化学混合物成分的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱装置测量各种纯化合物的吸收谱,采用线性回归技术,对测量的化学混合物太赫兹吸收谱进行分析,得到样品中化合物的成分和相对含量.通过对蒽醌、苯醌和二苯甲酮混合物太赫兹吸收谱的研究,证实了利用整个测量波段的频谱作为化合物的指纹特征来分析化学混合物的成分和相对含量的方法是可行的.     

Zernike矩在橡胶添加剂太赫兹光谱定量分析中的应用研究

近年来,“绿色轮胎”发展备受关注。在绿色轮胎制造过程中需要多种橡胶添加剂,而橡胶添加剂的含量与绿色轮胎能否达标密切相关,因此,对轮胎橡胶中相关橡胶添加剂的定量检测具有重要意义。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成功应用于物质定量分析领域,但当定量分析对象为多组分混合物时,由于混合物光谱出现重叠和失真等原因,会导致定量分析结果不理想。针对此问题,将Zernike矩作为一种光谱预处理技术引入到橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量分析中,提出了基于Zernike矩结合支持向量回归（Zernike moment-support vector regression, ZM-SVR）的太赫兹光谱定量分析方法。首先,以影响绿色轮胎质量能否达标的三种橡胶添加剂氧化锌、白炭黑和2-巯基苯并噻唑（MBT）为定量检测对象,将3种橡胶添加剂与丁腈橡胶构成多组分混合物实验样本,并通过太赫兹时域光谱系统测得样本的太赫兹光谱;然后,对太赫兹光谱进行分析与处理,得到其吸收系数、消光系数和折射率3种光学参数后,将3种光学参数构建为样本的太赫兹三维光谱,并利用Zernike矩提取太赫兹三维光谱灰度图的特征信息;最后,利用支持向量回归建立样本太赫兹三维光谱灰度图特征信息和目标成分含量之间的定量模型,从而对混合物样本中目标成分含量进行分析。利用该方法得到的定量模型预测集相关系数均大于等于0.952 2,均方根误差均小于等于2.267 2%。为进一步验证该方法的有效性,将定量分析结果与常规方法PLS和SVR的结果进行了对比。对比发现,相比常规方法得到的定量分析结果,Zernike矩结合支持向量回归方法所得结果的准确性和稳定性均得到了明显提升。因此,Zernike矩结合支持向量回归方法为橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量检测提供了新思路,在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有广阔应用前景。     

散射在太赫兹吸收谱定量分析中的应用研究

基于太赫兹光谱的物质成分定量分析是太赫兹技术重要的应用方向之一。但是当太赫兹波入射样品时,会与样品颗粒在微观尺度下发生散射效应,造成太赫兹波强度的衰减。因此实验测得的样品的太赫兹吸收谱主要由两部分组成,即样品本身对太赫兹波的吸收以及由散射效应造成的衰减。尤其是当样品的颗粒尺寸与太赫兹波的波长接近或可相比拟时,散射效应更为明显。在以往的太赫兹定量分析领域,往往仅考虑了Lambert-Beer定律,即物质对光的吸收与其浓度成线性变化的关系,而忽视了散射效应的作用,导致定量分析的准确度受到了限制。在对混合物样品的太赫兹波段散射效应进行分析的基础上,采用类比的方法,提出了混合物的太赫兹吸收谱模型,并通过一系列定量分析实验验证了该模型的有效性。在对多组混合物样品的定量分析实验中,定量分析误差普遍小于3%,较之仅考虑Lambert-Beer定律而言准确度得到了大幅提高,表明研究散射效应对提高太赫兹定量分析的准确度具有重要作用。     

基于扩散映射的太赫兹光谱识别

特征提取对于太赫兹光谱识别来说至关重要。传统方法是通过人工选取太赫兹光谱中差异性较大的吸收峰作为特征进行光谱识别,但当部分物质在太赫兹波段没有明显波峰、波谷等光谱图形特征时,这种方式便不再适用。为此,研究人员利用统计学习与机器学习方法对高维太赫兹光谱数据进行降维和特征提取。由于物质的太赫兹光谱数据各维度呈现非线性,尤其是当不同物质的太赫兹光谱曲线整体非常相似时,线性处理方法易产生较大误差。针对这一问题,提出了一种基于扩散映射(DM)的太赫兹光谱识别方法。扩散映射能在保持数据内在几何结构的同时对其进行非线性降维,提取的流形特征区分度较高,对数据还有聚类效果。首先用S-G滤波器对Alloxazine等10种物质的太赫兹光谱样本进行滤波,并用三次样条插值法对截取相同频段后的光谱样本进行统一分辨率处理;然后利用DM将高维太赫兹光谱数据映射到低维特征空间并提取太赫兹光谱的流形特征;最后用多分类支持向量机(M-SVM)对十种物质的太赫兹透射光谱进行分类。实验结果表明,相比于主成分分析(PCA)和等距映射(ISOMAP),使用DM提取的太赫兹光谱流形特征具有更高的区分度,而且DM可以直接得到太赫兹光谱数据本征维数的估计值,这为相似太赫兹光谱的快速精准识别提供了一条新的途径。     

