太赫兹光谱法和GA-BP在甲醇浓度检测的应用（英文）

在常温常压下,利用光电导天线式太赫兹时域光谱仪和自行设计的气室,在0.1~3.0THz范围内对甲醇气体进行太赫兹时域光谱测试,测试结果表明,甲醇气体在1.0~3.0THz没有明显的吸收峰,但是在0.1~1.0THz波段存在明显的吸收峰。为了准确测定甲醇气体的浓度,根据甲醇气体在0.1~1.0THz范围内的15处不同的位置处的特征吸收峰强度和甲醇气体浓度的关系,对十五组不同浓度的甲醇气体进行检测,获得了在特征吸收峰处的差异曲线。基于误差反向传播(BP)神经网络的函数逼近特点,并利用遗传算法(GA)收敛速度较快,不宜陷入局部极值的优点,采用GA优化BP神经网络的初始的权值和阈值,构建了以预测甲醇浓度为目的的数学模型。结果表明,该网络模型适用于体积浓度范围为0.028 3~0.424 6m3·L-1的甲醇的浓度预测,两组样本的平均相对标准误差为1.7%,平均回收率为98%,神经网络误差精度10-1,实测值与期望值的相关系数为0.996 77,基本达到理想预测结果。本成果不仅获得了甲醇气体在太赫兹频段的实验数据,而且发现太赫兹时域光谱法和GA-BP神经网络相结合的方法能有效地检测甲醇气体的体积浓度,为检测甲醇气体浓度提供新的方法。     

用太赫兹时域光谱技术判别防冻液和刹车油的真伪

太赫兹时域光谱技术可以分辨化合物结构上的微小差异并应用于物质检测与分析,为有机化工产品的鉴别及更宽有效光谱区的测试提供了新的实验方法.本文运用太赫兹时域光谱技术研究了甲醇、防冻液和刹车油在太赫兹波段的光学特性,在室温氮气环境中,得到了样品的时域谱和在0.2～2.5THz波段的吸收谱.甲醇和防冻液、刹车油在此波段的吸收谱存在显著差异,甲醇的吸收峰位于0.35THz、0.72THz处,防冻液和刹车油的主要吸收峰位于0.62THz处.实验表明,用太赫兹时域光谱技术可以检测防冻液和刹车油里是否掺有甲醇,进而判断其质量的优劣.     

蒿甲醚的太赫兹时域光谱研究

蒿甲醚是目前治疗疟疾非常有效的药物。由于其独特的药效,在临床医学中的应用比较广泛。采用太赫兹时域光谱技术测量了蒿甲醚在太赫兹波段的吸收特性,得到它在0.2～3.0 THz频率范围的特征吸收谱。应用密度泛函理论和6-31G基组计算了蒿甲醚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。理论计算表明,在1.26和2.73 THz处的吸收峰与实验上在1.24和2.73 THz处得到的吸收峰位置相对应,理论计算与实验数据吻合的较好。同时对蒿甲醚的远红外振动模式进行了识别,振动模式以分子基团的骨架振动和扭转为主要特征。对蒿甲醚太赫兹光谱特性的研究结果表明太赫兹技术是一种检测中药的有效方法,这为进一步研究蒿甲醚的药效提供了理论依据。     

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.     

