酪氨酸的太赫兹频谱研究

利用太赫兹时域光谱技术探测了室温条件下的酪氨酸样品的频谱响应, 获得了酪氨酸的太赫兹频谱。实验结果表明,酪氨酸在太赫兹波段存在特征频谱响应,可以用来探测分子的结构和振动情况。在获得的太赫兹频谱中,首次观察到0.23和2.46 THz附近存在的吸收峰。用HF方法和DFT计算了酪氨酸单分子和酪氨酸二聚体的太赫兹频谱,对理论计算和实验测量的偏离进行了详细的分析。在0.23 THz处的吸收峰,初步标定为氢键连接的2个酪氨酸分子的面外摇摆振动。     

啶虫脒太赫兹光谱的实验研究和理论模拟

啶虫脒是一种氯吡啶类新烟碱类杀虫剂,由于其对昆虫烟碱乙酰胆碱受体的结合选择性而成为最常用的杀虫剂之一。为研究啶虫脒在太赫兹波段的指纹特征与其结构信息之间的关系,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术并结合密度泛函理论（DFT）对啶虫脒晶体的太赫兹吸收光谱进行了实验研究和理论模拟。利用THz-TDS技术测量了室温下啶虫脒在0.3～3.3 THz频段的特征吸收谱,发现啶虫脒晶体在该频段内有多处强度不同的特征吸收峰,分别位于1.08,1.38,1.97,2.54, 2.89 THz处,这些特征吸收峰构成了用于检测啶虫脒的THz指纹谱。为更好地理解啶虫脒太赫兹实验特征谱产生的理论机理,基于密度泛函理论分别对啶虫脒孤立分子模型和晶胞模型进行了理论模拟计算。单分子模型的理论计算在Gaussian09软件中进行,采用基于密度泛函理论的B3LYP杂化泛函方法,并选取6-311G（d, p）基组进行几何优化,并在相同水平上进行振动频率计算,模拟结果与实验数据存在一定的差异,说明单分子模拟存在一定的局限性。晶胞模型的理论计算在Materials Studio 8.0中适合计算周期性结构的CASTEP模块中进行, 采用基于平面波赝势和广义梯度近似(GGA)的PW91,PBE,PBEsol和WC四种交换相关泛函对啶虫脒晶胞模型进行几何优化和晶格动力学计算。将啶虫脒单分子和晶胞的理论模拟结构参数(键长、键角)分别与其X射线衍射(XRD)实验测量的结构参数进行了详细的比较分析,发现基于PBE方法获得的固态仿真结果中分子的结构参数与X射线衍射实验数据的一致性最好。同时用PBE方法获得的理论仿真谱与实验吸收谱也最为吻合。基于PBE的计算结果对实验特征吸收峰进行了振动模式指认。研究结果表明,啶虫脒晶体在太赫兹频段的特征吸收主要来源于晶体中以C-H…N氢键为主的分子间弱相互作用带动的集体振动模式,以及由分子内吡啶环的平动和甲基基团的扭动所引发的骨架振动。     

烟酸和烟酰胺及烟碱的太赫兹光谱研究

研究了室温条件下结构相似的烟酸和烟酰胺以及烟碱的太赫兹光谱。测量了它们的时间分辨光谱,通过傅里叶变换获得了它们的频谱,从而得到了频谱响应和折射率色散关系。实验结果表明, 烟碱在太赫兹波段无明显的特征频谱响应,而烟酸和烟酰胺在太赫兹波段存在明显的特征频谱响应。用密度泛函理论(DFT)计算了烟酸和烟酰胺的太赫兹频谱,对它们的吸收峰产生的原因做了初步分析,认为烟酸吸收峰的产生是由于分子内部的扭转和摇摆所造成的,而烟酰胺的吸收峰(除1.93 THz以外)是由于分子间的相互作用和光声子模式而造成的。结果表明,数值模拟和实验结果相结合,可以用来分析烟酸和烟酰胺的分子结构和分子振动模式。     

