Applications of terahertz spectroscopy in biosystems

ChemPhysChem

Volumn 8, Issue 17, 2007, Pages 2412-2431

  Plusquellic, David F ^a   Siegrist, Karen ^a   Heilweil, Edwin J ^a   Esenturk, Okan ^a  

^a NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY   (United States)

Author keywords

Biophysics; Density functional calculations; Structure elucidation; Terahertz spectroscopy; Vibrational spectroscopy

Indexed keywords

BIOPHYSICS; BOUNDARY LAYERS; CONFORMATIONS; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; PROTEINS; VIBRATIONAL SPECTROSCOPY; WATER ABSORPTION;

BIOLOGICAL STRUCTURES; CONFORMATIONAL FLEXIBILITY; CONFORMATIONAL SPACE; PICOSECOND TIME SCALE; REORIENTATION DYNAMICS; SPECTROSCOPIC INVESTIGATIONS; STRUCTURE ELUCIDATION; VIBRATIONALLY RESOLVED;

TERAHERTZ SPECTROSCOPY;

EID: 36849032944     PISSN: 14394235     EISSN: 14397641     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/cphc.200700332     Document Type: Review

References (124)

1. R. H. Callender, R. B. Dyer, R. Gilmanshin, W. H. Woodruff, Annu. Rev. Phys. Chem. 1998, 49, 173.
2. W. A. Eaton, V. Munoz, S. J. Hagen, G. S. Jas, L. J. Lapidus, E. R. Henry, J. Hofrichter, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2000, 29, 327.
3. S. Takahashi, S. R. Yeh, T. K. Das, C. K. Chan, D. S. Gottfried, D. L. Rousseau, Nat. Struct. Biol. 1997, 4, 44.
4. D. M. Leitner, M. Havenith, M. Gruebele, Int. Rev. Phys. Chem. 2006, 25, 553.
5. A. G. Markelz, A. Roitberg, E. J. Heilweil, Chem. Phys. Lett. 2000, 320, 42.
6. R. Nossal, H. Lecar, Molecular and Cell Biophysics, 1st ed., Addison-Wesley, Redwood City, 1991.
7. K. Yamamoto, K. Tominaga, H. Sasakawa, A. Tamura, H. Murakami, H. Ohtake, N. Sarukura, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2002, 75, 1083.
8. J. T. Kindt, C. A. Schmuttenmaer, J. Phys. Chem. 1996, 100, 10 373.
9. B. S. Hudson, J. Phys. Chem. A 2001, 105, 3949.
10. A. S. Pine, R. D. Suenram, E. R. Brown, K. A. McIntosh, J. Mol. Spectrosc. 1996, 175, 37.
11. D. F. Plusquellic, T. M. Korter, G. T. Fraser, R. J. Lavrich, E. C. Benck, C. R. Bucher, J. Domench, A. R. Hight Walker in Terahertz Sensing Technology. Vol. 2: Emerging Scientific Applications and Novel Device Concepts (Eds.: D. L. Wollard, W. R. Loerop, M. S. Shur), World Scientific, New Jersey, 2003, p. 385.
12. T. M. Korter, D. F. Plusquellic, Chem. Phys. Lett. 2004, 385, 45.
13. K. A. McIntosh, E. R. Brown, K. B. Nichols, O. B. McMahon, W. F. DiNatale, T. M. Lyszczarz, Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3844.
14. C. Kadow, S. B. Fleischer, J. P. Ibetzon, J. E. Bowers, A. C. Gossard, J. W. Dong, C. J. Palmstrom, Appl. Phys. Lett. 1999, 75, 3548.
15. M. C. Beard, G. M. Turner, C. A. Schmuttenmaer, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7146.
16. O. Esenturk, A. Evans, E. J. Heilweil, Chem. Phys. Lett. 2007, 442, 71.
17. Certain commercial equipment, instruments, or materials are identified in this paper to adequately specify the experimental procedure. In no case does identification imply recommendation or endorsement by NIST, nor does it imply that the materials or equipment identified are necessarily the best available for the purpose.
18. G. M. Day, J. A. Zeitler, W. Jones, T. Rades, P. F. Taday, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 447.
19. R. Dovesi, V. R. Saunders, C. Roetti, R. Orlando, C. M. Zicovich-Wilson, F. Pascale, B. Civalleri, K. Doll, N. M. Harrison, I. J. Bush, Ph. D'Arco, M. Llunell, See: http://www.crystal.unito.it/.
20. G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B 1999, 59, 1758.