基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法研究

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法,已经被广泛应用于物质成分的测定,而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景,例如片剂药品的有效成分检测、行李安检的危险物品检测等。现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术（THz-TDS）和频域光谱技术（THz-FDS）均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间;且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间（取决于光谱仪的结构）,这对多像素成像系统显得过于迟缓,更无法达到视频成像的速率需求,严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像,只能反映样品的空间分布信息,并不能反映出样品的光谱即成分信息。因此,对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切,太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时,还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法,在设计了该方法装置结构的基础上,理论分析了其工作过程,同时进行了太赫兹光谱的计算。然后从数据采样、数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析,计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。最后,对该方法建模进行仿真研究,模拟实现其完整的探测过程。在仿真研究中,以太赫兹辐射源的频谱分布为例,将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术（THz-TDS）测试结果进行了对比,结果表明时域光谱技术（THz-TDS）所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线,两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。总之,该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测,且在保证分辨率相同的前提下,较时域光谱技术（THz-TDS）显著加快了成谱速率,为实用、高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。     

聚合物及其混合物的太赫兹介电性质测定与分析方法

聚合物材料因其对太赫兹波的高透过率以及良好的塑形能力在太赫兹研究中扮演了重要的角色,由于材料的介电特性直接关系着折射率、极化率等重要性质,不同的应用场合通常需要材料呈现出特殊的太赫兹介电响应,一方面可以选取不同的聚合物材料,另一方面可以通过多种聚合物的混合实现材料介电性质的调制。聚合物材料合理的选取和设计建立在材料太赫兹介电精确表征之上,然而利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对聚合物材料进行透射式太赫兹介电表征时,材料内部空气孔隙的存在会影响表征结果的复现性,同时也会影响共混聚合物介电性质的分析和预测。因此以Landau, Lifshitz, Looyenga(LLL)模型为基础提出了考虑空气影响的介电分析模型,并选取了在太赫兹研究中广泛使用的聚合物材料聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)对模型的有效性和稳定性加以验证,展开了两种材料单质和混合物两方面的介电分析。在太赫兹波透射样品之后的相位变化信息中提取出样品的介电常数,同一种物质制备的样片间太赫兹介电谱存在明显差异,使用包含气隙影响的LLL模型处理实验数据后,样品介电常数中空气的介电影响被移除,从而得到了两种材料的本征介电常数,在此基础上,使用测得的本征介电常数和混合物样品中两种材料的体积占比信息代入包含气隙影响的LLL模型计算得到了不同配比混合物的太赫兹介电常数的模拟值,并与THz-TDS实验获取的实验值进行了对比。利用所提出的有效介质模型,聚乙烯和聚四氟乙烯在10～40 cm-1波段内移除空气影响后的平均介电常数为2.315±0.003（±0.13%）和2.109±0.003（±0.14%）,在不同重量、不同厚度的单组份样品间模型测定的聚合物介电常数保持了良好的重复性,在对混合物的太赫兹介电性质测定与分析中,利用模型计算的混合物介电常数模拟值与THz-TDS测定的介电常数实验值保持了高度线性相关,其相关系数为0.964 3,全局相对误差为1.08%,体现了模型的可靠性。提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质表征中,对太赫兹波段的共混聚合物材料设计具有参考价值。     