β-D-吡喃半乳糖的太赫兹光谱研究

为深入了解β-D-吡喃半乳糖在太赫兹波段的光谱特性, 利用太赫兹时域光谱技术测量了室温下β-D-吡喃半乳糖晶体在0.3～3.0 THz范围内的吸收谱及折射率谱, 同时利用傅里叶变换红外光谱技术获得了半乳糖在1.5～19.5 THz之间的吸收谱。实验研究的同时, 运用密度泛函理论和6-311+G**基组计算了气态孤立β-D-吡喃半乳糖分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率, 并据此对实验光谱吸收峰进行了指认。研究结果表明, 除了因为分子间效应而导致的少许偏移外, 理论计算结果与实验数据吻合得很好; 实验光谱在6 THz以上频段的共振吸收峰来源于明确的分子内振动模式, 而6 THz以下低频段的共振吸收峰则主要来源于分子间氢键或晶体的声子模式。实验和理论研究的对比表明物质的远红外吸收特征对于分子的结构和空间排列非常敏感。     

除虫脲和高效氯氟氰菊酯的太赫兹光谱及密度泛函理论研究(英文)

利用太赫兹时域光谱技术及密度泛函理论对两种常用的卫生杀虫剂除虫脲和高效氯氟氰菊酯的低频振动光谱进行了研究。室温下观测到两种物质在0.2～2.2THz内的实验谱分别有5和7个吸收峰,可作为其在THz波段的指纹谱用于分子识别。为了深入理解太赫兹吸收峰的振动特性,我们采用Gaussi-an03和CRYSTAL09软件分别进行了单分子和晶体的密度泛函理论模拟。晶体模拟结果预测出两种物质在0.2～2.2THz实验谱中所有的吸收峰,明显优于单分子模拟结果。最后通过晶体密度泛函理论模拟的简正模式分析获得不同吸收峰处的振动模式归属。结果证明太赫兹光谱技术在农药分子识别以及晶体密度泛函理论模拟在太赫兹吸收峰指认和振动模式归属方面的可行性。     

Terahertz spectroscopy applied to the analysis of artists’ materials

Terahertz (THz) spectroscopy and imaging have been actively studied in these decades. THz waves (0.1–10 THz) are non-invasive, can penetrate opaque materials, and can be used to obtain fingerprint spectra whose characteristics depend upon molecular and intermolecular behavior. Unlike the mid-infrared region, no commercial spectral library is available for the THz region. Consequently, a spectral database of artists’ materials was developed in order to include THz spectroscopy among conservation science techniques. Most pigments and some synthetic polymers have characteristic fingerprint spectra in the THz region. With this technique most of these materials used in paintings can be identified alone or as paint, a combination of pigments and binders. Although the meaning of the spectral features has so far not been fully explained, previous studies on optical materials suggest that phonon absorption and the behavior of hydrogen bonds contribute to their spectral features. Examples of THz spectra of various art materials are discussed on the basis of measurements obtained using a conventional Fourier transform system.     

生物素和吡哆素的太赫兹光谱特性研究

采用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)和密度泛函理论(DFT)研究了常温环境下生物素和吡哆素两种维生素的太赫兹光谱特性,测量和理论分析的结果显示在太赫兹范围内,维生素分子内存在较强的分子内和分子间相互作用力。实验中样品与聚乙烯粉末按照不同的比例进行混合,结果表明样品所含比例越大,其在高频段的吸收谱重复性越差,这证实了维生素样品的吸收率随着频率升高逐渐增加。采用密度泛函理论(DFT)分析了生物素和吡哆素的单分子、二分子、三分子、以及晶胞分子的太赫兹光谱,指证了对应的吸收峰,阐明了分子内和分子间相互作用力的振动和转动机制。     

