宽频段太赫兹光谱技术的抗坏血酸和硫胺素研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR),测量了L-抗坏血酸与硫胺素在0.10~3.50 THz的光谱特性。给出了两种维生素的分子模型,详细分析比较了抗坏血酸与硫胺素在两种方法测量下吸收光谱的异同。结果表明：利用太赫兹时域光谱和傅里叶红外光谱测得的特征吸收谱在0.70~3.00 THz完全吻合,而在较低频段0.30~0.50 THz,两种样品的傅里叶红外光谱展现了太赫兹时域光谱所没有的特征峰,同时硫胺素样品在8.00~12.00 THz范围内,8.75,8.85,9.00,9.30和10.30 THz出现指纹峰;研究了样品掺杂不同比例聚乙烯粉末时THz吸收光谱的差异,抗坏血酸对太赫兹吸收较弱,总结了两种维生素的折射率曲线与其吸收峰的对应关系;结果对抗坏血酸和硫胺素的分析识别以及维生素太赫兹光谱数据库的建立具有重要参考意义。     

太赫兹技术对二甲基苯甲酸六种同分异构体的识别

选取了在化工、医药生产中常见的中间体——二甲基苯甲酸作为研究对象,利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统研究了室温条件下,二甲基苯甲酸的六种同分异构体在太赫兹波段的吸收光谱。实验结果表明,在0.2～2.2 THz波段范围内,六种物质的特征频谱响应有非常明显的区别,而红外光谱仪的测量结果则显示,在1 450～1 700 cm-1波段范围内不同的异构体表现出相似的吸收特征。利用密度泛函理论(DFT)对六种物质的吸收频谱进行计算,并对它们的吸收峰产生的原因进行分析,可知在1 450～1 700 cm-1范围内六种物质的吸收峰均是由苯环的骨架伸缩振动和羧基上CO的伸缩振动引起的,而在0.2～2.2 THz波段,由于六种物质分子中整个苯环与相对位置不同的三个支链之间存在面外相对摆动,造成了集体振动模式的差异,从而表现出不同的吸收特征。通过分析发现,六种样品在两个频率范围分别表现出的差异和相似的吸收特征,源于其分子结构间的差异性和相似性,而利用太赫兹波段吸收特征的差异,可以实现对二甲基苯甲酸六种同分异构体的鉴别。上述研究结果表明,利用太赫兹和红外光谱技术研究同分异构体光谱特性的差异性和相似性是可行的,也为快速鉴别二甲基苯甲酸异构体种类和检测该化工中间体的纯度提供了一条有效的途径。     

聚酰胺66的太赫兹光谱特性与分子振动特征研究

针对太赫兹技术在材料特征识别和探测领域的潜在应用以及高分子材料在太赫兹波段的指纹特征,利用太赫兹时域光谱技术开展了PA66高分子材料在太赫兹波段的吸收光谱以及折射率、介电常数等光学参数的实验与理论分析研究。得到了PA66的太赫兹波段的光谱特征及吸收特征峰。并利用密度泛函理论开展了PA66在0.1～10 THz范围内的分子振动频率的计算工作,对比了理论计算数据和实验测试数据,并进行了太赫兹光谱特征吸收峰的归属指认。结果表明,计算的PA66分子振动频率与太赫兹实验光谱具有较高的一致性,并且太赫兹吸收光谱中的特征峰是分子中各基团的振动与太赫兹波频率的共振响应。通过分析基团的振动模式,对太赫兹光谱吸收特征峰归属进行指认:PA66材料在0.2～2.3 THz频段内多个特征峰主要由主链上酰胺基中C=O,—NH基团的摆动以及大骨架C链中的—CH_2非对称性振动产生。其中, 0.77 THz处的特征峰归因于分子内强烈的C=O和N—H的面外摆动, 1.56 THz处特征峰包含C=O的面外摆动和C链上CH_2的扭动,而1.85 THz处特征峰主要归因于来自单体己二酸中CH_2和C=O键的面外摇摆。中心频率约为4.57 THz处的特征峰,包含了C=O的面间摆动和来自单体己二胺中CH_2的强烈扭动。7.6 THz频率的吸收峰主要由C=O的摆动和—CH_2,—NH的剪切振动产生。研究结果表明,高分子材料对太赫兹波的吸收与分子中各基团的振动模式密切相关,并且在太赫兹波段的振动吸收峰一般由主链和支链中各种官能团的摇摆振动、扭曲振动以及分子间的相互作用而产生,进而推论出非对称性、含N、 O等元素官能团的极性高分子材料,电负性的差异致使分子振动偶极矩较大,在太赫兹波段容易产生指纹特征峰。为利用太赫兹技术进行材料的结构分析和识别检测提供理论基础和技术支撑。     