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。     

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。     

对乙酰氨基酚的太赫兹时域光谱研究

太赫兹波由于其特有的透视性、安全性及光谱分辨本领高等特点,为太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)在物质检测、物质结构辨别、物质定性及定量分析等方面的应用奠定了基础。药品,作为预防和治疗疾病并规定有适应症或者主治功能的物质,一直跟人们的生活息息相关。但是,近年来药品由于质量问题从而危害人们身体健康的新闻屡见不鲜,迫切需要行之有效的药品检测方法的呼声越来越多。而太赫兹时域光谱技术作为一种新型的无损检测的光谱技术,逐步开始被应用到药品检测中。基于此,采用太赫兹时域光谱技术研究了对乙酰氨基酚的太赫兹特征谱。首先,采用太赫兹时域光谱技术测试了对乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范围的太赫兹光谱,实验获取了六个特征吸收主峰和一个肩峰,分别位于1.46,1.88,2.11,2.52,2.95,3.48和4.27 THz;接着,采用密度泛函理论对光谱进行解析,基于气态理论的计算结果,发现实验吸收峰有分子内作用力的贡献,但由于其未能考虑分子间作用力,无法全面对实验吸收峰进行解析;进一步,采用固态密度泛函理论模拟,经过实验和理论结果对比,发现1.46和2.11 THz的吸收峰既有分子间作用力也有分子内作用力,1.88,2.52和2.95 THz处的吸收峰主要来源于分子间作用力,3.48和4.27 THz处的吸收峰主要来源于分子内作用力;最后,对商用品牌中美史克牌的对乙酰氨基酚片做了变质处理,测试其在变质前后0.3～2.75 THz范围内的太赫兹特征峰,通过比较发现,商用药片与对乙酰氨基酚样品的吸收峰完全匹配,说明可以借助THz特征峰对药品进行标定;通过对比对乙酰氨基酚片变质前后的THz吸收谱,发现变质后的药片原有的THz特征峰基本消失,这一方面说明位于0.3～2.75 TH范围内的THz特征峰1.46和1.88 THz虽有分子内作用的贡献,但是主要源于分子间作用力,另一方面也说明随着药品化学特性变化,其对应的THz指纹吸收峰也会发生改变;变质后的药片产生了位于0.69 THz的新特征吸收峰,说明药片在变质后已经形成新的分子间作用力,药品的化学性质已经发生了变化,产生了新的物化功能。     

天然纤维素太赫兹和红外光谱分析研究

为研究太赫兹波技术在植物中纤维素检测的应用前景。选取玉米、麦壳、芦苇进行太赫兹时域光谱检测,并与纤维素粉作为参考样品进行比较,分析结果表明上述三种植物样品和参考样品在1.75,1.62,1.1和0.7 THz等频率处均有明显特征吸收峰。比较几种样品的吸收强度情况,纤维素粉在1.62 THz处吸收最强,采用化学分析方法检测玉米、麦壳以及芦苇中纤维素含量,并与太赫兹波检测比较,发现在该频率处植物中纤维素含量越高,则其在太赫兹波中的吸收峰也越高,说明植物纤维素能在该频率段内发生晶格振动,使其官能团出现变形、弯曲或伸缩等变化。利用密度泛函理论对纤维素进行量子化学计算,也获得纤维素在0.7,1.1和1.75 THz处特征吸收峰,表明了太赫兹时域光谱能用于植物纤维素检测。最后,用红外光谱技术对玉米和纤维素粉进行检测,探讨纤维素分子微结构的扭转及振动模式,并把它们的特征吸收谱与量子化学计算进行比较,实验结果和理论计算基本一致。这为植物纤维素的检测判断提供了一种新方法。     

太赫兹时域光谱的α/β型HMX定量研究

α/β型HMX为同分异构体,物理化学特性有较大差异。为了对α/β型HMX混合物进行定量研究,利用太赫兹时域光谱技术,对α/β型HMX单质与一定比例混合物进行了检测与分析。获得单质α/β型HMX在0.2~2 THz频段标准太赫兹吸收谱,采用线性拟合对α/β型HMX混合的太赫兹吸收谱进行分析建立预测方程,并预测未知样品。结果表明:α/β型HMX混合物在0.82 THz处的吸收强度与α型HMX的含量有较好的线性关系。α/β型HMX混合物在0.82 THz处的吸收特性可以用来进行α/β型HMX的定量检测。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

