(zhì)，THz技術(shù)已經(jīng)顯示了分辨單股和雙股DNA的能力[1]，并且能檢測飛摩爾靈敏度的單堿基對變異[2]．

大豆是主要糧食作物之一，大豆種子純度檢測對大豆生產(chǎn)具有重要的意義．近幾年，品種鑒定常采用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)DNA(RAPD)分子標(biāo)記技術(shù)[3]，此技術(shù)對反應(yīng)條件要求嚴(yán)格，成本也較高．THz時域光譜技術(shù)不需要對分子進(jìn)行標(biāo)記．利用THz時域光譜技術(shù)，從大豆種子的光譜獲得信息，在區(qū)分大豆種子的種類方面進(jìn)行嘗試．實(shí)驗(yàn)對大豆種子的DNA薄膜和胚芽切片進(jìn)行了初步的探測．

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)用的激光器是美國光譜物理公司的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，中心波長800 nm，脈寬100飛秒，重復(fù)頻率82 MHz．激光器的平均輸出功率為0．70W，斬波器的調(diào)制頻率為1443Hz，鎖相放大器的積分常數(shù)為900ms，GaAs＜110＞單晶作為產(chǎn)生THz脈沖的晶體，ZnTe＜110＞單晶作為THz脈沖的探測晶．

測量分兩步進(jìn)行：首先將基底放到樣品架上，掃描得到的THz脈沖時間波形作為參考信號；再將樣品放入樣品架上，掃描得到THz脈沖經(jīng)過樣品后的時間波形，此波形含有樣品在THz波段的光學(xué)信息．

對實(shí)驗(yàn)測得的參考波形和樣品波形分別進(jìn)行傅立葉變換得到它們的頻率譜，計算在頻率域參考信號與樣品信號的振幅之比．

2 大豆種子DNA的THz時域光譜測量及分析

實(shí)驗(yàn)使用高阻硅作為基底，其電阻率為1800Ωcm，厚度為0．396mm．DNA為固態(tài)，用少量蒸餾水將其溶解，然后滴在硅片上，自然晾干．由于DNA的量很小，晾干后只有很薄的一層，如果分幾次滴，液滴小，分布的面積小，就稍厚些．我們把一中間帶孔的金屬圓盤粘在硅片上，把DNA液體滴入其中，等其自然風(fēng)干后，重復(fù)滴入．制得的DNA薄膜厚度約20 μm．

圖1 (a)參考波形(b)THz脈沖通過DNA樣品的波形

圖1(a)(b)分別是THz脈沖通過高阻硅基底(參考)和通過DNA樣品的波形.通過樣品的脈沖相對于參考脈沖，時間上略有延遲，由于樣品很薄，只有μm量級，因此時間延遲很小.振幅變化也不大，樣品信號波形峰值是參考信號的95%，說明樣品吸收不多.脈沖形狀基本相同，對應(yīng)的色散很弱.

圖2 參考信號的振幅譜(實(shí)線)和樣品的振幅譜(虛線)

經(jīng)過快速傅立葉變換后相應(yīng)的振幅譜如圖2所示.由圖可以看出，通過樣品信號的振幅與參考信號的振幅相比，略有減小，在不同頻率，振幅變化略有不同.

圖3 參考信號與樣品信號振幅的比值

圖3是圖2中參考信號的振幅與樣品信號的振幅的比值.由圖3可以看出，在0.5THz～2.5THz范圍內(nèi)，曲線整體比較平滑，僅在0.8THz以下有波動，這是低頻噪聲的影響.在0.5THz～2.5THz，曲線沒有顯示出DNA樣品存在明顯的吸收峰.

3 大豆種子胚芽的THz時域光譜測量及分析

大豆種子胚芽的切片是以高阻硅作為基底，其電阻率為1800Ω cm，厚度為0.396 mm.胚芽切片是由空軍總醫(yī)院采用醫(yī)學(xué)方法制作的，厚度為35 μm.

圖4 (a)參考波形(b)THz脈沖通過切片樣品的波形

圖4中(a)(b)分別是THz脈沖通過高阻硅基底(參考)和通過切片樣品的波形.由于樣品很薄，只有35 μm，幾乎觀察不到時間延遲.通過樣品的脈沖比參考脈沖的振幅反而增加了2.8%，這可能是噪聲的影響.圖4經(jīng)過快速傅立葉變換后相應(yīng)的振幅譜如圖5所示.樣品信號相對于參考信號，振幅差異不明顯.脈沖形狀基本相同，沒有明顯的色散.

圖5 參考信號的振幅譜(實(shí)線)和樣品的振幅譜(虛線)

圖6 參考信號與樣品信號振幅的比值

圖6是圖5中參考信號的振幅與樣品的振幅的比值，由圖可以看出，在0.5THz～2.5THz范圍內(nèi)，曲線整體較平滑，沒有顯示出胚芽切片在此頻率范圍的明顯的吸收峰.

通過測量和分析表明，由于大豆種子的DNA薄膜和胚芽切片很薄，只有μm量級，對THz脈沖吸收很小，信號響應(yīng)微弱.在時域，樣品信號相對于參考信號，振幅變化不大.在實(shí)驗(yàn)測量的頻率范圍內(nèi)，參考信號的振幅與樣品信號的振幅差異不大，從參考信號與樣品信號振幅的比值曲線沒有觀察到可分辨的吸收峰.

4 結(jié)論

通過THz光譜得到樣品的色散和吸收性質(zhì)，THz技術(shù)已經(jīng)顯示了分辨單股和雙股DNA的能力，并且能檢測飛摩爾靈敏度的單堿基對變異.對實(shí)驗(yàn)測得的參考波形和樣品波形分別進(jìn)行傅立葉變換得到它們的頻率譜，通過計算在頻率域參考信號與樣品信號的振幅之比，從大豆種子的光譜獲得信息，對大豆種子的DNA薄膜和胚芽切片探測和分析，在區(qū)分大豆種子的種類方面有顯著的效果.

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