RNA碱基的太赫兹光谱和拉曼光谱特征研究

应用傅里叶红外光谱仪和激光拉曼光谱仪测试了RNA碱基在太赫兹波段(1～10 THz)的红外和拉曼光谱,同时结合Guassian09软件和周期性边界条件下基于能量的分块方法(PBC—GEBF),分析了RNA碱基晶体的红外和拉曼光谱特征,得到了所有特征峰位置及其对应的振动模式,且计算光谱与测试光谱一致吻合,表明碱基粉末样品为无定形晶体结构。通过对红外光谱的分析可知,在太赫兹波段,腺嘌呤和鸟嘌呤都有6个红外活性振动模式,胞嘧啶和尿嘧啶分别为6个和3个红外活性振动模式,与实验结果相比,除了鸟嘌呤6.35 THz处的弱吸收峰没能重现,4.83和5.39 THz处的吸收峰简并;胞嘧啶4.3和4.79 THz处吸收峰简并;尿嘧啶3.32和3.82 THz处的吸收峰简并外,其他吸收峰的位置和强度均被准确地模拟重现。通过对拉曼光谱的分析可知,理论和实验光谱基本一致,除了尿嘧啶3.52和4.48 THz处特征峰简并;鸟嘌呤7.26和8.03 THz,3.57,4.02,4.49,4.89和5.98 THz处特征峰简并外,其他特征峰的位置和强度均被准确的模拟重现。通过对特征峰的分析和辨认,可知在1～10 THz,RNA碱基的振动模式均来源于晶格内分子的集体振动,分子间的氢键和弱相互作用力对振动模式的贡献很大,进一步分析可知,在1～5.5 THz,其振动模式来自所有原子参与的集体振动,在5.5～10 THz,振动模式来自于部分原子参与的集体振动。此项研究对揭示RNA碱基在构成生物大分子结构、生物大分子鉴定以及太赫兹波段光谱的形成机制等方面,具有重要的理论和实际参考价值。     

1,4-萘醌的太赫兹,远红外及低频拉曼光谱研究

本文对1,4-萘醌进行了太赫兹时域光谱,远红外吸收光谱及低频拉曼散射谱的测试研究。1,4-萘醌的太赫兹吸收光谱与远红外谱仪测得的光谱取得了在1.75 THz(58.3 cm-1)/1.63 THz(54.3 cm-1)等处吸收峰位基本相同、两者相互佐证和补充的结果。将太赫兹和远红外吸收谱与低频拉曼散射谱进行比较,表明两种选择机制不同的光谱在1.04,1.72和4.59 THz等处的峰位基本重合,结合群论的不可约表示理论分析,表明该样品在低频波段具有拉曼活性和红外活性的振动属性(A1、B1或B2)。采用Gaussi-an03软件的密度泛函理论B3LYP函数和6-311基组模拟单分子红外与拉曼光谱,结合实验分析,对部分分子基团或原子振转模式给与了指认。     

氨基酸的太赫兹光谱温度相关性研究

采用可调温太赫兹时域光谱(TDS-THz)系统,测量了脂肪族L-天冬酰胺、L-半胱氨酸、L-丙氨酸和芳香族L-酪氨酸四种氨基酸在低温下的温度特性,实验中,分别在降温和升温过程中选取了以下温度节点：常温,250,200,150,100,70,40,10以及4.5 K等,观察样品对太赫兹吸收光谱的异同;结合傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对室温下上述四种氨基酸在低频段(0.5～2 THz)范围内的吸收峰进行了验证,同时采用拉曼光谱仪测试了高频段(3～6 THz)范围内的这四种氨基酸在常温下的拉曼强度,以此来验证了实验的准确性。结果表明：脂肪族和芳香族氨基酸太赫兹光谱对温度变化的响应存在差异,随着温度降低,两类氨基酸的吸收峰位置均发生蓝移现象, 同时部分氨基酸出现新的吸收峰,但是吸收峰线宽的变化略有不同。最后,采用量子化学Gaussian 09软件包,分别选取一种脂肪族氨基酸和一种芳香族氨基酸,通过密度泛函理论对其单分子和晶胞结构进行了计算,对比测试结果可以得出两种氨基酸的振动模式是由分子间作用力形成的。     