21. S. J. Clark, M. D. Segall, C. J. Pickard, P. J. Hasnip, M. J. Probert, K. Refson, M. C. Payne, Z. Kristallogr. 2005, 220, 567.
22. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B.Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, V. G. Zakrzewski, J. A. Montgomery, Jr., R. E. Stratmann, J. C. Burant, S. Dapprich, J. M. Millam, A. D. Daniels, K. N. Kudin, M. C. Strain, O. Parkas, J. Tomasi, V. Barone, M. Cossi, R. Cammi, B. Mennucci, C. Pomelli, C. Adamo, S. Clifford, J. Ochterski, G. A. Petersson, P. Y. Ayala, Q. Cui, K. Morokuma, P. Salvador, J. J. Dannenberg, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. Cioslowski, J. V. Ortiz, A. G. Baboul, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. Gomperts, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, J. L. Andres, C. Gonzalez, M. Head-Gordon, E. S. Replogle, J. A. Pople, Gaussian 98 (Revision A.11.3), Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2001.
23. See: http://webbook.nist.gov/chemistry.
24. A. D. MacKerell, N. Banavali, N. Foloppe, Biopolymers 2000, 56, 257.
25. B. R. Brooks, R. E. Bruccoleri, B. D. Olafson, D. J. States, S. Swaminathan, M. Karplus, J. Comput. Chem. 1983, 4, 187.
26. R. B. Gerber, C. M. Chaban, S. K. Gregurick, B. Brauer, Biopolymers 2003, 68, 370.
27. S. K. Gregurick, S. A. Kafafi, J. Carbohydr. Chem. 1999, 18, 867.
28. M. M. Harding, H. A. Long, Acta Crystallogr. Sect. B 1968, 24, 1096.
29. B. Khawas, Acta Crystallogr. Sect. B 1971, 27, 1517.
30. T. J. Kistenmacher, G. A. Rand, R. E. Marsh, Acta Crystallogr. Sect. B 1974, 30, 2573.
31. C. H. Görbitz, B. Dalhus, Acta Crystallogr. Sect. C 1996, 52, 1756.
32. M. N. Frey, M. S. Lehman, T. F. Koetzle, W. C. Hamilton, Acta Crystallogr. Sect. B 1973, 29, 876.
33. K. A. Kerr, J. P. Ashmore, T. F. Koetzle, Acta Crystallogr. Sect. B 1975, 31, 2022.
34. P. Ewald, Ann. Phys. 1921, 64, 253.
35. U. Essmann, L. Perera, M. L. Berkowitz, T. Darden, H. Lee, L. G. Pedersen, J. Chem. Phys. 1995, 103, 8577.
36. W. A. Majewski, J. F. Pfanstiel, D. F. Plusquellic, D. W. Pratt, Laser Techniques in Chemistry, Vol. XXIII (Eds.: A. B. Myers, T. R. Rizzo), Wiley, New York, 1995, pp. 101-148;
37. D. F. Plusquellic, R. D. Suenram, B. Mate, J. O. Jensen, A. C. Samuels, J. Chem. Phys. 2001, 115, 3057.
38. R. Car, M. Parrinello, Phys. Rev. Lett. 1985, 55, 2471.
39. N. Trouiller, J. L. Martins, Phys. Rev. B 1991, 43, 1943.
40. L. Kleinman, D. M. Bylander, Phys. Rev. Lett. 1982, 48, 1425.
41. R. Resta, Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 800.
42. D. A. McQuarrie, Statistical Mechanics, Harper-Collins, New York, 1976.
43. B. Delley, J. Chem. Phys. 2000, 113, 7756.
44. J. P. Perdew, Y. Wang, Phys. Rev. B 1992, 45, 13 244.
45. O. Esenturk, B. Sheinman, E. J. Heilweil, unpublished results.
46. F. H. Herbstein, M. Kapon, Acta Crystallogr. Sect. B 1990, 46, 567.
47. J. Melinger, N. Laman, S. Sree Harsha, D. Grischkowsky, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 251 110.
48. M. Kutteruf, C. Brown, L. Iwaki, M. Campbell, T. A. Korter, E. J. Heilweil, Chem. Phys. Lett. 2003, 375, 337.
49. T. M. Korter, R. Balu, M. B. Campbell, M. C. Beard, S. K. Gregurick, E. J. Heilweil, Chem. Phys. Lett. 2006, 418, 65.
50. R. Rungsawang, Y. Ueno, I. Tomita, K. Ajito, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21 259.
51. M. Yamaguchi, F. Miyamaru, K. Yamamoto, M. Tani, M. Hangyo, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 053 903.
52. B. M. Fischer, M. Franz, D. Abbott, Proceedings of SPIE: Biomedical Applications of Micro- and Nanoengtneering III, 2006, 6416, 64 160U.
