太赫兹光谱技术在气体检测中的应用

相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性,使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能.概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状,介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱,以及对混合气体分子和同素异形体分子的识别.对太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究方向进行了展望.     

丁基羟基茴香醚的太赫兹时域光谱检测与分析

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术对食品添加剂丁基羟基茴香醚（BHA）及其与聚乙烯不同配比的混合物进行了检测,获得了其在0.2-2.6THz波段的吸收谱和折射率谱。实验结果表明,在此波段内该物质有三个明显的吸收峰,分别位于0.64THz,1.14THz和1.81THz,该指纹谱可用于THz波段该物质的检测与识别。此外,利用最小二乘法对混合物太赫兹光谱峰位的吸收系数和质量分数进行线性拟合,结果表明聚乙烯中丁基羟基茴香醚的含量与太赫兹光谱的相关系数大于0.98。最后,用密度泛函理论对单分子丁基羟基茴香醚进行了数值计算,表明太赫兹指纹谱与分子构型和分子内部运动有关系。     

氨基酸的太赫兹光谱研究进展

太赫兹(THz)波是指频率从0.1到10 THz之间的电磁波。氨基酸分子间的振动模式(扭转,集体振动和氢键)大都处于THz波段,相比红外,氨基酸在THz波段体现出很多独特的吸收特征。因此对氨基酸的太赫兹光谱进行研究,有利于更全面地认识氨基酸的生物特性,也为进一步研究生物大分子蛋白质提供了借鉴。本文系统分析了太赫兹时域光谱技术在氨基酸领域应用的研究进展,总结了包括氨基酸的鉴定与识别、太赫兹指纹谱数据库的建立、振动模式指认及理论模型构建、太赫兹光谱与温度相关性以及基于THz光谱的定量分析等5个方面的研究内容。依据大量前人的研究成果,总结了20种基本氨基酸在0~6 THz的指纹谱数据库,针对当前的研究现状,提出了氨基酸太赫兹光谱研究方面仍存在的问题,为今后的研究工作提供了重要的指导价值。     

葡萄糖溶液的太赫兹光谱观察

生物有机分子的生物功能必须在其水溶液中实现。太赫兹波对水非常敏感,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术能够检测生物分子——水分子界面的集体水分子网络动力学变化,是检测和研究生物有机分子溶液的理想工具。本文利用太赫兹时域光谱技术研究了葡萄糖的分子结构,获得葡萄糖及其不同浓度的溶液在室温氮气环境下的太赫兹时域吸收光谱,以及在室温真空环境下的傅里叶远红外光谱(FTFIR)。结果表明葡萄糖溶液对太赫兹波有特征吸收峰,不同浓度的葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收各不相同。故使用太赫兹时域光谱技术能够完成葡萄糖及其不同浓度溶液的鉴别。     

太赫兹波对肾癌组织的光谱检测

利用太赫兹光谱技术,对人肾癌组织进行检测,分别比较了肿瘤组织和肿瘤旁正常组织对太赫兹波的响应。通过对新鲜含水和经冷冻真空脱水组织的测量分析,分别获得了不同样品在0.2~1.2 THz波段的吸收系数和折射率。结果显示,生物组织中含水量对太赫兹波吸收信号强度有很大的影响。同时,不同组织的细胞结构和成分也是影响太赫兹信号强度的重要因素。比如癌细胞和正常细胞的结构的不同,因此对太赫兹电磁波的吸收以及它们在太赫兹波段的折射率都有显著的不同。结果显示太赫兹光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广阔的应用前景。     

咪唑和吡唑的太赫兹吸收峰形成机理

咪唑及其异构体吡唑在太赫兹波段具有的独特光谱特征能够作为该类物质的判别依据。为进一步解释太赫兹光谱特征的产生机理，基于密度泛函理论对咪唑和吡唑进行了分子结构建模与优化，采用势能分布分析确定了不同特征吸收峰的振动特征，并采用相互作用区域指示函数图形化分析、基于分子力场的能量分解分析和电子密度拓扑分析相结合的方法定性和定量地分析分子间弱相互作用。结果表明：不同的色散作用、氢键数量和氢键强度使咪唑和吡唑具有不同的分子振动特征，从而在0.4～2.4 THz频段的特征吸收峰频率上产生了明显差异，揭示了特征吸收峰的形成机理与分子的振动特征差异和分子间弱相互作用差异密切相关，对鉴别含氮杂环异构体的农药原料以及获取微观结构信息具有重要的参考价值。     

金属线栅结构中太赫兹波偏振特性的研究

利用飞秒微加工和磁控溅射技术,在熔融石英衬底上设计并制作了不同结构的金属线栅,通过太赫兹时域光谱系统研究了线栅结构对太赫兹波偏振透射特性的影响,并用有限时域差分法对实验结果进行了模拟验证.分析了影响S和P两个偏振方向太赫兹波透射的物理机制.为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考.     