芳香族氨基酸的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱研究了三种芳香族氨基酸，即酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，在02—1 6THz波段的光学特性，得到了对应的吸收谱.对比各自的吸收谱发现，酪氨酸和色氨酸分 别在0976THz和1465THz有明显的吸收峰，而苯丙氨酸则没有明显的吸收峰.利用密度泛 函(DFT)理论初步计算表明，氨基酸在THz波段的吸收是由分子转动或扭动造成的，氨基酸的 不同结构造成了它们在THz波段不同的吸收峰位.另外，还得到了三种氨基酸在该波段的折射 率谱并首次定量给出了三种氨基酸在02—16THz波段的平均折射率.酪氨酸、色氨酸和苯 丙氨酸的平均折射率分别为1507，1526和1686.这项研究不仅为研究生物分子结构和 动力学提供了新的理论和实验方法，而且对进一步利用THz时域光谱研究其他生物大分子具 有借鉴意义. 关键词： 太赫兹(THz)时域光谱 芳香族氨基酸 吸收谱 分子动力学     

太赫兹波段纳米颗粒表面增强拉曼散射的研究

研究了太赫兹波段纳米颗粒的表面增强拉曼散射,证明在太赫兹波段同样存在拉曼增强现象。通过研究表面增强拉曼散射的电磁增强原理,提出利用时域有限差分法仿真模拟纳米颗粒在太赫兹波照射下的表面增强拉曼散射,分析了太赫兹波的增强效果。仿真实验表明,时域有限差分法可以有效精确仿真太赫兹波段纳米颗粒的散射效果,结果使表面增强拉曼散射从可见光和红外波段扩展到太赫兹波段,为太赫兹波与表面增强拉曼散射的结合应用提供了依据。     

L-阿拉伯糖指纹区太赫兹光谱和拉曼光谱的研究

为了解生物体内L-阿拉伯糖在代谢过程中的合成与降解机制,采用太赫兹和拉曼光谱系统,对其指纹区的振动进行检测。结果表明,L-阿拉伯糖太赫兹图谱在频率49.5和72.2 cm-1分别检测出了振动吸收,其中72.2 cm-1的振动为首次检出。该振动频率与其折射率图谱反常色散的频率基本一致,故这两个振动吸收可以作为L-阿拉伯糖的特征吸收。最为重要的是,在该频域内,检测得到图谱的波型与三种异构体理论值简单叠加后波型极为相似,故可以初步判定样品含有三种构象异构体(α-型、β-型和l-型结构),非单一组分,而是混合组分;对于拉曼图谱而言,其特点简洁而明晰,一般将指纹区的振动,从高到低分为四个区域：吡喃环结构的伸缩振动、亚甲基的摇摆振动、环上羟基的扭曲振动及环骨架扭曲和畸变振动。同时也根据密度泛函理论B3LYP/6-311G**基组,分别对L-阿拉伯糖的三种构象异构体的振动进行模拟计算,利用势能分布对这些振动进行归属和指认。与理论值相比,振动频率检测值有不同程度的红移,即振动频率向低频发生了偏移,其原因是样品内不同分子间相互影响所致。     

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     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

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。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

近代Raman光谱技术

介绍几种近代拉曼（Raman）光谱技术及其在科学中的应用。     

Raman and infrared spectra of tere-phthalaldehyde

The laser Raman spectrum of tere-phthalaldehyde powder has been recorded on a Jobin Yvonhg 2S spectrophotometer with a~100 mW Argon-Ion laser. The infrared spectrum of the solid substance has been recorded on a Perkin-Elmer 621 spectrophotometer in the region 300–4000 cm^-1 using KBr and nujol mull techniques. The observed frequencies have been assigned in terms of the fundamentals, overtones and combinations assumingD _2h point-group symmetry.     

Laser Raman and infra-red spectra of biomolecule: 5-aminouracil

Laser Raman (200–4000 cm⁻¹) and IR (200–4000 cm⁻¹) spectra of 5-aminouracil were recorded in the region 200–4000 cm⁻¹. Assuming a planar geometry and C_s point group symmetry, it has been possible to assign all the 36 (25a′ + 11a″) normal modes of vibration for the first time. The two NH bonds of the NH₂ group appear to be equivalent as the NH₂ stretching frequencies satisfy the empirical relation proposed for the two equivalent NH bonds of the NH₂ group. The two NH₂ stretching frequencies are distinctly separated from the CH/NH ring stretching frequencies. A strong and sharp IR band at 3360 cm⁻¹ could be identified as the anti-symmetric NH₂ mode whereas the band at 3290 cm⁻¹ with smaller density could be identified as the symmetric NH₂ stretching mode. All other bands have also been assigned different fundamentals/overtones/combinations.      

