基于非对称谐振器-THz技术的四环素及其降解物检测研究

摘要

四环素因疗效好、成本低，被广泛应用于养殖业中动物疾病预防与治疗。但四环素分子极不稳定，在生产和贮存过程中容易生成差向四环素、脱水四环素和差向脱水四环素等有害降解物。许多不法商家为了尽可能降低动物疾病风险和成本，将四环素生产过程中含大量降解物的发酵残液制成的粉末制剂直接作为饲料添加剂用于动物日常养殖中，导致动物体内四环素及其降解物残留，对消费者健康造成极大危害，因此对四环素及其有害降解物进行快速检测十分重要。
　　太赫兹光谱技术，尤其太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术，是近年来新兴的一种检测手段，与传统技术相比，具有安全、无损、快速等优点，目前已被广泛应用于生物及化学分子检测中。但由于技术上的不成熟，该技术的检测灵敏度较低，且由于水对太赫兹波的强烈吸收，对高吸收性液体检测较为困难。超材料是一种人工复合结构或材料，具有独特的电磁响应特性，可显著提高太赫兹光谱技术检测的灵敏度，已被广泛应用于太赫兹传感中。但由于水对太赫兹波的强烈吸收，对高吸收性液态样品中微量物质的检测仍是一大挑战。
　　本文以食品中常见的盐酸四环素（Tetracyline Hydrochloride，TCH）及其降解物盐酸差向四环素（Epitetracyline Hydrochloride，ETCH）、盐酸脱水四环素（Anhydrotetracyline Hydrochloride，ATCH）和盐酸差向脱水四环素(Epianhydrotetracyline Hydrochloride，EATCH)为研究对象，通过研究这4种物质的太赫兹特征谱并对其特征吸收峰进行解析，探索THz-TDS技术对这4种物质进行定性鉴别的可行性，并建立基于非对称双杆谐振器(ADWR)结合THz-TDS技术的TCH及其降解物水溶液检测方法体系，为液态食品中四环素及其降解物残留、其他抗生素残留的快速测定提供新思路。
　　主要研究内容、结果和结论如下:
　　(1)分析了TCH及其降解物在常温下的太赫兹吸收光谱，并利用密度泛函(DFT)方法对它们的特征吸收峰的振动模式进行解析，结果表明:1）在0.2-1.8THz频段，TCH具有两个明显的特征吸收峰，分别位于0.77THz和1.40THz。ETCH具有5个较弱的特征吸收峰，分别位于0.61THz、1.01THz、1.17THz、1.32THz和1.59THz处。ATCH在0.88THz和1.17THz处具有两个较强特征吸收峰，在1.30THz处有一个较弱特征吸收峰。EATCH则未观察到特征吸收峰。且整体而言，EATCH的吸收系数最高，TCH和ATCH次之，ETCH最低。同时，EATCH的折射率最大，TCH次之，ATCH再次之，ETCH最小。2）DFT分析结果表明，TCH在0.77THz处的特征吸收峰来自于分子内振动模式，实验测得而DFT计算未得到的1.40THz处的特征吸收峰则可能来自于分子间相互作用如氢键结合作用引起的分子间振动模式或声子模式。ETCH在0.61THz、1.01THz、1.17THz、1.32THz和1.59THz处的特征吸收峰来自于分子内振动模式。ATCH在0.88THz处的特征吸收峰来自于分子内振动模式，实验测得而DFT计算未得到的1.17THz和1.30THz处的特征吸收峰则可能来自于分子间相互作用如氢键结合作用引起的分子间振动模式或声子模式。EATCH在0.2-1.8THz频段无特征吸收峰。结果表明，TCH及其降解物具有明显不同的太赫兹光谱特征，可利用这些光谱特征对其进行定性鉴别，且DFT方法能在一定程度上解析太赫兹特征吸收峰，为后续研究打下理论基础。
　　(2)分析了不同温度下TCH及其降解物的太赫兹吸收光谱，结合DFT结果，进一步对这4种物质特征吸收峰的振动模式进行解析，结果表明:1）随着温度降低，TCH在0.2-1.8THz频段内的两个特征吸收峰发生频率移动，且1.40THz处的特征吸收峰的频率与温度的关系符合声子的频率-温度经验公式，结合DFT分析结果说明，TCH在0.77THz处的特征吸收峰来自于分子内振动模式，在1.40THz处的特征吸收峰则来自于分子间氢键振动势的非谐性引起的声子-声子散射。2）随着温度降低，ETCH在0.2-1.8THz频段内的5个特征吸收峰发生频率移动，且所有特征吸收峰的频率与温度的关系均不符合声子的温度-频率经验公式，结合DFT分析结果说明，ETCH的这5个特征峰均来自于分子内振动模式。3）随着温度降低，ATCH在0.2-1.8THz频段内的3个特征吸收峰发生频率移动，且1.17THz处的特征吸收峰的频率与温度的关系符合声子的频率-温度经验公式。结合DFT分析结果说明，ATCH在0.88THz处的特征吸收峰来自于分子内振动模式，1.17THz处的特征吸收峰来自于分子间氢键振动势的非谐性引起的声子-声子散射，1.30THz处的振动模式则来自于普通分子间振动模式。4）随着温度降低，EATCH在0.2-1.8THz频段均未发现可以辨别的特征吸收峰，说明EATCH在该频段无特征吸收峰，验证了DFT分析结果。结果表明，研究TCH及其降解物的特征吸收峰随温度变化情况可进一步对其太赫兹特征吸收峰进行解析，揭示各自特征吸收峰的来源，为后续研究提供理论依据。