硫代巴比妥酸多晶型的太赫兹光谱和DFT理论分析

硫代巴比妥酸是目前多晶型种类较丰富的一类固体药物。利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对硫代巴比妥酸晶型Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ和水合晶型进行表征分析,得到明显不同的太赫兹光谱,表明THz光谱技术可以有效鉴别硫代巴比妥酸不同类多晶型。硫代巴比妥酸晶型Ⅳ为异构多晶型,它在0.65 THz处的宽峰以及1.02,1.41 THz处的吸收峰明显区别于晶型Ⅰ和Ⅱ简单的物理混合。运用密度泛函理论(DFT)对硫代巴比妥酸晶型Ⅳ的两种可能结构进行了分子结构优化和光谱模拟,模拟结果显示其中的结构a在0.41/0.47,0.89和1.35 THz处具有吸收峰,与实验结果较吻合。由此推断晶型Ⅳ由硫代巴比妥酸异构体A的硫酮键中的S7和异构体B酰胺中的H23构成第一处氢键,异构体B硫酮键中的S20和异构体A酰胺中的H13形成第二处氢键。本文还结合理论模拟结果对硫代巴比妥酸晶型Ⅳ的振动模式进行归属。     

有机官能团的太赫兹光谱特征研究

采用傅里叶远红外光谱仪(FTIR),在室温条件下测量了多种饱和直链有机小分子的太赫兹光谱。测试结果显示,有机官能团的差异导致有机物的太赫兹光谱特征显著不同。其中,有机物的晶格振动吸收峰和分子间氢键的振动吸收峰分别位于太赫兹高频和低频波段。而且,饱和直链一元醇的—OH官能团产生的分子间氢键的特征峰位于57 cm-1,而三十烷酸的—COOH官能团产生的分子间氢键的特征峰则位于74 cm-1。分子间氢键使三十烷醇和三十烷酸对太赫兹辐射的吸收能力明显地强于三十烷烃。相比于三十烷醇,三十烷酸的太赫兹特征峰还发生有规律的红移和蓝移现象。此外,还采用密度泛函理论B3LYP/6-311G(d, p)基组对饱和直链烷烃、烷醇和烷酸的太赫兹光谱进行了仿真计算,发现分子间氢键作用越强的有机物的单体分子的仿真结果与实测光谱的吻合程度越低。二聚体结构的仿真结果与实测光谱的吻合程度明显地高于单分子结构。研究结果对利用FTIR研究其他有机官能团的太赫兹光谱特征、探索有机分子内部的振动模式、探究有机物太赫兹响应的物理原理及器件应用等具有重要意义。     

持久性有机物硫丹的太赫兹光谱研究

以最新被斯德哥尔摩公约列入持久性有机污染物的硫丹为研究对象,采用太赫兹时域光谱技术获得了α硫丹在0.2～2THz频率范围内的吸收系数谱和折射率谱,结果显示在此频率范围内存在有一系列特征吸收峰,并且通过实验和理论计算对比发现在1.70和1.88THz处的实验吸收峰与1.68和1.91THz处的理论吸收峰有很好的吻合;经分析认为,这吻合峰是由于分子内集体振动引起的,实验中的其他峰值可能归因子分子间弱相互作用力和混合振动。研究结果证明了THz-TDS技术进行持久性有机物检测的可行性,为THz-TDS系统在持久性有机物识别和残留物检测方面的应用提供了依据。     

马来酰肼多形态的太赫兹光谱研究

分子的多形态(多晶型)是指化学组成相同但存在不止一种晶体形式的物质.这些多形态广泛存在于自然界中,其中药物的多形态尤其普遍.这些药物多形态虽然具有相同的化学分子组成,但其理化性质却存在差异,最终会导致药物作用功能的不同.近年来,随着太赫兹(THz)辐射源的产生方式成为一种常规技术后,太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)...     

