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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-23421
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2342/

Fischer, Bernd Michael

Broadband THz time-domain spectroscopy of biomolecules : a comprehensive study of the dielectric properties of biomaterials in the far-infrared

Breitbandige THz-Zeit-Domänen-Spektroskopie von Biomokelülen : eine ausführliche Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften von Biomaterialien im fernen Infrarot

Kurzfassung in Englisch

Since the introduction of THz-time-domain spectroscopy (THz-TDS) in the late 1980's, the technique, based on the generation and detection of subpicosecond terahertz pulses, has found widespread use as a simple and versatile experiment technique for obtaining the low frequency response of gases, solids and liquids. Since then there has been an increased interest in the exploitation of the THz-region in all fields of basic natural science as well as medicine. Recently commercial interest in the THz technology has also been growing, spurred by the potential for THz technology in the safety and security sector. Parallel, an increase of public interest in these 'T-rays' is noticeable. However, it appears that in many cases reporters but also research groups overestimate the potential of THz-TDS. Therefore we hope that this comprehensive study of the dielectric properties of biomaterials in the far-infrared will contribute to clearly outline the prospects but also the hurdles of THz spectroscopy of samples of biological relevance.
The increased interest in THz spectroscopy is also reflected by the number of collaborations that arose from this work. In a project sponsored by the Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), the potential of THz TDS for marker-free detection of the hybridisation of DNA was evaluated. Further collaborations with the with the pharmaceutical department of the University Freiburg, the chemistry department of the University Regensburg, the photronics group of the University Ulm and the department of microwave engineering and high frequency technology at the University of Erlangen-Nürnberg demonstrate the interdisciplinary character of this work.
This thesis is structured in the following way:
In Chapter 1 the basic aspects of vibrational spectroscopy in the far-infrared are reviewed. Chapter 2 outlines theoretical and technical concepts of terahertz time-domain spectroscopy.
In the following four chapters we give a broad overview of the capabilities and potentials of far-infrared spectroscopy of bio-molecules at the hand of specific samples which we studied. In chapter 3 the high sensitivity of the far-infrared spectra to small changes in the molecular or crystalline structure will be demonstrated, based on the spectra of saccharides and DNA components.
The vibrational origins that give rise to the characteristic fingerprints in far-infrared spectra are topic of Chapter 4, where examples of computational and experimental approaches in order to characterise and to identify the spectra will be given. In Chapter 5 the potential THz-TDS holds for applications based on chemical recognition will be demonstrated. For this we present characteristic spectra of pharmaceuticals, illicit drugs and explosives and introduce a contrast mechanism that allows a distinction between different chemicals hidden in sealed containers by the use of spatially resolved THz-TDS. In Chapter 6 we examine the spectra of larger, complex bio-molecules such as polysaccarides and polynucleotides. The lack of long-range intermolecular order in these materials and the consequent absence of characteristic features in the far-infrared spectra of these molecules prohibits applications based on the identification of characteristic far-infrared fingerprints. Yet we can show that under controlled conditions it is possible to use THz imaging to distinguish between the two RNA strands. We will further discuss the requirements to sample preparation imposed by the lack of sharp spectral features in the absorption spectra.
Some samples such as polar liquids or ionic crystals show very strong absorptions in the far-infrared and are thus not suitable for studies in a transmission
THz-TDS-spectrometer. Therefore a new spectrometer in reflection geometry was set up. In Chapter 7 we review the similarities and differences of THZ-TDS in reflection and transmission geometry and we present spectra of a selection of solid samples and water. In order to allow spectroscopy of the wide variety of samples in liquid, amorphous, and solid state form presented in this work the use of different window and filling materials is required. Although most plastic materials can be considered to be transparent for THz radiation compared to the strong absorptions occurring in the biomolecular samples, there are significant differences in the chemical and optical properties of commonly used window and filling materials. We review and present new data for this subject in Chapter 8. In Chapter 9 we will present the spectroscopic data of dioxane-water mixtures where we are in particular interested in the dielectric properties of water itself and its binding properties to the solvent dioxane. A large number of additional details were studied and evaluated in the course of this work.
These studies are collected in the appendix as most of these have by now appeared in print.