特征谱区筛选在多元混合物的太赫兹光谱定量分析中的应用

用特征谱区筛选法结合太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对多元混合物成分含量进行了定量分析研究。实验利用太赫兹时域光谱系统测量了由乳糖一水合物(LAC)、对乙酰氨基酚(APAP)、可溶性淀粉(starch)以及微晶纤维素(MCC)四种材料组成的混合物样品的太赫兹吸收光谱,并分别尝试采用常规区间偏最小二乘(iPLS)、向后区间偏最小二乘(biPLS)、联合区间偏最小二乘(siPLS)和移动窗口偏最小二乘(mwPLS)四种特征谱区筛选法对多元混合物的太赫兹吸收光谱进行特征子区间优选,建立了太赫兹吸收谱与四元混合物中乳糖一水合物含量之间的定量回归模型。通过比较四种谱区筛选算法模型及全光谱偏最小二乘(PLS)模型所得结果,表明采用移动窗口偏最小二乘法建立的谱区筛选模型得到的结果相对最优,其交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)、校正集相关系数(R_C)和预测集相关系数(R_P)分别为0.980 3,1.114 1,0.996 0和0.995 1。实验结果表明,采用特征谱区筛选方法可以有效选择多元混合物太赫兹吸收光谱的特征区间,提高模型精度和降低模型复杂性,为实现多元混合物成分含量的快速检测提供了一种有效的方法。     

太赫兹时域光谱的药物多组分同时定量测定

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合化学计量学方法对多组分药物混合物中药物活性成分(API)和药用辅料的含量进行了定量分析研究。用THz-TDS系统测量了无水茶碱、乳糖一水合物和硬脂酸镁三元药物混合物及对乙酰氨基酚、乳糖一水合物、微晶纤维素和可溶性淀粉四元药物混合物的太赫兹吸收光谱,并采用主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLS)两种多元校正方法分别建立了太赫兹吸收谱与多元混合物各组分含量的定量回归模型,同时获得了混合物中药物活性成分和药用辅料的含量。PLS回归取得更好结果,其中三元混合物两组分含量的PLS定量模型校正及预测相关系数R均高于0.98,四元混合物中对乙酰氨基酚、乳糖一水合物、微晶纤维素和可溶性淀粉含量的PLS定量模型校正及预测相关系数R均分别高于0.93,0.98,0.63和0.86。结果表明,THz-TDS技术结合化学计量学方法建立定量分析模型能够实现对多元混合物成分含量的无损非破坏定量分析,在药物分析等领域将有广阔的应用价值。     

太赫兹时域光谱在邮件隐匿危险品检测中的应用

随着电子商务的快速发展,邮件数量剧增,在邮件中隐匿危险品已经成为犯罪分子重要的犯罪手段,威胁公共安全和社会稳定。邮件的安全检查变得尤为重要,而常规的检测技术不能准确识别危险品。太赫兹波是介于红外和微波之间的电磁波,邮件中隐匿的爆炸物、毒品和有害生物因子等在太赫兹波段存在特征吸收光谱,而邮件常用的非极性包装材料可以被太赫兹波穿透。太赫兹波还具有低能性、相干性等特性,这些特性使得太赫兹技术可以实现邮件隐匿危险品高灵敏度的无损检测。文章介绍了太赫兹技术的特性,太赫兹时域光谱系统的组成和获取光学常数的菲涅尔公式解析法。该方法通过样品透射或反射信号和参考信号来获取包括吸收光谱在内的材料参数。将样品的太赫兹特征吸收光谱和已建立的各种危险品的光谱特征数据库进行比对,可以判断是否为危险品以及危险品种类。对爆炸物、毒品在太赫兹波段的特征吸收光谱的研究成果,及在各种非极性材料遮挡下吸收光谱的特异性的研究进展进行了总结。获取吸收光谱的解析法适用于较厚样品,针对薄样品,还介绍了一种P-谱法。该方法不需要参考信号就能准确获取覆盖物下样品的吸收光谱。除直接利用吸收光谱做检测外,近些年还提出了很多其他识别危险品的方法,如光谱动力学分析法,化学计量学方法和基于太赫兹时域光谱的成像分析法等。其中,光谱动力学分析法可以很好的区分吸收频率有重叠的物质;化学计量学方法可以对混合物进行成分的定性和定量分析;光谱成像法可以完成较大面积的隐匿危险品识别。分析了太赫兹时域光谱技术识别有害生物因子的可行性,以及针对有害生物因子携带量小的特点,总结了太赫兹时域光谱技术在提高生物因子检测灵敏度方面的研究进展。探讨了太赫兹技术在邮件安检应用中一些有待解决的问题,如太赫兹功率有限、受环境因素影响较大、缺乏统一的标准等,展望了未来的发展趋势。     

太赫兹时域光谱技术对化学混合物的成分分析研究

不同化合物在太赫兹波段的吸收谱差别很大,所以存在用太赫兹光谱对化合物及混合物进行含量分析的可能。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)技术测量VC和VB1各纯化合物吸收谱,基于化合物的吸收谱,采用线性回归技术,对VC和VB1混合物的太赫兹吸收谱进行分析,得到样品中各个混合成分的相对含量。通过以VC和VB1混合物的THz吸收谱的研究为例,证实了利用整个测量波段的频谱作为化合物的指纹特征来分析化学混合物的成分和相对含量是可行的。     