有机磷农药甲基对硫磷的太赫兹(THz)光谱研究

运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)与理论模拟相结合的方法研究了有机磷农药甲基对硫磷在THz波段的光谱特性。在室温氮气环境中得到了样品在0.2～2.0 THz波段的吸收谱和折射率谱。表明其特征吸收峰分别位于0.65,1.33,1.81和1.91 THz处,其平均折射率为1.39。同时运用密度泛函理论(DFT)计算了甲基对硫磷分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,计算结果与实验数据吻合较好。研究结果表明,实验光谱的特征吸收峰是由分子的集体振动及扭转形成,不同的吸收峰位对应分子不同的振转模式。     

太赫兹成像技术对玉米种子的鉴定和识别

利用太赫兹时域光谱(THz_TDS)测试技术及透射式太赫兹逐点扫描成像技术分别对几种玉米种子DNA和胚的样品进行了光谱和成像测量;利用空间图样成份分析(component spatial pattern analysis)方法对得到的THz像进行识别运算。实验结果表明,几种样品在THz波段都有不同的吸收特性,但都没有明显的吸收峰,不能利用“特征指纹谱”进行识别。用基于THz扫描成像的空间图样成份分析方法能很好地实现不同玉米种子DNA样品的鉴定和识别。与现有的THz图像识别方法相比,这个方法只需要THz像的实验数据和样品的吸收谱信息,不需要样品的其它特征。这项研究为进一步利用THz成像技术实现无损检测、安全检查、质量监测等提供了依据,具有实际应用价值。     

食用香料的太赫兹时域光谱

食用香料是人们在烹饪过程中必不可少的调味品,对食用香料的鉴别和食用安全性检测也尤为重要.本文利用太赫兹时域光谱技术对食用香料进行测试,得到了黑胡椒、白胡椒、花椒、大料、姜粉、甘草、香叶以及五香粉、十三香等香料在太赫波段的吸收谱和折射率谱.结果表明,不同种类的香料都有其独特的特征吸收光谱,样品的吸收谱在0.2～1.25THz频段内以不同的斜率单调递增,在1.25～2.0THz频段呈现出不同的吸收峰.样品的折射率值在1.3～1.8之间变化,并且,样品的折射率在其吸收峰所对应的频率处出现了反常色散.通过对吸收系数的斜率、峰值位置以及折射率进行定标分析,太赫兹时域光谱技术可以用于不同种香料的定性检测.实验数据为食用香料的鉴别提供了依据,可以用于建立食用香料的太赫兹波谱数据库.     

结构相似单糖和二糖分子的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合密度泛函理论(DFT)对两种结构相似的典型单糖和二糖物质(D-葡萄糖和乳糖一水化合物)在0.3~1.7 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了实验与理论模拟研究。首先,利用THz-TDS技术分别测量了D-葡萄糖和乳糖一水化合物在0.3~1.7 THz频段的太赫兹特征吸收谱,获得了它们在此太赫兹频率范围内的指纹光谱数据,发现虽然乳糖的组成结构中含有葡萄糖,但THz-TDS技术对糖类分子的结构变化非常敏感,两种物质在所测太赫兹频段内分别表现出各自不同的太赫兹指纹吸收特性。然后,利用DFT方法分别对两种糖类物质单分子和多分子构型的低频集体振动模式进行了理论模拟计算,获得了D-葡萄糖晶胞构型和乳糖一水化合物单分子及晶胞构型的DFT模拟计算结果,并通过简正振动模式分解的PED分析方法,结合GaussView显示的分子振动形式,对两种糖类物质在太赫兹频段吸收峰的简正振动模式进行了指认,发现乳糖一水化合物的振动模式与羟基(-OH)、羟甲基(-CH₂OH)和糖苷键的振动模式密切相关,且D-葡萄糖在1.44 THz处及乳糖一水化合物在1.38 THz处出现的吸收峰主要是由分子间的相互作用(氢键和范德华力),尤其是相互作用较强的氢键引起。最后,利用约化密度梯度(RDG)分析,可视化地分析了D-葡萄糖和乳糖一水化合物分子间相互作用的位置、类型和强度,进一步证明了两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间氢键网络支配的集体振动模式。研究结果表明,THz-TDS技术对糖类分子结构的细微变化有着敏锐的感知,虽然D-葡萄糖和乳糖一水化合物的分子结构相似,但太赫兹波对它们之间的结构差异十分敏感,两者在太赫兹波段的特征吸收谱表现出明显差异,这为THz-TDS技术结合DFT方法对糖类物质进行检测识别以及研究糖类分子间的相互作用提供了有价值的实验和理论参考。     