维甲酸和叶酸的太赫兹光谱

利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）在室温下对两种抗肿瘤维生素类药物维甲酸和叶酸在0.2～1.8 THz范围内进行了光谱测量,得到对应的吸收谱和折射率谱,发现叶酸和维甲酸在太赫兹波段都有明显的特征吸收峰,可作为其在太赫兹波段的指纹谱用于药物分子识别。同时,采用Gaussian03软件进行了单分子的密度泛函理论模拟,模拟中采用B3LYP结合高斯型基组6～31 G（d,p）,理论计算与实验结果基本吻合。另外,采用Gaussian-View3.0对叶酸和维甲酸在THz波段的特征吸收峰进行了指认。结果证明:利用太赫兹光谱技术结合密度泛函理论模拟对两种抗肿瘤维生素类药物分子识别及其新药研制具有一定的参考意义。     

金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹偏振透射特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹透射特性。结果表明,太赫兹波会激发金属狭缝阵列结构的表面等离体波共振,表面等离子体共振产生太赫兹波段超强透射现象。由于表面等离子体共振效应,这种狭缝结构对于透射的太赫兹产生很高偏振度,这些实验结果为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考。     

基于太赫兹时域光谱技术的磺胺甲噁唑多晶型现象

磺胺甲噁唑(SMX)作为典型的一类光谱抗生素,经常被用于敏感菌引起的各类感染。由于其晶体内部结构的不同,SMX 将以两种不同的多晶型形式存在。不同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流动性、稳定性以及药效等有较大影响。新兴发展起来的太赫兹光谱技术对于分子间弱的相互作用及大分子的骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收都非常敏感,在药物以及生物等领域获得了重要的应用。利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术在室温下对两种不同多晶型SMX 类药物在0.2~1.5 THz 范围内进行了光谱测量,得到对应的吸收谱,发现其在太赫兹波段都有明显的特征吸收峰,可作为其指纹谱用于该类药物多晶型的识别。不同温度下(95~296 K)获得太赫兹时域波形以及对应的频域吸收谱图,结果发现时域波形以及频域吸收谱均与温度呈现规律变化。该研究结果表明THz-TDS 技术药物与生物领域研究、区分药物分子多晶型现象等方面具有重要的应用。     

硫酸镁水合物的太赫兹表征

太赫兹时域光谱技术作为一种新型光谱检测手段,可用于包括水合物在内的多种物质的表征。金属硫酸盐具有多种不同的水合物,在太赫兹波段表现出不同的吸收特性,利用太赫兹光谱技术可以对过渡金属硫酸盐的不同水合物进行有效表征。本文利用太赫兹时域光谱系统对硫酸镁及其水合物进行表征。通过对七水硫酸镁进行恒温干燥,得到不同的硫酸镁热解产物并对其太赫兹吸收光谱进行研究。实验结果表明不同水合物表现出差异明显的太赫兹吸收特性。这为硫酸镁水合物的多种应用提供了重要参考,也为过渡金属硫酸盐及其水合物的检测提供了简单、快捷、有效的表征手段。     

氧化铝晶体的太赫兹光谱特性研究

利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究了氧化铝(Al2O3)在宽带太赫兹波范围(0.2～3.0 THz)内的光谱特性.改变晶体光轴与太赫兹脉冲偏振方向间的夹角(方位角),得到了Al2O3晶体在不同方位角下的太赫兹时域谱,计算了Al2O3晶体o光和e光的折射率和吸收系数,并画出了Al2O3晶体在太赫兹波段的折射率椭...     

Hg1-xCdx Te晶体生长及太赫兹性能研究

利用移动加热区方法(THM)生长了不同Cd组分的Hg1-xCdxTe晶体,通过傅立叶光谱仪和太赫兹时域光谱系统,研究了不同Cd组分Hg1-xCdxTe晶体在红外波段和太赫兹波段的透射光谱.当Cd组分小于0.279时,Hg1-xCdxTe材料在0.2～1.5 THz波段透过率接近0.在0.9 THz附近观察到Hg1-xC...     

太赫兹光子对生物分子系统作用效应的微观机制分析

太赫兹辐射是指频率范围在0.1×1012～10×1012 Hz之间的电磁辐射, 而生物分子的链、键振动频率大于1014 Hz, 故太赫兹光子难以引起生物分子的共振吸收效应。但按Frohlich的理论, 活的生物分子系统是具有高度相干性的系统, 其运动状态具有内部协同的集体振荡效应, 该集体振动模的频率为0.02×1012～2.0×1012 Hz。因此, 太赫兹光子是能够与活的生物分子系统发生相互作用的,并产生相应的共振吸收效应。在偶极近似条件下, 可通过太赫兹光子与生物分子振子相互作用的哈密顿量, 求解相应的薛定谔方程, 可解释太赫兹光子的荧光效应; 并讨论了太赫兹光子对生物细胞膜的作用效应机制。     

