基于太赫兹时域光谱技术的生物分子和农药分子的检测技术研究

摘要

太赫兹(THz，1THz=10122Hz)频段是指频率从0.1 THz到10THz，介于微波与红外之间的电磁辐射区域，属于远红外波段。近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐射的产生和应用研究得到了蓬勃发展。太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是基于飞秒超快激光技术的THz波段光谱测量新技术，它利用电光取样或光电导取样的方法直接记录THz辐射电场的振幅时间波形，经过傅里叶变换后可以得到测量信号振幅和相位的光谱分布，进而获得材料在THz波段的复介电常数，即色散及吸收等信息。THz本身具有的低能量，强穿透力等诸多特点使得人们对其越来越感兴趣，物质对THz辐射的特征吸收可用来分析材料的组成及其结构的细微变化，因而近年来被广泛运用于化学、生物材料在THz波段的光学特性研究。THz时域光谱技术的研究虽然已经走过了十几年的路程，但是商业化的光谱仪只能在光谱表征方面做一些有限的工作，而不能进行定量测定工作。 本文运用太赫兹时域光谱技术和量子化学计算的方法研究了室温条件下氨基酸、维生素等生物分子及若干种农药分子样品的光谱特征，得到了相应的吸收谱和折射率。实验结果表明，不同的样品具有不同的吸收特性，这说明样品在THz波段存在光谱响应，可以用来探测分子的结构和振动情况。同时，运用量子化学计算对振动光谱进行了归属，理论计算结果与实验较为一致。生物分子的远红外吸收特征对于分子的结构和空间排列非常敏感，THz-TDS技术可以鉴别物质结构存在微小差异的化合物，因而可以用于物质检测与分析。论文的主要工作和创新点如下： (1)详细阐述了太赫兹波科学技术相关的电磁学、量子力学、量子化学及半导体物理学等理论，并由此引申出太赫兹波的产生、探测方法及其理论机理。重点介绍了透射型太赫兹时域光谱技术及其相关的材料参数的提取方法、样品制备、光路调节及实验仪器的操作过程。 (2)利用THz时域光谱技术研究了L-酪氨酸、L-谷氨酸和L-天冬氨酸及它们的手性异构体和外消旋化合物等九种晶体分子在室温氮气环境下的THz波段光谱特性。根据Domey等人提出的提取材料THz波段光学参数的物理模型，获得了它们在0.2～2.2THz范围内的频域谱和高分辨率特征吸收谱。实验结果表明三种手性对映体及其外消旋化合物的THz吸收谱之间存在明显差异，其主要原因是它们的晶体结构不同，进而导致晶格振动模式和晶体内分子间氢键作用的差异。THz-TDS对于分子的结构和空间排列非常敏感，可以鉴别氨基酸手性对映异构体及其外消旋化合物。该研究为食品安全、手性药物识别提供了一种高效、无损伤的新型检测手段。 (3)通过对B族维生素Bl、B2及B6分子的THz光谱研究，我们发现这三种分子在0.2～2.2 THz波段内存在显著的吸收峰，且吸收峰有较大的差异。这种差异主要表现在吸收峰位置的不同、吸收系数的大小以及折射率变化规律的差异中。这些差异来源于它们分子结构的不同。伴随着吸收峰的出现，折射率曲线在吸收峰处出现反常的色散现象。该研究结果为建立维生素生物分子的指纹谱库以及深入分析生物分子的构型、构象等问题提供了重要的实验依据。 (4)对七种常见农药分子进行了THz光谱研究。得出不同比例农药样品的在0.2～2.2THz范围内的频率谱和吸收谱。结果表明这七种农药分子呈现出了显著的吸收峰且差异较大。这些吸收峰来不仅来源于分子内的集体振动，同时来源于分子间的弱相互作用。此外在样品制作的过程中，通过掺杂不同比例的聚乙烯粉末，可以扩宽有效的频谱范围。该研究结果为农药分子提供了THz波段的指纹谱，为将THz-TDS技术应用于食品安全，农药残留检测打下了很好的基础。 (5)为进一步理解所得样品吸收谱的理论机理，本文利用量化计算软件(Gaussian03)对谷氨酸分子和乙酰甲胺磷分子进行了理论计算。对于谷氨酸分子，采用DFT的B3LYP/6-311+G**基组进行计算，理论计算的结果与实验较为吻合。借助于可视化软件GaussView3.0对谷氨酸分子在0.2～2.2THz范围的振动模式进行了详细的指认。对于乙酰甲胺磷分子，分别采用Hartree-Fock从头算理论、AMl半经验理论和密度泛函理论三种理论方法进行了量子化学计算。通过对比发现，密度泛函理论由于有效地考虑了电子交换和电子相关的能量，并且采用了对体系中所有原子加弥散函数、对重原子加d极化函数和对氢原子加p极化函数的6-311+G(d，p)较大基组，因而比HF从头算和AMl半经验方法有更的计算精度和效率。论文最后对生物分子及农药分子太赫兹谱研究中需要进一步研究与改进的问题进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的研究背景