几种油脂分子太赫兹谱分析技术的基础研究

为了探索脂类有机大分子对太赫兹（THz）辐射的吸收特征,以及使用THz对生物有机大分子实现检测和鉴别,使用透射型太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统获得了七种植物油、两种调和油的太赫兹吸收光谱,得到它们的特征吸收参数,对比和分析了它们特征吸收峰的差异。结果表明:脂类有机大分子对THz辐射具有差异性吸收,具备在THz波段的识别基础,可通过THz技术进行鉴别和定性分析。     

基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪频率校准

提出一种基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）的频率校准方法。通过将THz-TDS测量结果与CO在THz波段的特征吸收谱线标准数据进行比较,对THz-TDS光学延时线运动速度控制不精确造成的光谱测量线性误差进行了修正,从而实现了THz-TDS的频率校准,修正后的THz-TDS频率测量平均误差为3.1 GHz。     

亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

基于太赫兹光谱的DL-谷氨酸及其一水合物的定性及定量研究

许多氨基酸分子的平动、转动及振动均落在太赫兹(THz)波段,通过其在THz波段的特征指纹峰,可以对氨基酸进行定性及定量研究.本文利用太赫兹时域光谱技术测量了DL-谷氨酸及其一水合物在0.5—3.0 THz的室温太赫兹吸收谱,发现二者的太赫兹特征峰存在明显差异.基于DL-谷氨酸一水合物特征吸收峰(1.24 THz)在不同样品浓度下吸收幅度的变化,对二者的混合样品进行了定量分析,并对定量解析式进行了反推验证.最后,基于密度泛函理论对DL-谷氨酸及其一水合物进行了量化模拟,在理论数据与实验峰匹配情况下,对实验所得THz吸收峰的来源进行了讨论归纳.研究结果表明, DL-谷氨酸及其一水合物的THz特征峰(<2.80 THz)来源于分子间作用模式,其余吸收峰来源于分子间与分子内的共同作用模式.     

几种塑料的太赫兹光谱检测

利用太赫兹时域光谱技术测量了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的太赫兹透射谱,研究其在0.2~2.6 THz频段的光谱特性,得到了在室温氮气环境下这些材料的太赫兹吸收谱和折射率色散特性.发现这五种塑料在太赫兹波段的折射率和吸收系数差异显著,折射率分别在1.35~1.85之间,聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯吸收很小,相比之下聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯吸收很大,这为塑料种类的鉴别及高太赫兹透过率塑料衬底选择提供了依据.     

几种塑料的太赫兹光谱检测

利用太赫兹时域光谱技术测量了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的太赫兹透射谱,研究其在0.2～2.6THz频段的光谱特性,得到了在室温氮气环境下这些材料的太赫兹吸收谱和折射率色散特性.发现这五种塑料在太赫兹波段的折射率和吸收系数差异显著,折射率分别在1.35～1.85之间,聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯吸收很小,相比之下聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯吸收很大,这为塑料种类的鉴别及高太赫兹透过率塑料衬底选择提供了依据.     

含能离子盐的太赫兹光谱研究

在传统硝基含能材料研究的基础上,进一步探索含能离子盐类物质的太赫兹波谱特性,拓宽太赫兹波技术在安全检测领域的应用研究范围,对新型含能离子盐(5-ATN,BMDATHBT)进行了太赫兹时域光谱和傅里叶变换红外光谱的实验测量,得到样品在0.5～8.0 THz范围内的吸收频谱.基于密度泛函理论,采用Gaussian 03及M...     

