基于太赫茲時域光譜技術的生物分子和農藥分子的檢測技術研究.pdf

1、太赫茲(THz，1THz=10122Hz)頻段是指頻率從0.1 THz到10THz，介于微波與紅外之間的電磁輻射區(qū)域，屬于遠紅外波段。近十幾年來，超快激光技術的迅速發(fā)展，為THz脈沖的產生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產生和應用研究得到了蓬勃發(fā)展。太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)是基于飛秒超快激光技術的THz波段光譜測量新技術，它利用電光取樣或光電導取樣的方法直接記錄THz輻射電場的振幅時間波形，經過傅里葉變換后可以得到

2、測量信號振幅和相位的光譜分布，進而獲得材料在THz波段的復介電常數，即色散及吸收等信息。THz本身具有的低能量，強穿透力等諸多特點使得人們對其越來越感興趣，物質對THz輻射的特征吸收可用來分析材料的組成及其結構的細微變化，因而近年來被廣泛運用于化學、生物材料在THz波段的光學特性研究。THz時域光譜技術的研究雖然已經走過了十幾年的路程，但是商業(yè)化的光譜儀只能在光譜表征方面做一些有限的工作，而不能進行定量測定工作。 本文運用太赫茲

3、時域光譜技術和量子化學計算的方法研究了室溫條件下氨基酸、維生素等生物分子及若干種農藥分子樣品的光譜特征，得到了相應的吸收譜和折射率。實驗結果表明，不同的樣品具有不同的吸收特性，這說明樣品在THz波段存在光譜響應，可以用來探測分子的結構和振動情況。同時，運用量子化學計算對振動光譜進行了歸屬，理論計算結果與實驗較為一致。生物分子的遠紅外吸收特征對于分子的結構和空間排列非常敏感，THz-TDS技術可以鑒別物質結構存在微小差異的化合物，因而可以

4、用于物質檢測與分析。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下： (1)詳細闡述了太赫茲波科學技術相關的電磁學、量子力學、量子化學及半導體物理學等理論，并由此引申出太赫茲波的產生、探測方法及其理論機理。重點介紹了透射型太赫茲時域光譜技術及其相關的材料參數的提取方法、樣品制備、光路調節(jié)及實驗儀器的操作過程。 (2)利用THz時域光譜技術研究了L-酪氨酸、L-谷氨酸和L-天冬氨酸及它們的手性異構體和外消旋化合物等九種晶體分子在室溫氮氣環(huán)境下

5、的THz波段光譜特性。根據Domey等人提出的提取材料THz波段光學參數的物理模型，獲得了它們在0.2～2.2THz范圍內的頻域譜和高分辨率特征吸收譜。實驗結果表明三種手性對映體及其外消旋化合物的THz吸收譜之間存在明顯差異，其主要原因是它們的晶體結構不同，進而導致晶格振動模式和晶體內分子間氫鍵作用的差異。THz-TDS對于分子的結構和空間排列非常敏感，可以鑒別氨基酸手性對映異構體及其外消旋化合物。該研究為食品安全、手性藥物識別提供了一

6、種高效、無損傷的新型檢測手段。 (3)通過對B族維生素Bl、B2及B6分子的THz光譜研究，我們發(fā)現(xiàn)這三種分子在0.2～2.2 THz波段內存在顯著的吸收峰，且吸收峰有較大的差異。這種差異主要表現(xiàn)在吸收峰位置的不同、吸收系數的大小以及折射率變化規(guī)律的差異中。這些差異來源于它們分子結構的不同。伴隨著吸收峰的出現(xiàn)，折射率曲線在吸收峰處出現(xiàn)反常的色散現(xiàn)象。該研究結果為建立維生素生物分子的指紋譜庫以及深入分析生物分子的構型、構象等問題提

7、供了重要的實驗依據。 (4)對七種常見農藥分子進行了THz光譜研究。得出不同比例農藥樣品的在0.2～2.2THz范圍內的頻率譜和吸收譜。結果表明這七種農藥分子呈現(xiàn)出了顯著的吸收峰且差異較大。這些吸收峰來不僅來源于分子內的集體振動，同時來源于分子間的弱相互作用。此外在樣品制作的過程中，通過摻雜不同比例的聚乙烯粉末，可以擴寬有效的頻譜范圍。該研究結果為農藥分子提供了THz波段的指紋譜，為將THz-TDS技術應用于食品安全，農藥殘留檢

8、測打下了很好的基礎。 (5)為進一步理解所得樣品吸收譜的理論機理，本文利用量化計算軟件(Gaussian03)對谷氨酸分子和乙酰甲胺磷分子進行了理論計算。對于谷氨酸分子，采用DFT的B3LYP/6-311+G**基組進行計算，理論計算的結果與實驗較為吻合。借助于可視化軟件GaussView3.0對谷氨酸分子在0.2～2.2THz范圍的振動模式進行了詳細的指認。對于乙酰甲胺磷分子，分別采用Hartree-Fock從頭算理論、AMl