　　(3)以简单的金属杆阵列作为基本研究结构，以Mylar薄膜作为基底，借助CST仿真软件分析了金属杆阵列的结构尤其相邻两杆的非对称度对其电磁响应特性的影响，并对其结构参数进行优化，以期获得在TCH及其降解物可定性鉴别的太赫兹频段具有多重共振模式、高共振强度和高灵敏度的超材料，并通过高吸收性水-甲醇混合溶液的实际检测验证其用于高吸收性液体太赫兹检测的可行性，结果表明:1）通过打破相邻金属双杆的对称性，可获得具有多重共振模式包括Fano共振、Fano透射峰和Dipole共振的非对称双杆谐振器(Asymmetric Dual-Wire Resonator，ADWR)结构。且随着双杆非对称度增加，Fano共振和Fano透射峰的灵敏度降低，Dipole共振的灵敏度增加，同时，Fano共振的强度增加。综合考虑共振强度和灵敏度，选择双杆长度分别为60μm和106μm的ADWR作为最终所用结构。所选择的ADWR的Dipole共振灵敏度最高，Fano透射峰次之，Fano共振灵敏度最低。2）随着水-甲醇混合液中水的浓度增加，ADWR的Fano共振、Fano透射峰及Dipole共振均发生红移，并伴随Fano透射峰的透过率逐渐降低，Fano共振、Fano透射峰及Dipole共振结合THz-TDS技术可实现的水-甲醇混合溶液的检测灵敏度分别达到93GHz/RIU、105GHz/RIU和160GHz/RIU。结果表明，所设计的ADWR结构具有多重共振模式、较高共振强度和灵敏度，且可有效用于高吸收性液体的太赫兹检测，为后续TCH及其降解物水溶液的高灵敏、高准确性太赫兹检测提供方法。
　　(4)以太赫兹超材料检测常用的滴样干燥法制样，分析了基于滴样干燥法的ADWR结合THz-TDS技术的TCH及其降解物水溶液间接检测效果，结果表明:1）随着TCH及其降解物浓度增加，ADWR的3种共振模式均发生红移，并伴随Fano透射峰的透过率值降低，且Dipole共振发生的频移最大，Fano透射峰次之，Fano共振最小，与本文第四章所得的这3种共振模式的理论结果一致。同时，EATCH引起的3种共振模式的频移和Fano透射峰的透过率变化最大，TCH和ATCH次之，ETCH最小，与本文第二章所获得的这4种物质的折射率和吸收系数大小一致。2）PCA结果表明，ADWR的Fano共振、Fano透射峰和Dipole共振结合THz-TDS可检测到的TCH水溶液的最低浓度分别为0.1mg/L，0.01mg/L和0.01mg/L，可检测到的ATCH和EATCH水溶液的最低浓度分别与TCH一致，可检测到的ETCH水溶液的最低浓度则分别为0.1mg/L，0.1mg/L和0.1mg/L，比法律规定的动物源性食品中四环素类抗生素的最高残留限量（0.1-0.6mg/L）更低，且可同时利用ADWR的3种共振模式进行检测提高TCH及其降解物检测的准确性。结果表明，基于滴样干燥法的ADWR结合THz-TDS技术在TCH及其降解物水溶液的间接高灵敏、高准确性太赫兹检测上具有一定的应用前景。
　　(5)借助光程较小的液体池作为样品池，分析了基于液体池法的ADWR结合THz-TDS技术的TCH及其降解物水溶液直接检测效果，结果表明:1）对液体进行检测时，ADWR的3种共振模式尤其Dipole共振的共振强度明显降低，且3种共振模式尤其低频处的Fano共振和Fano透射峰随着样品浓度增加而发生蓝移，并伴随Fano透射峰的透过率值增加，与基于滴样干燥法获得的规律相反。对TCH和ATCH水溶液进行检测时，Fano共振发生的频移最大，Fano透射峰次之，Dipole共振最小。而对ETCH和EATCH水溶液进行检测时，Fano透射峰发生的频移最大，Fano共振次之，Dipole共振最小。2）PCA结果表明，ADWR的Fano共振、Fano透射峰和Dipole共振结合THz-TDS技术可直接检测到的TCH、ETCH、ATCH和EATCH水溶液的最低浓度均分别为10mg/L，10mg/L和100mg/L，虽然没有达到动物源性食品中四环素类抗生素的最高残留限量(0.1-0.6mg/L)，但明显低于文献报道的基于普通液体池法(730mg/L)和衰减全反射方法(450mg/L)得到的四环素类抗生素溶液的检测限，且可同时利用ADWR的3种共振模式进行检测提高TCH及其降解物水溶液检测的准确性。结果表明，基于液体池法的ADWR结合THz-TDS技术在TCH及其降解物水溶液直接、快速、较高灵敏度和高准确性太赫兹检测上具有一定的应用前景。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