基于太赫兹辐射的糖类异构体信息提取方法研究

应用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）获取了两种互为异构体的糖类D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖的太赫兹吸收谱，发现D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖在0.3～1.72 THz频段内太赫兹吸收峰位存在明显区别，可以由1.41和1.66 THz两个吸收峰位鉴别D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖。为研究D-(+)-葡萄糖太赫兹光谱吸收峰形成机理，首先构建了D-(+)-葡萄糖的单分子构型，采用密度泛函理论中的B3LYP泛函，利用Gaussian09完成对D-(+)-葡萄糖单分子构型的结构优化与频率计算。将量子化学计算结果与实验谱对比发现，基于D-(+)-葡萄糖单分子构型的量子化学计算结果与实验谱差异较大。然后构建了D-(+)-葡萄糖晶胞构型，采用广义梯度近似中的PBE泛函，利用CASTEP软件完成对D-(+)-葡萄糖晶胞构型的结构优化与频率计算。将量子化学计算结果与实验谱对比发现，基于D-(+)-葡萄糖晶胞构型的量子化学计算结果与实验谱较为吻合。D-(+)-葡萄糖晶胞构型量子化学计算时，因较为全面的考虑了分子间的氢键及范德华力的作用，说明D-(+)-葡萄糖在1.41 THz处吸收峰的形成为分子间弱相互作用。其次通过Materials Studio 2017软件指认了D-(+)-葡萄糖在1.41 THz吸收峰处的振转模式，发现D-(+)-葡萄糖在1.41 THz吸收峰主要是分子之间的相互作用，进一步说明D-(+)-葡萄糖在1.41 THz处的吸收峰主要是分子间的弱相互作用。在量子化学计算结果的基础上利用Multiwfn软件对D-(+)-葡萄糖晶胞进行RDG计算，利用VMD软件对D-(+)-葡萄糖晶胞中分子间的弱相互作用的类型、位置和强度进行可视化研究。研究结果表明，利用太赫兹时域光谱技术能够敏锐地感知糖类物质结构的细微变化，并能够正确鉴别其同分异构体。     

利用太赫兹光谱检测萘啶酸的同质多晶

太赫兹光谱可以反映与固体中晶格振动有关的信息，特别适合于检测相同分子形成的不同晶体，因此利用太赫兹光谱对检测并控制药物的不同晶型具有重要的意义。而药物分子的晶型会影响药物在存储中的稳定性等性质。选取最早使用的喹诺酮类抗生素萘啶酸作为研究对象，首先合成了萘啶酸的两种晶型NA-Ⅰ和NA-Ⅱ。通过X射线粉末衍射确认了两种晶型。使用太赫兹时域光谱技术在室温下对合成的两种萘啶酸不同晶型NA-Ⅰ和NA-Ⅱ在0.2～2.4 THz范围内进行检测，NA-Ⅰ和NA-Ⅱ在太赫兹光谱中表现出明显的差异。NA-Ⅰ在0.94，1.41，1.88，2.05和2.17THz处有五处特征峰，而NA-Ⅱ在0.72，0.96，1.38，1.80，2.04和2.16 THz处有六处特征峰。二者最明显的差异是NA-Ⅱ在2.04 THz处的峰为肩峰，而NA-Ⅰ在2.05 THz处的吸收强度要大得多。不同于其他光谱，如红外光谱，太赫兹光谱中的特征峰不对应特定的官能团，因此对光谱峰的指认尤为重要。利用密度泛函理论对两种晶型进行理论计算，理论峰与实验特征峰基本对应，得出萘啶酸两种晶型在此低频范围的振动模式主要是分子的骨架运动，并从两种晶体堆积方式的不同阐述了光谱显著差异的原因。该研究为利用太赫兹光谱检测药物的同质多晶提供了依据。     

太赫兹谱定量测试中朗伯比尔定律表征形式分析

探讨了朗伯比尔定律在太赫兹谱段的应用,研究了单一氨基酸压片样品(谷氨酰胺)和两种氨基酸混合压片(苏氨酸和胱氨酸)在不同浓度情况下对朗伯比尔定律的适用程度。分析了吸光度和吸收系数在描述物质的太赫兹光学特性的区别。通过对比单一组分在1.72 THz附近的吸收系数值和吸光度值,验证物质对太赫兹波在两种吸收表征量下吸收随浓度变化的情况,利用拟合优度的R2指标研究了各表征量下物质太赫兹吸收与浓度的线性关系的好坏;分析两组分混合物在0.3～2.6 THz有效谱段的两种吸收表征量的太赫兹吸收情况,利用相似性系数和估计浓度误差作为评价指标,明确了在太赫兹谱定量测试中应采用吸光度的加和性而非吸收系数的加和性,进一步明确朗伯比尔定律在太赫兹波段的应用。     

基于太赫兹光谱技术的光学系统设计及应用

太赫兹脉冲信号在频域上具有“指纹频谱”特性,利用该性质可以对物质进行定性分析。借助Zemax软件的光学分析与优化功能,设计了二次非球面TPX平凸透镜,提高了透镜对太赫兹波束的聚集能力;采用平凸透镜设计了太赫兹波束整形光学系统,并将该光学系统用于太赫兹时域光谱系统中,对盐酸莫西沙星和左氧氟沙星进行太赫兹光谱测试,经过算法处理后得到二者在频域上的吸收系数与折射率曲线。测试结果表明:左氧氟沙星的折射率在0.1 THz～3.5 THz波段要比盐酸莫西沙星高,但是盐酸莫西沙星的折射率变化更加平缓;盐酸莫西沙星在1.03 THz、1.92 THz、2.58 THz、2.84 THz处具有明显的吸收峰,左氧氟沙星在1.35 THz、1.96 THz、2.52 THz、2.73 THz处具有明显的吸收峰。     

