大豆种子的THz时域光谱测量

高 雁

(忻州师范学院物理系，山西忻州034000)

DNA分析是利用鉴别核酸上的碱基序列而开发并进一步应用的技术．生物芯片是一项越来越受欢迎的研究项目,在生物芯片上,未知碱基顺序的分子被已知碱基序列的分子进行荧光标记．但是荧光标记的方法会降低检查的准确性并增加成本和准备时间．因此,一些无标记的方法引起人们的兴趣，THz光谱技术在这方面已显示出一定的潜力．通过THz光谱得到样品的色散和吸收性质，THz技术已经显示了分辨单股和双股DNA的能力[1]，并且能检测飞摩尔灵敏度的单碱基对变异[2]．

大豆是主要粮食作物之一，大豆种子纯度检测对大豆生产具有重要的意义．近几年，品种鉴定常采用随机扩增多态DNA(RAPD)分子标记技术[3]，此技术对反应条件要求严格，成本也较高．THz时域光谱技术不需要对分子进行标记．利用THz时域光谱技术，从大豆种子的光谱获得信息，在区分大豆种子的种类方面进行尝试．实验对大豆种子的DNA薄膜和胚芽切片进行了初步的探测．

1 实验过程

实验用的激光器是美国光谱物理公司的掺钛蓝宝石飞秒激光器，中心波长800 nm，脉宽100飞秒，重复频率82 MHz．激光器的平均输出功率为0．70W，斩波器的调制频率为1443Hz，锁相放大器的积分常数为900ms，GaAs＜110＞单晶作为产生THz脉冲的晶体，ZnTe＜110＞单晶作为THz脉冲的探测晶．

测量分两步进行：首先将基底放到样品架上，扫描得到的THz脉冲时间波形作为参考信号；再将样品放入样品架上，扫描得到THz脉冲经过样品后的时间波形，此波形含有样品在THz波段的光学信息．

对实验测得的参考波形和样品波形分别进行傅立叶变换得到它们的频率谱，计算在频率域参考信号与样品信号的振幅之比．

2 大豆种子DNA的THz时域光谱测量及分析

实验使用高阻硅作为基底，其电阻率为1800Ωcm，厚度为0．396mm．DNA为固态，用少量蒸馏水将其溶解，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层，如果分几次滴，液滴小，分布的面积小，就稍厚些．我们把一中间带孔的金属圆盘粘在硅片上，把DNA液体滴入其中，等其自然风干后，重复滴入．制得的DNA薄膜厚度约20 μm．

图1 (a)参考波形(b)THz脉冲通过DNA样品的波形

图1(a)(b)分别是THz脉冲通过高阻硅基底(参考)和通过DNA样品的波形.通过样品的脉冲相对于参考脉冲，时间上略有延迟，由于样品很薄，只有μm量级，因此时间延迟很小.振幅变化也不大，样品信号波形峰值是参考信号的95%，说明样品吸收不多.脉冲形状基本相同，对应的色散很弱.

图2 参考信号的振幅谱(实线)和样品的振幅谱(虚线)

经过快速傅立叶变换后相应的振幅谱如图2所示.由图可以看出，通过样品信号的振幅与参考信号的振幅相比，略有减小，在不同频率，振幅变化略有不同.

图3 参考信号与样品信号振幅的比值

图3是图2中参考信号的振幅与样品信号的振幅的比值.由图3可以看出，在0.5THz～2.5THz范围内，曲线整体比较平滑，仅在0.8THz以下有波动，这是低频噪声的影响.在0.5THz～2.5THz，曲线没有显示出DNA样品存在明显的吸收峰.

3 大豆种子胚芽的THz时域光谱测量及分析

大豆种子胚芽的切片是以高阻硅作为基底，其电阻率为1800Ω cm，厚度为0.396 mm.胚芽切片是由空军总医院采用医学方法制作的，厚度为35 μm.

图4 (a)参考波形(b)THz脉冲通过切片样品的波形

图4中(a)(b)分别是THz脉冲通过高阻硅基底(参考)和通过切片样品的波形.由于样品很薄，只有35 μm，几乎观察不到时间延迟.通过样品的脉冲比参考脉冲的振幅反而增加了2.8%，这可能是噪声的影响.图4经过快速傅立叶变换后相应的振幅谱如图5所示.样品信号相对于参考信号，振幅差异不明显.脉冲形状基本相同，没有明显的色散.

图5 参考信号的振幅谱(实线)和样品的振幅谱(虚线)

图6 参考信号与样品信号振幅的比值

图6是图5中参考信号的振幅与样品的振幅的比值，由图可以看出，在0.5THz～2.5THz范围内，曲线整体较平滑，没有显示出胚芽切片在此频率范围的明显的吸收峰.

通过测量和分析表明，由于大豆种子的DNA薄膜和胚芽切片很薄，只有μm量级，对THz脉冲吸收很小，信号响应微弱.在时域，样品信号相对于参考信号，振幅变化不大.在实验测量的频率范围内，参考信号的振幅与样品信号的振幅差异不大，从参考信号与样品信号振幅的比值曲线没有观察到可分辨的吸收峰.

4 结论

通过THz光谱得到样品的色散和吸收性质，THz技术已经显示了分辨单股和双股DNA的能力，并且能检测飞摩尔灵敏度的单碱基对变异.对实验测得的参考波形和样品波形分别进行傅立叶变换得到它们的频率谱，通过计算在频率域参考信号与样品信号的振幅之比，从大豆种子的光谱获得信息，对大豆种子的DNA薄膜和胚芽切片探测和分析，在区分大豆种子的种类方面有显著的效果.

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