和田玉的太赫兹光谱研究

用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究材料的光学性质是太赫兹应用领域的一个研究热点,国内已经在毒品,爆炸物的无损检测,有机物大分子的识别方面取得了大量成果。文章结合THz-TDS技术的特点及其在物质成分识别方面的应用,测得三种和田玉(羊脂白玉,青花玉,青玉)在0.2~2.6 THz的吸收系数和折射率曲线,不同种类的和田玉吸收系数差别很大,折射率在0.2~2.6 THz波段为2.4~2.7。实验结果初步说明,通过太赫兹波段的吸收谱和折射率的特征差异与种类之间的关系判断和田玉的种类是可行的,为无损和田玉种类鉴别提供一种新型的方法。     

组氨酸和精氨酸的太赫兹光谱研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)测试和理论模拟相结合的方法，研究了组氨酸和精氨酸在THz波段的光谱特性.THz-TDS测试的有效光谱范围为0.2—2.8 THz，在该波段得到样品的特征吸收峰分别位于0.88，1.64，2.23 THz(组氨酸)和0.99，1.47，2.60 THz(精氨酸)；运用Gaussian03半经验理论PM3和AM1算法，计算了两种分子在0.1—10.0 THz波段的振动吸收谱，结果表明它们在该波段均具有多个特征吸收，其中在0.2—2.8 THz波段的吸收峰位与实验吸收峰位相互对应并且符合较好；给出了与光谱特征吸收对应的分子振转模型，为认识分子对THz波的响应机制提供了帮助，也为分子鉴别及更宽有效光谱区的实验测试研究提供了科学依据. 关键词： 太赫兹(THz) 半经验理论 THz时域光谱 氨基酸     

苯甲酸与苯甲酸钠的太赫兹光谱和振动模式分析

采用太赫兹时域光谱技术测量了苯甲酸及其钠盐苯甲酸钠在8～115 cm-1的特征吸收光谱,分析总结了苯甲酸实测特征吸收峰的归属,并利用密度泛函理论对苯甲酸钠进行了结构优化和振动模式计算。结果表明：利用苯甲酸和苯甲酸钠在太赫兹波段的特征吸收谱完全可以辨识这两种性状相似的物质;导致苯甲酸钠和苯甲酸太赫兹特征吸收谱存在差异的根本原因是苯甲酸钠的离子键影响了分子内共价键的键长和原子间的键角以及其在晶胞内分子间的相互作用和排列组成;除了苯甲酸的107 cm-1和苯甲酸钠的54 cm-1 吸收峰,苯甲酸和苯甲酸钠的其余实测特征吸收峰均来源于分子的集体振动。     

DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术获得了DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶在0.1―3.5 THz的特征吸收谱,发现胞嘧啶在2.53 THz的特征吸收细节信息。采用考虑了周期性边界条件的赝势平面波密度泛函方法对胞嘧啶分子晶体进行了结构优化和晶格动力学计算,模拟重现其太赫兹特征吸收光谱,并成功辨识了胞嘧啶在0.1―3.5 THz的所有特征吸收峰。研究结果表明,这些重要的生物分子在太赫兹频段表现出鲜明的光谱特性,胞嘧啶分子3.5 THz以下的吸收特性均来源于由分子间氢键支配的外振动模式。     

THz wave sensing for petroleum industrial applications

We present the results of terahertz (THz) sensing of gasoline products. The frequency-dependent absorption coefficients, refractive indices, and complex dielectric constants of gasoline and xylene isomers were extracted in the spectral range from 0.5–3.0 THz. The THz spectra of gasoline (#87, #89, #93) and related BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) compounds were studied by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) in the 1.5–20 THz (50–660 cm⁻¹). The xylene isomers, which are used as antiknock agent in gasoline were determined quantitatively in gasoline in the THz range. Our investigations show the potential of THz technology for the petroleum industrial applications.