Vibrational and surface‐enhanced Raman spectra of vanillic acid

The 3‐methoxy‐4‐hydroxybenzoic acid or vanillic acid (VA) is a naturally occurring molecule important in winemaking. The spectral fingerprints of VA observed in the infrared and Raman spectra are assigned to fundamental vibrational wavenumbers supported by quantum chemical computations. The surface‐enhanced Raman scattering (SERS) of the VA has been obtained in silver colloidal solutions making possible analytical applications for detection of VA at picomole concentrations. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

注射用针剂药物的拉曼散射光谱研究

本文从药品鉴别的角度出发,首先论述了拉曼光谱分析技术并测试了九种针剂药品的拉曼光谱,通过分析讨论相关药品的拉曼光谱得出了几点结论:(1)某些药品的拉曼峰较多,特征峰值较强,频移范围比较广,例如:氟尿嘧啶,依托泊苷,异烟肼,克林霉素磷酸酯。(2)某些药品拉曼峰较弱,或是没有明显的特征峰,例如:硫酸阿米卡星,甲氧苄啶,利巴韦林,葡萄糖依诺沙星,硫酸庆大霉素。(3)在分析频率及其相对强度时发现,在某一频率下正对的峰高和面积较大,则其相对强度较大,例如:氟尿嘧啶,异烟肼,硫酸阿米卡星,甲氧苄啶,葡萄糖依诺沙星。虽然得到的结论还不能满足对药品的品质鉴定,但通过拉曼光谱分析技术在药品鉴别中的应用,给出了一些药品的拉曼特征谱,为药品的鉴别提供了参考依据。可以说利用光谱分析技术对药品进行鉴别是完全可行的。     

Gigantic stimulated Raman scattering in one-dimensional Mott-Hubbard insulators: A possible THz source

One-dimensional Mott-Hubbard insulators like Sr₂CuO₃, halogen-bridged Nickel chain compounds have orders-of-magnitude nonlinear optical properties compared to other one-dimensional organic or inorganic compounds. We show theoretically, that the stimulated Raman scattering susceptibility for such insulators could be order(s)-of-magnitude larger even compared to other nonlinear optical susceptibilities. The lowest two-photon state is at lower energy than the lowest one-photon state in some of these insulators. This leads to a potential for strong Stokes generation in the THz regime from these compounds. Our results and conclusions are based on exact numerical solution of finite size two-band extended Hubbard model.     

基于密度泛函的伪麻黄碱拉曼光谱性质研究

研究伪麻黄碱的拉曼光谱和吸附在纳米银基底上的表面增强拉曼光谱(SERS),利用密度泛函理论B3LYP/6-311G++(d, p)方法对伪麻黄碱分子进行了计算,得到了分子构型信息和理论拉曼光谱,用Gaussview软件对分子振动模式进行了全面的归属,在伪麻黄碱的表面增强拉曼光谱中,采用了自组装方法获得了团簇银纳米表面增强基底,实现了很好的增强效应.实验结果表明：伪麻黄碱的拉曼光谱计算结果和实验结果基本一致,理论计算为伪麻黄碱分子振动峰位的归属提供了重要的依据,伪麻黄碱分子与银纳米表面化学吸附,苯环垂直于纳米基底表面,研究结果为伪麻黄碱的拉曼光谱检验分析提供了理论依据,也为苯丙胺类毒品的光谱分析研究提供了参考.     

n-SiC的电子拉曼散射及二级拉曼谱研究

研究了利用离子注入法得到的掺氮n-SiC拉曼光谱. 理论线形分析表明,与4H-SiC相比,6H-SiC中LO声子等离子体激元耦合模(LOPC模)拉曼位移随自由载流子浓度变化较小. 5145nm激发光下得到的电子拉曼散射光谱表明,k位处由1s(A₁)到1s(E)的能谷轨道跃迁带来的拉曼谱6H-SiC中有四条,4H-SiC中有二条;高频6303及635cm^-1处观察到的谱线被认为与深能级缺陷有关. 最后,利用纤锌矿型结构二级拉曼散射选择定则指认了6 关键词： 碳化硅 电子拉曼散射 轨道能谷分裂 倍频谱     

掺钐和掺镧铁酸铋的拉曼光谱

本文对Bi1-xSmxFeO3和Bi1-xLaxFeO3样品的拉曼光谱进行了研究, 结果表明当掺Sm量达15%时, 170 cm-1和272 cm-1模消失, 287 cm-1新模出现, Bi1-xSmxFeO3样品发生了三角到三斜的结构相变; 而当La量达30%时, 175 cm-1、219 cm-1和348 cm-1模消失, Bi1-xLaxFeO3样品才发生三角到正交的结构相变。这归因于Sm的有效离子半径与Bi的差别较大。掺杂导致的拉曼峰蓝移归因于离子间的作用增强。     

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。