β-内酰胺类抗生素药物的太赫兹光

-内酰胺类是临床上应用最广泛的抗生素,具有广谱、高效和安全的特点。抗生素的鉴别和质量检查非常重要。相比其他光谱手段,太赫兹光谱具有许多独特的优势。利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术在常温下研究了6种临床常用抗生素类药物,获得了它们的太赫兹吸收光谱。测试结果表明:即使分子结构相似,但它们的太赫兹光谱具有明显不同的特征,说明THz-TDS技术能够鉴别这种分子结构的微小差异,可以很好地用于药品检测和分析,在药品的研制、生产和鉴别方面具有很好的应用前景。最后利用Gaussian 03软件计算了青霉素钠分子在0.2~2.5 THz的振动吸收光谱,与实验结果进行比较,并对其振动模式进行指认。     

生物柴油与石化柴油太赫兹光谱与十六烷值相关性的研究

为了实时监测生物柴油与石化柴油混合物的十六烷值,从二者的分子结构特征入手,利用密度泛函理论计算两种柴油主要成分在太赫兹波段的振动频率,并对振动模式进行指认,初步探讨了太赫兹吸收特性与十六烷值的内在联系。结果表明,生物柴油碳链末端的酯基基团是使生物柴油的太赫兹吸收和十六烷值均高于石化柴油的主要原因,二者随着混合物中生物柴油含量的增加而单调递增。建立起了不同浓度混合燃料太赫兹吸收曲线与十六烷值的对应关系模型,以此可以通过测量两种柴油及混合燃料的太赫兹光谱来预测其十六烷值。     

含氰基混合液晶太赫兹波吸收模拟研究

E7是一种常用的强极性液晶混合物,它具有较高的光学各向异性和较宽的向列相温度范围。本文利用量子化学计算方法,采用基于密度泛函理论的Gaussian98程序包,对构成E7各成分液晶分子在太赫兹波段的吸收进行了研究。基于分子基团对太赫兹波吸收特性,与有关文献的实验数据进行了对比。结果表明,构成分子核心的苯环,分子侧链上的氧原子等,都会对分子吸收强度、吸收峰位置和数目带来较大影响。在实验难以测量的较低太赫兹频段,计算工作仍然能够给出清晰完整的分子振动吸收信息。在较高频率波段,计算得到的分子振动吸收信息与已有的实验数据符合的较好。     

α-乳糖一水合物太赫兹动力学研究

乳糖一水合物是一种重要的水合物,其结合水对乳糖分子结构的影响一直是相关领域的研究热点之一。利用太赫兹时域光谱技术通过设置温度梯度对α-乳糖一水合物进行低温下的太赫兹动力学研究,发现α-乳糖一水合物在1.2 THz、1.3 THz的2个吸收峰随温度变化而红移。为进一步探究其吸收峰的产生机理,基于密度泛函理论对α-乳糖一水合物分别进行了单分子和晶胞理论计算并分析了α-乳糖一水合物的吸收峰振动模式。结果表明, α-乳糖一水合物的吸收峰来源于水分子和乳糖分子间的相互作用以及乳糖分子骨架振动,晶胞计算比单分子计算对于太赫兹波段内振动模式的预测更加准确。     

神经细胞中五种常见物质的太赫兹波谱的推定

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对神经细胞中常见的5种物质(L-谷氨酸、γ-氨基丁酸、肌酸、盐酸多巴胺和肌醇)的纯品进行特征谱检测。实验结果显示,5种物质在太赫兹波段有明显且独特的吸收谱线,并且同一种物质不同浓度的吸收系数符合朗伯比尔定律。此外,利用CASTEP软件包对5种物质的光谱进行仿真,结果显示太赫兹波段光谱特征吸收峰的成因主要由分子基团的振动而引起。之后,对肌醇、L-谷氨酸、γ-氨基丁酸和肌酸的1:1:1:1混合物的谱线进行检测,结合最小二乘法等算法倒推,可以准确推断每一种物质的含量及比例。结果表明,当4种物质混合时,物质含量推断的准确率为94%以上,这一研究结果对于癌组织的早期检测有重大意义。     

烷基化汽油中烃类物质含量的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了烷基化汽油中烯烃在太赫兹波段的性质。以烷基化汽油中的2,4,4-三甲基戊烯为例,分析了其不同浓度在太赫兹波段产生的光谱响应。结果表明, 对于烯烃含量不同的烷基化汽油,其信号中的峰强具有明显不同,并浓度的变化呈线性变化。利用时域谱最大值和最小值之和拟合而成的预测曲线对两种未知浓度样品进行预测,其误差均小于0.5%。同时对其不同频率下的吸收系数进行拟合与分析。根据太赫兹光谱最原始的幅值信息及其吸收系数可对其中烯烃含量进行快速定性,甚至是定量分析, 为烷基化汽油中烃含量和品质的定量检测作基础。