Kurzfassung in Deutsch

Die Terahertz Zeit-Domänen-Spektroskopie (THz-TDS) , die in den späten achtzigern des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde, basiert auf der Erzeugung und Detektion ultrakurzer, Subpikosekunden langer elektomagnetischer Pulse. Seither wurde vielfach gezeigt, dass diese Technik eine einfache und leicht zu handhabende Methode darstellt um die dielektischen Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen im fernen infraroten Frequenzbereich zu bestimmen.
In den letzten Jahren erfuhr diese Technik besonderes Interesse, da erste Arbeiten ihr Potential für medizinische und pharmazeutische Anwendungen demonstrierten. Besonders die Tatsache, dass einerseits viele Pharmazeutika und chemische Substanzen in ihren THz-Spketren charakteristische individuelle Signaturen aufweisen, andererseits aber Verpackungs- und Füllmaterialien von der Terahertz-Strahlung (im englischen auch oft als T-rays bezeichnet) nahezu ohne Abschwächung durchdrungen wird, hat das Interesse an einer kommerziellen Nutzung dieser Technik angespornt, da somit eine kontaktfreie spektrale Erkennung chemischer Substanzen durch Verpackungen hindurch ermöglicht wird. Allerdings wird das Potenzial der THz-TDS von manchen Reportern und auch wissenschaftlichen Gruppen gelegentlich auch überschätzt. Daher soll die hier vorliegende umfangreiche Studie der dielektrischen Eigenschaften von Biomolekülen helfen, die Möglichkeiten aber auch die Grenzen der Anwendungen der THz-Spektroskopie besser abszuschätzen.

Die Arbeit ist folgendermaßen strukturiert:

In Kapitel 1 werden die grundlegenden allgemeinen Aspekte der Schwingungsspektroskopie im fernen Infrarot wiederholt. In Kapitel 2 werden dann die theoretischen Grundlagen und speziellen technischen Konzepte der THz Zeit-Domänen-Spektroskopie erörtert.
Die folgenden vier Kapitel geben, auf einige ausgewählte Beispiele basierend, einen Überblick über die Möglichkeiten und das Potenzial der Fern-Infrarot-Spektroskopie an Biomolekülen. In Kapitel 3 werden die hohe Empfindlichkeit der spektralen Signaturen auf kleinste Änderungen der molekularen Struktur anhand der Spektren von Sacchariden und DNS-Bausteinen demonstriert. Die diesen spektralen Signaturen zugrunde liegenden molekularen Schwingungen sind das Thema des Kapitels 4. Um diese Schwingungen charakterisieren oder gar identifizieren zu können, verwenden wir verschiedene Ansätze wie beispielsweise den Vergleich der Spektren verschiedener ähnlicher Moleküle aber auch den Vergleich der experimentellen Daten mit berechneten Spektren. In Kapitel 5 demonstrieren wir, wie die Individualität der Spektren für eine kontaktfreie chemische Erkennung selbst durch Verpackungen hindurch genutzt werden kann. Die Bedeutung dieser Methode wird anhand der Auswahl der hier beispielshaft gezeigten Probenmaterialien deutlich: Die meisten Pharmazeutika, Sprengstoffe oder gar illegale Drogen zeigen solch charakteristische Spektren und können dadurch anhand dieser Methode identifiziert werden.
In Kapitel 6 befassen wir uns schließlich mit den Spektren größerer, komplexer Moleküle. Da in solchen Molekülen meist keine ausgeprägte langreichweitige Ordnung mehr vorliegt, sind die Spektren durch den Wegfall der intermolekularen Moden typischerweise weniger reich strukturiert. Teilweise kann sogar nur noch eine flache Absorptionskurve ohne jegliche spektrale Signaturen beobachtet werden. Wie wir jedoch in diesem Kapitel zeigen, kann eine genaue Untersuchung der Absorptinseigenschaften solcher Materialien genutzt werden, um verschiedene ähnliche Moleküle voneinander zu unterscheiden. Das ist insbesondere für medizintechnische Anwendungen wie beispielsweise eine Biochip-Analyse von großem Interesse.