SERS study of methylated and nonmethylated ribonucleosides and the effect of aggregating agents

We present surface‐enhanced Raman scattering (SERS) spectra of the RNA nucleosides adenosine, cytidine, guanosine and uracil and the methylated derivatives 5‐methylcytidine and 7‐methylguanosine, a class of important nucleic acid components that has not previously been well characterised using SERS spectroscopy. Our work shows that the selection of aggregating agent plays a crucial role for SERS analysis of these nucleosides with K₂SO₄ generating immediate enhancement while NaCl only gave immediate enhancement for the pyrimidine nucleosides. The SERS spectra contain a number of marker bands that are highly sensitive to structural differences between these nucleosides, in particular methylation, and at lower concentration ranges than are possible for conventional Raman scattering. Finally, spectral analyses and assignments of the vibrational modes responsible for these marker bands are also presented, and the effect of the aggregating agent on these modes is discussed in terms of interactions between each nucleoside and the metal surface. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Angular optical characteristics of light scattered by double-layer metal–oxide nanoparticles

The interaction of Tb(III)-2-{[(4-methoxy benzoyl) oxy]} methyl benzoic acid binary complex with nucleosides (adenosine, cytidine, guanosine and inosine) was investigated using UV and fluorescence methods. The reaction of Tb-complex with cytidine, guanosine and adenosine is accompanied by shift to longer wavelength in the absorption band, while there is a blue shift in the absorption band with an enhancement in the molar absorptivity upon the reaction with inosine. The fluorescence intensity of Tb(III)-2-{[(4- methoxy benzoyl) oxy]} methyl benzoic acid binary complex at λ = 545 nm (5D4 → 7F5) was decreased with the addition of the nucleoside molecule following the order: cytidine > inosine > guanosine > adenosine.     

核苷酸和芳香酮的电子转移和质子转移反应研究

利用时间分辨的激光闪光光解方法在1∶1乙腈/水溶液中得到了4种核苷酸和芳香酮的瞬态吸收光谱,通过瞬态吸收光谱的变化研究了鸟苷酸、腺苷酸、胞苷酸、胸腺苷酸猝灭二苯甲酮、呫吨酮激发三重态的反应。由于实验中生成了抽氢自由基和负离子自由基,以及核苷酸正离子在水中的快速抽氢反应,推断出芳香酮和鸟苷酸、腺苷酸的反应机理是先发生电子转移后发生质子转移。而在芳香酮和胞苷酸、胸腺苷酸的反应中没有观察到相应的抽氢自由基和负离子自由基的瞬态吸收峰,由此推断出它们和胞苷酸、胸腺苷酸没有发生电子转移和质子转移反应。对瞬态吸收峰处的时间衰减曲线进行拟合得到了核苷酸猝灭芳香酮的速率常数,可以看到随着反应自由能变ΔG的增大,反应速率常数逐渐减小。     

A Spectroscopic Study of the Interaction of the Fluorescent β-Carboline-3-carboxylic Acid N-methylamide with DNA Constituents: Nucleobases, Nucleosides and Nucleotides

Interaction between beta-carboline-3-carboxylic acid N-methylamide, betaCMAM, and nucleobases, nucleosides and nucleotides is studied in the ground state with UV-visible, (1)H NMR and (31)P NMR spectroscopies and in the first excited state, with steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy. Job plots show a predominant 1:1 interaction in both electronic states. Association constants are estimated from changes in the absorption spectra, and show that the strongest interaction is produced with the nucleosides: 2'-deoxyadenosine (dAdo) and thymidine (Thd), and with the mononucleotides: 2'-deoxycytidine 5'- monophosphate (5'-dCMP) and uridine 5'- monophosphate (5'-UMP). These results are corroborated by the upfield shifts of two (1)H NMR resonances of the betaCMAM indole group. The (31)P NMR resonance of nucleotides is shifted downfield, suggesting the presence of electrostatic or hydrogen bond interaction with betaCMAM. In the first electronic singlet excited state, static and dynamic quenching of betaCMAM emission is achieved upon addition of nucleobases, nucleosides and nucleotides. This has been analysed using Stern-Volmer kinetics.     