1.2 THz光谱在生物化学领域的研究进展

1.3论文的目的和主要内容

第2章太赫兹波科学技术

2.1太赫兹波科学技术的相关理论简介

2.1.1电偶极子模型

2.1.2麦克斯韦方程组

2.1.3量子力学基本理论

2.1.4量子化学相关理论

2.1.5固体物理学相关理论

2.2太赫兹辐射的产生技术

2.2.1宽频带脉冲THz波产生技术

2.2.2窄频带连续THz波产生技术

2.3太赫兹辐射的探测技术

2.3.1光电导采样

2.3.2自由空间电光采样

2.3.3混频器和差频检测

2.4太赫兹辐射的特性

2.5太赫兹波的应用领域

2.5.1化学及相关领域

2.5.2环境监测领域

2.5.3安全检查领域

2.5.4空间物理和天文学

2.5.5军事和通讯领域

2.6 THz技术目前存在的问题

2.7本章小结

第3章太赫兹时域光谱检测技术

3.1太赫兹时域光谱技术

3.1.1透射型太赫兹时域光谱系统

3.1.2反射型太赫兹时域光谱系统

3.2透射型THz-TDS系统材料光学参数提取的基本原理

3.3 THz-TDS的实验技术

3.3.1样品制备技术

3.3.2 THz-TDS系统的实验过程

3.4本章小结

第4章基于THz-TDS的氨基酸及维生素的生物分子THz光谱研究

4.1氨基酸手性异构体及其外消旋化合物的THz光谱研究

4.1.1氨基酸生物分子简介

4.1.2手性和手性化合物

4.1.3 L-酪氨酸及其对映异构体和外消旋化合物

4.1.4 L-谷氨酸及其对映异构体和外消旋化合物

4.1.5 L-天冬氨酸及其对映异构体和外消旋化合物

4.2 B族维生素B1、B2及B6分子的THz光谱研究

4.3本章小结

第5章基于THz-TDS的农药分子的THz光谱研究

5.1三种有机磷杀虫剂的THz光谱研究

5.2除草剂丁草胺和异丙甲草胺的THz光谱研究

5.3除菌剂戊唑醇和己唑醇的THz光谱研究

5.4本章小结

第6章THz光谱的理论解析

6.1红外吸收光谱解析基本原理

6.1.1红外吸收光谱概述

6.1.2红外吸收光谱解析

6.2量子化学计算

6.2.1量化计算的原理及方法

6.2.2 Gaussian03的使用

6.3理论模拟结果分析

6.3.1谷氨酸的THz光谱理论解析

6.3.2乙酰甲胺磷的THz光谱理论解析

6.4本章小结

第7章结论和展望

7.1论文工作总结

7.2今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要工作

致谢