53. R. Balu, S. K. Gregurick, E. J. Heilweil, unpublished results.
54. C. H. Görbitz, Acta Crystallogr. Sect. B 2002, 58, 849.
55. C. H. Görbitz, New J. Chem. 2003, 27, 1789.
56. C. H. Görbitz, E. Gundersen, Acta Crystallogr. Sect. C 1996, 52, 1764.
57. "New Approaches in Biomedical Spectroscopy": K. Siegrist, C. R. Bucher, C. Pfefferkorn, A. Schwarzkopf, D. F. Plusquellic, ACS Symp. Ser. 2007, 963, 280.
58. K. Siegrist, D. F. Plusquellic, unpublished results.
59. R. Mendis, D. Grischkowsky, Opt. Lett. 2001, 26, 846.
60. J. Zhang, D. Grischkowsky, Opt. Lett. 2004, 29, 1617.
61. N. Laman, S. Sree Harsha, D. Grischkowsky, J. S. Melinger, Conference on Lasers and Electro-Optics 2007, OSA Technical Digest CD-ROM, paper CFS4.
62. D. F. Plusquellic, I. Kleiner, J. Demaison, R. D. Suenram, R. J. Lavrich, F. J. Lovas, G. T. Fraser, V. V. Ilyushin, J. Chem. Phys. 2006, 125, 104 312.
63. R. J. Lavrich, A. R. Hight Walker, D. F. Plusquellic, I. Kleiner, R. D. Suenram, J. T. Hougen, G. T. Fraser, J. Chem. Phys. 2003, 119, 5497.
64. R. J. Lavrich, D. F. Plusquellic, R. D. Suenram, G. T. Fraser, A. R. Hight Walker, M. J. Tubergen, J. Chem. Phys. 2003, 118, 1253.
65. D. F. Plusquellic, D. W. Pratt, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 7391.
66. K. Siegrist, C. R. Bucher, I. Mandelbaum, A. R. Hight Walker, R. Balu, S. K. Gregurick, D. F. Plusquellic, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 5764.
67. A. Hempel, N. Camerman, A. Camerman, Biopolymers 1991, 31, 187;
68. J. K. Fawcett, N. Camerman, A. Camerman, Acta. Crystallogr. Sect. B. 1975, 31, 658.
69. M. Yamaguchi, K. Yamamoto, M. Tani, M. Hangyo, IEEE Conference Proceedings on Biological and Medical Applications, Ultrafast Chemistry and Physics, 13th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves 2005, WB3-3, 477.
70. W. Qian, J. Bandekar, S. Krimm, Biopolymers 1991, 31, 193.
71. Z. Bihary, R. B. Gerber, J. Chem. Phys. 2001, 115, 2695.
72. B. M. Fischer, M. Walther, P. U. Jepsen, Phys. Med. Biol. 2002, 47, 3807.
73. B. Fischer, M. Hoffmann, H. Helm, G. Modjesch, P. Uhd Jepsen, Semi cond. Sci. Technol. 2005, 20, S246.
74. Y. C. Shen, P. C. Upadhya, E. H. Linfield, A. G. Davies, Vib. Spectrosc. 2004, 35, 111.
75. M. Walther, B. M. Fischer, P. Uhd Jepsen, Chem. Phys. 2003, 288, 261.
76. Y. C. Shen, P. C. Upadhya, E. H. Linfield, Appl. Phys. Lett. 2003, 82 2350.
77. Y. C. Shen, P. C. Upadhya, E. H. Linfield, Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 011 105.
78. J. Kröll, J. Darmo, K. Unterrainer, Vib. Spectrosc. 2007, 43, 324.
79. P. C. Upadhya, Y. C. Shen, A. G. Davies, E. H. Linfield, Vib. Spectrosc. 2004, 35, 139.
80. S. Saito, T. M. Inerbaev, H. Mizuseki, N. Igarashi, R. Note, Y. Kawazoe, Chem. Phys. Lett. 2006, 423, 439.
81. M. Hineno, Carbohydr. Res. 1977, 56, 219.
82. H.-B. Liu, X.-C. Zhang, Chem. Phys. Lett. 2006, 429, 229.
83. M. Walther, P. Plochocka, B. M. Fischer, H. Helm, P. U. Jepsen, Biopolymers 2002, 67, 310.
84. H. R. Zelsmann, Z. Mielke, Chem. Phys. Lett. 1991, 186, 501.
85. S. Saito, T. M. Inerbaev, H. Mizuseki, N. Igarashi, Y. Kawazoe, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 2006, 45, 4170.
86. K. Kawase, Y. Ogawa, Y. Watanabe, H. Inoue, Opt. Express 2003, 11, 2549.
87. T. Watanabe, K. Kawase, T. Ikari, H. Ito, Y. Ishikawa, H. Minanide, Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 800.
88. J. A. Zeitler, K. Kogermann, J. Antanen, T. Rades, P. F. Taday, M. Pepper, J. Aaltonen, C. J. Strachan, Int. J. Pharm. 2007, 334, 78.