插图清单

表格清单

英文缩略表

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 四环素简介

1．1．2 四环素降解物的产生

1．1．3 四环素及其降解物在食品中的残留现状及危害

1．2 四环素及其降解物残留的常用检测方法及存在问题

1．3 太赫兹光谱技术检测四环素及其降解物可行性

1．3．1 太赫兹波及THz-TDS技术简介

1．3．2 THz-TDS技术用于生物及化学分子检测的研究现状

1．4 超材料结合THz-TDS技术检测四环素及其降解物可行性

1．4．1 超材料简介

1．4．2 超材料结合THz-TDS用于生物及化学分子检测的研究现状

1．5 本文选题依据

1．6 研究目的、内容和技术路线

1．6．1 研究目的和内容

1．6．2 技术路线图

1．7 本章小结

第二章 TCH及其降解物的太赫兹特征谱分析

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 材料与试剂

2．2．2 仪器设备

2．2．3 样品的制备

2．2．4 光谱的采集

2．2．5 光学常数的提取

2．2．6 光谱的理论模拟

2．3 结果与讨论

2．3．1 TCH及其降解物的太赫兹吸收光谱

2．3．2 TCH及其降解物的振动频率计算

2．4 本章小结

第三章 不同温度下的TCH及其降解物的太赫兹光谱解析

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 材料与试剂

3．2．2 仪器设备

3．2．3 样品的制备

3．2．4 光谱的采集

3．2．5 光学常数的提取

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同温度下的TCH的太赫兹特征吸收谱

3．3．2 不同温度下的ETCH的太赫兹特征吸收谱

3．3．3 不同温度下的ATCH的太赫兹特征吸收谱

3．3．4 不同温度下的EATCH的太赫兹特征吸收谱

3．4 本章小结

第四章 非对称双杆谐振器的设计与制作

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 材料与试剂

4．2．2 仪器设备

4．2．3 ADWR的仿真

4．2．4 ADWR的制作

4．2．5 光谱的采集

4．2．6 光学常数的提取

4．3 结果与讨论

4．3．1 ADWR的模拟结果

4．3．2 ADWR的实验结果

4．3．3 ADWR结合THz-TDS技术用于水-甲醇混合溶液检测

4．4 本章小结

第五章 ADWR结合THz-TDS技术用于TCH及其降解物水溶液检测--滴样干燥法

5．1 引言

5．2 稿料与方法

5．2．1 材料与试剂

5．2．2 仪器设备

5．2．3 ADWR的仿真及制作

5．2．4 样品的制备

5．2．5 光谱的采集及光学常数提取

5．2．6 主成分分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 ADWR的模拟及实验结果

5．3．2 ADWR结合THz-TDS技术用于TCH及其降解物水溶液检测

5．4 本章小结

第六章 ADWR结合THz-TDS技术用于TCH及其降解物水溶液检测--液体池法

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 材料与试剂

6．2．2 仪器设备

6．2．3 ADWR的仿真及制作

6．2．4 液体池的制备

6．2．5 样品的制备

6．2．6 光谱的采集及光学常数提取

6．3 结果与讨论

6．3．1 ADWR的模拟及实验结果

6．3．2 ADWR结合THz-TDS技术用于TCH及其降解物水溶液检测

6．4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 进一步研究展望

参考文献

作者简历