[发明专利]固体蛋白质热稳定性的太赫兹谱检测装置与方法

权利要求书

1.一种利用固体蛋白质热稳定性的太赫兹谱检测装置，其特征在于包括铝制散热器（1）、半导体致冷片（2）、ITO玻璃加热片（3）、固体蛋白质样品压片（4）、贴片式铂热电阻（5）、高阻硅片（6）、飞秒激光器（7）、斩波器（8）、分束器（9）、光电导天线（10）、第一抛面镜（11）、分束硅片（12）、聚四氟乙烯透镜（13）、延迟线（14）、反射镜（15）、薄膜分束镜（16）、ZnTe晶体（17）、四分之一波片（18）、沃拉斯顿棱镜（19）、光电平衡探测器（20）、锁相放大器（21）、温度采集模块（22）、可调电源（23）、计算机（24）、第二抛面镜（25）；高阻硅片(6)上放置圆片形固体蛋白质样品(4)，在圆片形固体蛋白质样品(4)上紧贴ITO玻璃加热器(3)，在ITO玻璃加热器(3)上面放置半导体致冷片(2),ITO玻璃加热器(3)下表面边缘布置贴片式铂热电阻(5)，半导体致冷片(2)的制冷面向下，在半导体致冷片(2)的制热面上放置铝制散热器(1)；飞秒激光器（7）产生激光光源，经过斩波器（8），被分束器（9）分为较强的泵浦光和较弱的探测光，泵浦光射向光电导天线（10）激发THz脉冲，THz脉冲经过经第一抛面镜（11）准直，被分束硅片（12）反射，再经聚四氟乙烯透镜（13）聚焦入射到载有固体蛋白质样品的高阻硅片（6）下表面上，经高阻硅片（6）的上下表面反射，被聚四氟乙烯透镜（13）准直后，再透过分束硅片（12），被第二抛面镜（25聚焦，并透过薄膜分束镜（16）到达ZnTe晶体（17），与经过延迟线（14）、反射镜（15）并被薄膜分束镜（16）反射的探测光汇合，探测光透过ZnTe晶体（17）、四分之一波片（18）、沃拉斯顿棱镜（19）后被光电平衡探测器（20）探测，所测电信号被锁相放大器（21）放大后送入计算机（24），同时计算机再(24)根据铂热电阻(5)经温度采集模块（22）采集的温度数据使用PID控制算法控制可调电源（23）进而控制半导体致冷片(2)制冷或ITO玻璃加热器(3)制热使蛋白质样品稳定达到目标温度。

2.一种使用如权利要求1所述装置的固体蛋白质热稳定性的太赫兹谱检测方法，其特征在于它的步骤如下：

1)在太赫兹时域谱反射测量装置上，探测器探测的反射信号中包含空气硅界面反射脉冲和硅样品界面反射脉冲两部分，其中空气硅界面反射脉冲为参考信号e_ref(t)，硅样品界面反射脉冲作为测量样品信号

2)计算参考信号的傅立叶变换E_ref(ω)，ω为角频率；

3)匀值材料的实折射率n和消光系数k均为频率的函数，用复折射率n~(ω)=n(ω)-ik(ω)]]>统一表示,而对应的复介电常数为ϵ~(ω)=ϵ′(ω)+iϵ′′(ω)=n~2(ω),]]>太赫兹波在材料中的传播系数为在材料和界面的透射和反射系数为和在折射率为的氮气中太赫兹波正入射厚度为d₁的高阻硅片，高阻硅片的折射率为与高阻硅片紧贴蛋白质样品的折射率为得到参考信号和样品信号之间传输函数的理论模型

Htheory(ω)=Esamt(ω)Eref(ω)=T01T10R12R01exp(-i2ωn~1d1c).---(1)]]>

其中T₀₁为氮气到硅片的透射系数，T₁₀为硅片到氮气的透射系数，R₀₁为氮气到硅片的反射系数，R₁₂为硅片到蛋白质样品的反射系数；

4)利用参考信号的傅立叶变换E_ref(ω)和传输函数H_theory(ω)重建样品信号

esamt(t)=12π∫-∞∞Eref(ω)Htheory(ω)ejωtdω;---(2)]]>

5)用单一弛豫时间Debye介电驰豫模型来表征固态蛋白质分子在温度变化过程中由于分子结构改变导致的介电弛豫响应过程，其表达式为

ϵ~(ω)=ϵ∞+ϵS-ϵ∞1+iωτ---(3)]]>

其中ε_S为直流介电常数，ε_∞为高频介电常数，τ为驰豫时间，

蛋白质在温度升高时越过能垒ΔE，对应一个激活反应，相应分子结构变化和键的破坏与重排导致偶极子运动变化，则弛豫时间τ描述为：

τ=τ0eΔE/kbT---(4)]]>

其中k_b是玻尔兹曼常数，T为绝对温度，τ₀称为指前因子，ΔE称为活化能，在蛋白质加热变性过程中τ符合Arrhenius方程描述的规律，活化能ΔE作为固体蛋白质热稳定性的衡量指标；

6)假设高阻硅片的吸收率为零，取折射率n₁＝3.42，通过公式(1)得到蛋白质样品折射率和吸收系数的为

n20=n1(1-R2)1+R2+2Rcosφ.---(5)]]>

k20=-2n1Rsinφ1+R2+2Rcosφ.---(6)]]>

其中R和φ来自公式Rexp(iφ)=Esamm(ω)Eref(ω)R01T01T10exp(i2ωn1d1c),]]>

代入得到当前测量温度下的样品复介电常数，测量20℃时0.2-2.0THz的蛋白质介电常数，用公式(3)拟合得到单一弛豫时间Debye模型参数记为和把和作为初始值，并以用公式(3)换算成样品的折射率，代入H_theory(ω)并根据公式(2)重建然后定义重建样品信号和测量样品信号代价函数

J=Σt(esamt(t)-esamm(t))2---(7)]]>

并使用Nelder-Mead寻优法得到蛋白质样品在20℃时0.2-2.0THz太赫兹波段的精确的单一弛豫时间Debye模型参数ε_∞,20、ε_S,20和τ₂₀；

7)测量20℃、25℃、30℃、35℃、40℃下蛋白质样品的THz时域反射脉冲信号，模型参数ε_∞,20、ε_S,20作为公式(3)中单一弛豫时间Debye模型的固定参数，并用同样的代价函数拟合优化得到这些温度下的弛豫时间参数τ₂₀、τ₂₅、τ₃₀、τ₃₅和τ₄₀，然后利用公式(4)拟合各温度下的弛豫时间参数得到固体蛋白质样品的活化能ΔE，用于衡量样品蛋白质热稳定性。