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。     

太赫兹光谱技术在四氢双环戊二烯检测中的应用

研究了太赫兹光谱技术在鉴别含能材料同分异构体中的应用。首先研制了适于特定工程应用的太赫兹时域光谱仪样机，并经过振动冲击、高低温试验验证了样机的环境适应性，表明该款样机完全可以在非实验室环境下稳定可靠地工作。利用一氧化碳标准气体验证了样机测量光谱的正确性，并同时实现了对样机测量频率的校准；利用校准后的光谱仪测量了四氢双环戊二烯的两种同分异构体endo-THDCPD和exo-THDCPD的太赫兹光谱，测量结果显示两种不同构型材料的太赫兹光谱存在显著差异，endo-THDCPD的太赫兹光谱在0.23 THz和1.70 THz处呈现出明显的特征吸收，exo-THDCPD的2个最明显的特征吸收峰则位于1.41 THz和1.74 THz。该结果表明:运用太赫兹光谱技术可有效区分这两种分子结构仅存在微弱差异的材料，对太赫兹光谱在含能材料研究领域的应用具有参考意义。     

KTiOPO4晶体的太赫兹光学声子振荡特性研究

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹时域频谱系统,研究了 KTiOPO4 晶体在0.5～2.0THz波段的光学声子振荡特性;在晶体z轴平行于THz波电场振动方向时发现了明显的吸收峰.利用晶体中晶格振动模式（光学声子）对光谱的选择性吸收特性和多洛仑兹振子伪谐振介电模型,很好地拟合了KTP晶体的复介电常量曲线,得到了对应晶格弱振动的光学声子的频谱参量值.研究结果表明,位于ω1 /2π=1.76 THz的吸收峰是KTP晶体中沿z轴排列的K+相对于PO4和TiO6晶格振动造成的光学外振动模.同时也说明THz波对于晶格弱振动非常敏感,对于微弱的光学声子吸收峰的频谱分析更加精准.     

生物基底材料的超宽频带太赫兹光谱研究

作为一种新兴的方式,太赫兹时域光谱和成像已经被广泛应用到研究不同生物组织的光学特性。在空气等离子体处施加偏置电场对太赫兹波脉冲进行外差式相干检测(air-biased-coherent-detection,ABCD)的太赫兹系统具有超宽频带和可以在较远距离进行成像的优点,十分适用于对生物组织进行超宽谱研究,而对生物组织进行光谱测量通常需要基底材料。利用太赫兹ABCD系统对四种典型的基底材料(石英,高密度聚乙烯,聚四氟乙烯和石蜡)的光学参数进行测定,并计算其在1~15THz频率范围内的吸收系数和折射率。结果表明,高密度聚乙烯和石蜡可以很好的被用作生物组织超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。同时,虽然石英和聚四氟乙烯都是窄带(0.1~3THz)太赫兹系统中常用的基底材料,但是由于它们在高于5THz的频率范围内对太赫兹波具有较强的吸收,所以不能用作超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。     

基于太赫兹光谱的植物生长调节剂检测技术研究

应用太赫兹时域光谱技术获取了赤霉素、氯吡脲和噻苯隆的太赫兹时域谱图和参考信号的时域谱图,并计算获得了折射率谱和吸收谱。实验结果显示,这三种植物生长调节剂在太赫兹波段内有着明显的特征吸收峰。而后基于最小二乘支持向量机对十九种不同物质的太赫兹时域吸收光谱进行了分类检测,并采用遗传算法和粒子群寻优算法对其进行了优化,最后通过添加噪声测试了模型的鲁棒性。该研究验证了太赫兹时域光谱技术用于药物成分检测的可行性,为植物生长调节剂的检测和鉴别提供了新的实验方法。     

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。     

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     

呋喃妥因的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱技术测量了硝基呋喃类药物中呋喃妥因原药在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数、折射率等光学指纹特性,结果表明呋喃妥因在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,吸收系数光谱可用于鉴定呋喃妥因。借助Gaussian软件利用密度泛函理论对呋喃妥因分子在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数光谱进行了模拟,并对吸收系数实验光谱中部分吸收峰的振动模式进行了分析和指认。结果表明实验谱中1.25和1.60 THz处的吸收峰与理论谱中1.30和1.67 THz处吸收峰一致,是由呋喃妥因分子内的振动模式引起的。     

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。