基因突变检测对于生物医学应用是至关重要的,它可用于多种疾病的早期筛查、诊断及预后判断,尤其用于癌症研究分析。太赫兹波谱范围在电磁波谱的微波和红外区域之间,基因突变引起的DNA分子构象变化能级处于太赫兹波段,而细胞中生物分子的生物学功能密切相关的构象信息难以用现有的技术进行检测。太赫兹提供了其他光学、X射线以及核磁共振光谱技术中难以获得的信息。加之太赫兹辐射对生物体基本是无损伤的,所以近年来太赫兹技术迅猛进军生物医学领域,但是由于水对太赫兹波的强吸收,又遏制了太赫兹检测溶液中活性生物分子的构象变化。微纳结构与太赫兹技术的完美结合进一步推进了太赫兹检测活性生物分子的步伐。微纳结构能有效降低水对太赫兹波的吸收,增强生物分子的特征信号;同时仿真细胞为生物分子提供原生态微环境,消除传统的分子绑定引起的太赫兹信号改变。本论文利用太赫兹时域光谱(Terahertz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS)结合微纳生物传感芯片,检测液相环境中DNA分子的碱基变异。主要研究内容如下:(1)微纳结构构建生物分子的类细胞微环境受限体系。由于生物分子的太赫兹光谱特性,提出采用微纳结构构建生物分子的类细胞原生态微环境受限体系,研制了太赫兹微流控,太赫兹谐振环,太赫兹衰减全反射微流控等3种承载液相样品的太赫兹微纳生物传感芯片。分别讨论分析了以上3种太赫兹微纳生物传感芯片的理论设计,制备工艺和性能表征。以微纳结构实现传统太赫兹生物检测技术无法实现的功能,即在类细胞液相环境中对生物分子进行实时太赫兹光谱检测。提出微纳结构作为太赫兹波和生物分子之间的跨尺度桥梁,利用微纳结构进行太赫兹波的信号增强,打破水溶液强吸收干扰引起的技术壁垒,实现活性生物分子的构象分析和检测,为生命科学、药物开发等重大应用提供理论指导与技术手段。(2)太赫兹光谱检测实验与分子动力学理论相互验证。基因突变即为DNA分子碱基变异,所以碱基的光谱特征分析是研究基因突变的基础。论文首先探讨太赫兹时域光谱技术用于DNA、RNA碱基和稀有碱基的光谱检测的可行性。然后采用太赫兹时域光谱结合3种微纳生物传感芯片检测4种多碱基变异的DNA分子,比较分析3种微纳生物传感芯片的优缺点和其检测效果,同时采用分子动力学模拟方法研究了寡核苷酸与其周围水分子之间形成的氢键,阐释和验证了基因突变引起了DNA分子构象的改变,进而造成DNA分子周围水分子的变化。为太赫兹光谱与微纳生物传感芯片相结合用于DNA无标记检测奠定了基础。(3)太赫兹光谱应用于临床疾病初探。研究选取了具有重要医学及生物学意义的引起镰刀形细胞贫血症、血小板增多症的单碱基变异的DNA分子和由于碱基重复致病的典型病例亨丁顿舞蹈症基因等作为研究对象,将THz-TDS结合衰减全反射微流控检测应用于生物医学诊断研究,证实了太赫兹时域光谱应用于临床疾病检测的潜在价值。