THz光谱技术检测DNAN炸药含量的研究

为了对一种新型低感熔铸炸药(DNAN)含量进行检测,设计了THz光谱相干探测系统,检测确定了DNAN的THz特征波长位置,又利用比尔朗伯定律求解了DNAN的含量。设计了由主控系统控制步进电机实现光电探测器微扫描的时间相干THz光谱检测系统,计算推导了DNAN含量求解需要的系统参数,获得了DNAN的THz特征光谱。实验采用三种方法分别对不同DNAN含量的爆炸物样品进行检测,结果显示,该系统精度接近目前广泛应用的THz光谱检测设备MINI-Z太赫兹光谱仪。在此基础上,设计了特征吸收峰优化算法,通过Origin软件仿真分析可知,该算法可以进一步提高系统的探测精度及稳定性。     

4种过期感冒药品的太赫兹光谱研究

针对近期几起过期药品致病的负面消息,为进一步提高药品质量检测的速度,提出采用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）无损检测药品质量的新方法。首先,通过飞秒激光器以及THz-TDS系统（Z-3）检测过期阿莫西林胶囊、复方氨酚烷胺片、板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒等常用感冒药的太赫兹时域光谱。然后,通过快速傅里叶变换（FFT）,得到其太赫兹脉冲随频率变化的频谱图。接着,根据Dorney和Duvillaret等提出的THz-TDS提取光学参数模型,得到以上4种感冒药品的太赫兹特征吸收峰、吸收系数图谱和折射率。最后,将上述实验结果与相关文献报道的太赫兹特征吸收峰、吸收系数以及折射率进行对比。实验显示：过期阿莫西林胶囊和复方氨酚烷胺片在有效频段0.2~0.9 THz内的平均折射率分别为1.90和1.85,这比相关文献分别报道的最小折射率1.92和2.05小;过期板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒在有效频段0.2~1.4 THz内的平均折射率均为1.84,这较相关文献报道的最大折射率1.797略大;过期阿莫西林胶囊的5个太赫兹特征吸收峰均出现,但幅值有所降低;过期复方氨酚烷胺片的3个太赫兹特征吸收峰仍然存在,但幅值也有所降低,且在1.50 THz附近出现新的太赫兹特征吸收峰;过期板蓝根颗粒在1.43 THz出现新的太赫兹强特征吸收峰,且吸收系数减小;过期复方板蓝根颗粒在1.43,1.48和1.54 THz出现3个新的太赫兹特征吸收峰,且吸收系数也减小。结果表明：过期阿莫西林胶囊、复方氨酚烷胺片、板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒的有效成分均有所减少,部分化学成分已经发生改变;过期阿莫西林胶囊和复方氨酚烷胺片等西药的折射率会增大,而过期板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒等中药的折射率会减小;通过折射率的变化和太赫兹特征吸收峰位置的不同以及新出现的太赫兹特征吸收峰,可以区分以上4种过期药品,由此可以为太赫兹光谱技术区分过期药品提供参考。     

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。     

利用太赫兹光谱和密度泛函理论研究烟酰胺-庚二酸共晶体的多晶型

烟酰胺, 又称为维生素PP,是辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的组成部分,是许多脱氢酶的辅酶。庚二酸是一种广泛使用的共晶体前体。烟酰胺与庚二酸形成的药物共晶体具有两种不同的多晶型, 分别为晶型Ⅰ和晶型Ⅱ。不同的药物晶型常常具有不同的物理化学性质,这些差异可能会对药物的溶出速率、稳定性以及药效具有较大影响,因此在药物领域中寻找合适的技术手段鉴别药物的不同晶型非常重要。利用太赫兹时域光谱在室温下对烟酰胺-庚二酸的两种共晶体在0.2～2.2 THz范围内进行检测,发现两者的特征吸收峰具有明显的差异,晶型Ⅰ在1.51,1.73,1.94,2.01和2.17 THz有五个特征吸收峰,其中在1.94,2.01和2.17 THz处是三个吸收强度较大的峰,而晶型Ⅱ在1.66,1.74,1.88,2.02和2.16 THz有五个特征吸收峰,与晶型Ⅰ不同的是在2.02和2.16 THz处有两个强度较大的吸收峰。利用密度泛函理论对烟酰胺-庚二酸两种共晶体进行理论计算,计算结果表明实验峰与理论峰基本对应,对吸收峰指认归属表明特征吸收峰来源于分子骨架的振动与包含氢键的振动。研究结果表明太赫兹时域光谱技术对于区分药物共晶体的多晶型现象具有重要的应用。