Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2016, № 2 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

Применение методов терагерцевой спектроскопии для изучения водных растворов биомолекул

I.S. Guseva1,2, A.V. Semenova1,2, A.N. Panin2, V.L. Vaks1,2

1 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Russia
2 Институт физики микроструктур РАН, Russia
Full text UDC 535.34, 535-14, 539.199, 542.08, 51-7 EDN VOWSXV

Abstract

This work is devoted to developing the precise terahertz spectroscopy of aqueous solutions containing biological molecules for applications of non-invasive biomedical diagnostics. Spectra of the herring`s DNA and insulin-based drug were under study experimentally. An absorption spectrum of DNA was simulated in the terahertz range. We compared the spectra obtained with terahertz high-resolution spectroscopy based on microwave approach with such given by standard quasi-optical methods. Standard methods of THz spectroscopy are shown to have insufficient spectral resolution for studying the fine structure of biological molecules spectra.

  • terahertz frequency range
  • high-resolution spectroscopy
  • biomolecules
  • spectra of liquids
  • low frequency oscillations
  • modeling of DNA's dynamics
Аннотация (на русском)

Применение методов терагерцевой спектроскопии для изучения водных растворов биомолекул

Данная работа направлена на развитие методов прецизионной терагерцевой спектроскопии водных растворов биологических молекул для приложений неинвазивной биомедицинской диагностики. Экспериментально исследовались спектры образца ДНК сельди и препарата инсулина человека. Теоретически моделировался спектр поглощения ДНК в терагерцевом диапазоне. Сравнивались спектры, полученные методом терагерцевой спектроскопии высокого разрешения на основе микроволнового подхода, и стандартными квазиоптическими методами. Было показано, что разрешающей способности стандартных методов ТГц спектроскопии недостаточно для исследования тонкой структуры спектрoв биологических молекул.

For citation

Guseva I.S., Semenova A.V., Panin A.N., Vaks V.L. Применение методов терагерцевой спектроскопии для изучения водных растворов биомолекул // Journal of Radio Electronics. – 2016. – No. 2.

References

  1. Vondracek H., Dielmann-Gessner J., et al. THz absorption spectroscopy of solvated β-lactoglobulin // J. Chem. Phys., vol. 141, pp. 22D534(1-6), 2014.
  2. Zhang W., Brown E.R., et al. Observation of terahertz absorption signatures in microliter DNA solutions // Appl. Phys. Lett., vol. 102, pp. 023701(1-4), 2013.
  3. Yang L., Zhao G., et al. Low-frequency vibrational modes of dl-homocysteic acid and related compounds // Spectrochimica Acta Part A, 73, pp. 884-891, 2009.
  4. Fischer B.M., Walther M., et al. Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy // Phys. Med. Biol., vol. 47, pp. 3807-3814, 2002.
  5. Kassi S., Campargue A. Cavity ring down spectroscopy with 5 × 10- 13 cm- 1 sensitivity // J. Chem. Phys., vol. 137, pp. 234201(1-6), 2012.
  6. Shucheng X., Guohe S., et al. Cavity ring-down spectroscopy in the liquid phase // Rev. Sci. Instr., vol. 73, pp. 255-258, 2002.
  7. Piksa P., Zvánovec S., et al. Specific Millimeter-Wave Features of Fabry-Perot Resonator for Spectroscopic Measurements // In: Microwave and Millimeter Wave Technologies: from Photonic Bandgap Devices to Antenna and Applications. - InTech, 2010. P.451-468
  8. Braakman R., Blake G.A. Principles and promise of Fabry-Perot resonators at terahertz frequencies // J. Appl. Phys., vol. 109, pp. 063102(1-11), 2011.
  9. Born B., Havenith M., et al. The terahertz dance of water with the proteins: the effect of protein flexibility on the dynamical hydration shell of ubiquitin // Faraday Discuss, vol. 141, pp. 161-173, 2009.
  10. Havenith M. THz spectroscopy as a new tool to probe hydration dynamics // Proc. of SPIE, vol. 7600, рр. 76000J(1-5), 2010.
  11. Niehues G., Havenith M., et al. Exploring hydrophobicity by THz absorption spectroscopy of solvated amino acids // Faraday Discuss, vol. 150, pp. 193-207, 2011.
  12. Parthasarathy R., Globus T., et al. Dielectric properties of biological molecules in the Terahertz gap // Appl. Phys. Lett., vol. 87, pp. 113901(1-3), 2005.
  13. Globus T., Khromova T., et al. Terahertz characterization of dilute solutions of DNA // Proc. of SPIE, vol. 6093, pp. 609308(1-12), 2006.
  14. Markelz A., Whitmire S., et al. THz time domain spectroscopy of biomolecular conformational modes // Phys. Med. Biol, vol. 47. pp. 3797-3805, 2002.
  15. Rahman A., Stanley B., et al. Ultrasensitive label-free detection and quantitation of DNA hybridization via terahertz spectrometry // Proc. of SPIE, vol. 7568, pp. 756810(1-7), 2010.
  16. Вакс В.Л., Семенова А.В. Моделирование спектра поглощения ДНК в ТГц диапазоне частот // Сб. тр. ТКМФ - VI. - Троицк-М., Изд-во Троицкий Научный Центр РАН, 2014.- С.348-350.
  17. Dauxois T., Peyrard M., Bishop. A.R. Entropy-driven DNA denaturation // Phys. Rev. E, vol. 47, no 1, pp. R44 - R47, Jan. 1993.
  18. Yakushevich L.V., Savin A.V., Manevich L.V. Nonlinear dynamics of topological solitons in DNA // Phys. Rev. E, vol. 66, pp. 016614(1-14), 2002.
  19. Цуркан М.В., Балбекин Н.С., Собакинская Е.А., Панин А.Н., Вакс В.Л. Исследование спектра ДНК методами ТГц спектроскопии // Оптика и спектроскопия, 2013, №6, С.981-986.
  20. Шатрова Ю.С., Собакинская Е.А., Вакс В.Л., Панин А.Н. Применение ТГц спектроскопии высокого разрешения для исследования биомолекул // Вестник ННГУ, 2014, №1(2), С.201-205.
  21. Vaks V.L., Domracheva E.G., Pripolzin S.I., Sobakinskaya E.A., Сhernyaeva M.B., Anfert'ev V.A., Semenova A.V., Shatrova Yu.S. Methods and Instruments of High-Resolution Transient THz Spectroscopy for Diagnostics of Socially Important Diseases // Phys. Wave Phen., vol. 22, pp. 177-184, 2014.