Spectrophotometric Determination of Ternary Mixtures by the Derivative Ratio Spectrum-Zero Crossing Method

Abstract

A new spectrophotometric method is introduced for the assay of ternary mixtures with overlapping spectra. The method is based on the use of the first derivative of the ratio spectra and measurements of zero-crossing wavelengths. The ratio spectra were obtained by dividing the absorption spectrum of the mixture by that of one of the components. The concentration of the other components are then determined from their respective calibration graphs treated similarly. The method has been applied for the resolution of two ternary mixtures, namely, dipyridamole, aspirin and salicylic acid (I) and dipyridamole, oxazepam and 2-amino-5-chlorobenzophenone (II). Salicylic acid and benzo-phenone derivative are the degradation products of aspirin and oxazepam, respectively. The proposed method was applied for the assay of these combinations in synthetic mixtures and in commercial dosage forms. The results obtained were precise and accurate.     

轴向核苷修饰硅酞菁与白蛋白非共价复合物的制备与光动力活性

通过荧光光谱法研究了5种轴向核苷(胞苷、氮杂胞苷、甲基胞苷、尿苷和甲基尿苷)衍生物修饰硅酞菁与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,结果表明,它们与BSA存在较强的相互作用,结合常数在(4.90~83.18)×105 mol-1·L之间。因此,进一步制备了二[5’-(2’,3’-O-异丙基)-胞苷氧基]硅酞菁(SiPc1)与BSA的非共价复合物(SiPc1-BSA),复合物中两者的摩尔比为1∶1。SiPc1-BSA与SiPc1在可见区的吸收光谱没有明显区别,两者的Q带最大吸收带均位于686nm附近,且吸收强度没有明显区别,这说明SiPc1结合到白蛋白后,其光谱性质没有受到明显改变。光动力抗癌活性测试表明,SiPc1-BSA具有较高的光动力抗癌活性,对人肝癌细胞HepG2的IC₅₀值为3.0×10-7 mol·L-1,且SiPc1-BSA的光动力活性高于SiPc1(PBS药剂形式,IC₅₀值为7.0×10-7 mol·L-1),这主要可归因于SiPc1-BSA具有更高癌细胞摄取率。     

次黄嘌呤及其核苷的THz光谱

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy,简称THz-TDS)技术研究了次黄嘌呤及其核苷在03—16THz波段的光谱特性.结果显示THz波对该碱基及核苷的结构变化有灵敏响应,其中次黄嘌呤在该波段无特征吸收,而其核苷在14THz处有强的指纹特征吸收峰,根据Hartree-Fock模拟计算提示该低频振动来源于嘌呤环与戊糖环的扭摆振动.定量研究的结果表明,在一定浓度范围内所测化合物THz吸收强度与浓度呈线性关系,符合朗伯-比尔定律.利用THz谱成分分析法对次黄嘌呤及其核苷的混合物进行了定量解析,获得了混合物中各成分的含量,相对误差不超过7%,并就误差产生的原因做了简要分析. 关键词： 太赫兹时域光谱 次黄嘌呤 次黄嘌呤核苷 定量分析     

多种糖混合物的太赫兹时域光谱定性及定量分析研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术研究了D-(-)-核糖、D-葡萄糖、α-乳糖一水合物及β-乳糖在0.3～1.6 THz波段的光谱特性。结果显示THz波对几种糖结构的变化有灵敏响应,在测量波段内有各自特征的THz指纹吸收光谱。利用线性回归技术对含两至四组分混合体系的THz光谱进行定性及定量解析,获得了混合物中各组分含量,相对误差小于7.2%,并就误差产生的原因做了简要分析。实验结果表明THz-TDS技术能够用于材料的定性及定量分析研究,在生物医药的无损检测和质量控制等方面有重要的应用前景。     

核酸碱基和核苷的高效液相色谱——表面增强拉曼光谱在线联机分析研究

本文将反相高效液相色谱(RP——HPLC)与表面增强拉曼光谱(SERS)联机,对三个核嘧啶、四个核嘌呤和两个核嘧啶及其核苷混合物进行在线联机分析研究。在流动条件下,对影响 SERS 测定的因素,如激光照射、温度、pH 值、流速、记忆效应,以及联机系统的接口装置等进行了讨论。文中给出了联机测得的三维和二维 SERS 色谱图。     

傅里叶变换红外光谱法快速测定5个品种大豆的主要组分

探索作物育种过程中从大量样本中快速筛选有益突变体的新方法.利用傅里叶红外光谱法从整体上对5种大豆的主要组分进行测定和分析.结果表明:大豆的脂肪酸、皂苷、异黄酮(3298-1746cm-1)、蛋白质(1655-1398cm-1、1059cm-1)和核酸、磷脂(1240-1159cm-1、1001cm-1)等主要组分均具有...