89. D. G. Allis, A. M. Fedor, T. M. Korter, J. E. Bjarnason, E. R. Brown, Chem. Phys. Lett. 2007, 440, 203.
90. B. Dalhus, C. H. Gorbitz, Acta Chrystallogr. Sect. C 1996, 52, 1759.
91. B. Dawson, A. Mathieson, Acta Chrystallogr. 1951, 4, 475.
92. W.-Q. Wan, Y. Gong, Z.-M. Wang, C.-H. Yan, Chin. J. Struct. Chem. 2003, 22, 539.
93. B. Dalhus, C. H. Gorbitz, Acta Chem. Scand. 1996, 50, 544.
94. W. Q. Wang, Y. Gong, Z. Liang, F. L. Sun, D. X. Shi, H. J. Gao, X. Lin, P. Jiang, Z. M. Wang, Surf. Sci. 2002, 512, 379.
95. K. Tori, Y. Iitaka, Acta Crystallogr. Sect. B 1970, 26, 1317.
96. A. Wittlin, L. Genzel, F. Kremer, S. Haseler, A. Poglitsch, Phys. Rev. A 1986, 34, 493.
97. B. M. Fischer, M. Hoffmann, H. Helm, R. Wilk, F. Rutz, T. Kleine-Ostmann, M. Koch, P. U. Jepsen, Opt. Express 2005, 13, 5205.
98. T. Globus, D. L. Woolard, A. C. Samuels, B. L. Gelmont, J. Hesler, T. W. Crowe, M. Bykhovskaia, J. Appl. Phys. 2002, 91, 6105.
99. T. Globus, M. Bykhovskaia, D. Woolard, B. Gelmont, J. Phys. D 2003, 36, 1314.
100. M. Brucherseifer, M. Nagel, P. H. Bolivar, H. Kurz, Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 4049.
101. M. Nagel, F. Richter, P. H. Bolivar, H. Kurz, Phys. Med. Biol. 2003, 48, 3625.
102. T. Globus, R. Parthasarathy, T. Khromova, D. Woolard, N. Swami, A. J. Gatesman, J. Waldman, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 2004, 5584.
103. R. Parthasarathy, T. Globus, T. Khromova, N. Swami, D. L. Woolard, Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 113 901.
104. T. Globus, D. L. Wollard, T. W. Crowe, T. Khromova, B. Gelmont, J. Hesler, J. Phys. D 2006, 39, 3405.
105. A. G. Markelz, A. Roitberg, E. J. Heilweil, Chem. Phys. Lett. 2000, 320, 42.
106. M. Walther, B. Fischer, M. Schall, H. Helm, P. U. Jepsen, Chem. Phys. Lett. 2000, 332, 389.
107. A. Markelz, S. Whitmire, J. Hillebrecht, R. Birge, Phys. Med. Biol. 2002, 47, 3797.
108. S. E. Whitmire, D. Wolpert, A. G. Markelz, J. R. Hillebrecht, J. Galan, R. R. Birge, Biophys. J. 2003, 85, 1269.
109. J.-Y. Chen, J. R. Knab, J. Cerne, A. Markelz, Phys. Rev. E 2005, 72, 040 901R.
110. J. Knab, J.-Y. Chen, A. Markelz, Biophys. J. 2006, 90, 2576.
111. U. Heugen, G. Schwaab, E. Bründermann, M. Heyden, X. Yu, D. M. Leitner, M. Havenith, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 12 301.
112. E. Bründermann, D. R. Chamberlin, E. E. Haller, Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2757.
113. C. Zhang, S. M. Durbin, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 23 607.
114. C. Zhang, E. Tarhan, A. K. Ramdas, A. M. Weiner, S. M. Durbin, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10 077.
115. S. Bone, R. Pethig, J. Mol. Biol. 1982, 157, 157;
116. S. Bone, R. Pethig, J. Mol. Biol. 1985, 181, 323.
117. J. Xu, K. Plaxco, S. J. Allen, Protein Sci. 2006, 15 1175.
118. J. Xu, K. Plaxco, S. J. Allen, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 24 255.
119. H. W. T. van Vlijmen, M. Karplus, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 3009.
120. B. C. Dian, A. Longarte, S. Mercier, D. A. Evans, D. J. Wales, T. S. Zwier, J. Chem. Phys. 2002, 117, 10 688.
121. W. Chin, F. Piuzzi, I. Dimicoli, M. Mons, Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 1033.
122. D. Reha, H. Valdes, J. Vondrasek, P. Hobza, A. Abu-Riziq, B. Crews, M. S. de Vries, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6803.
123. M. Gerhards, C. Unterberg, A. Gerlack, A. Jansen, Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 2682.
124. A. Abo-Riziq, L. Grace, E. Nir, M. Kabelac, P. Hobza, M. S. de Vries, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 20.