太赫兹技术对二氯苯胺两种同分异构体的检测

采用太赫兹时域光谱技术测量了3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺在0.2~2 THz波段的吸收谱,3,4-二氯苯胺在1.00 THz,1.48 THz,1.88 THz处有3个吸收峰,2,5-二氯苯胺在0.83 THz,1.04 THz,1.17 THz处有3个吸收峰,吸收峰峰位强度也有明显不同。采用密度泛函理论进行理论光谱计算,理论光谱与实测光谱一致性良好。结果表明通过太赫兹时域光谱技术可以实现3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺2种同分异构体的指纹检测,为太赫兹波段有明显特征吸收峰的毒性物质检测提供了一种快速、准确的方法。     

盐酸吗啡的太赫兹光谱和理论仿真分析

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了盐酸吗啡原料药、4种辅料、中间体、成药在0.2~2 THz波段的光谱。盐酸吗啡原料药特征吸收峰为0.75 THz,1.17 THz,1.76 THz,原料药到成药的THz光谱发生了改变,中间体和成药的吸收谱有非常高的一致性,说明包衣对成药的THz光谱没有显著影响。采用密度泛函理论(DFT)对盐酸吗啡分子进行理论计算,理论吸收峰为0.84 THz,1.10 THz,1.50 THz,理论光谱与实测光谱有较好的一致性。这为太赫兹技术用于药物的快速鉴别提供了理论和实验基础,在建立太赫兹指纹光谱、盐酸吗啡的快速鉴别方面有良好的应用前景。     

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。     

左旋多巴宽频太赫兹光谱研究

利用空气等离子体太赫兹时域光谱系统,获得了0.5～14.5 THz范围内左旋多巴(L-DOPA)的特征指纹谱,并研究了吸收光谱随温度的变化效应。利用密度泛函理论计算L-DOPA的晶胞结构,并对太赫兹振动光谱进行了分析。结果表明:L-DOPA在太赫兹波段的吸收峰对应于不同的集体振动和分子局域振动,其中分子的集体振动在整个太赫兹波段分布较广,且苯环和分子侧链表现出不同的振动特点,这些结构振动特异性与分子构象以及分子间氢键的相互作用密切相关。     

FOX-7太赫兹波吸收特性及理论计算

为了研究新型高能钝感材料1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)的分子结构特性,采用太赫兹时域光谱技术对FOX-7在0.2~2.3 THz波谱范围内的吸收光谱进行了探测,得到了待测样品的太赫兹吸收谱线,确定了其特征吸收峰的位置.基于密度泛函理论(DFT)对FOX-7单分子和晶体结构在小于2.4 THz范围内的吸收光谱进行了模拟计算,结果表明分子间相互作用对FOX-7吸收峰的形成起到很大的作用.完成了对实验光谱中特征吸收峰振动模式的分析和指认:1.59 THz处吸收峰的光谱特征主要由―NO2和―NH2的摆动造成,2.12 THz 处吸收峰光谱特征的产生包含―NO2和―NH2的摆动以及各自的扭动.     

核黄素和烟酸的太赫兹(THz)光谱研究

以飞秒激光为基础的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是一种新型的相干远红外光谱测量技术.文章利用THz-TDS研究了室温下核黄素和烟酸在0.2～2.0THz范围内的光学特性,得到了对应的吸收谱和折射率谱.结果表明核黄素和烟酸在此波段有明显的特征吸收峰且吸收谱存在显著差异.两种样品的平均折射率分别为1.70和1.65.这项研究为维生素类药物分子鉴别及更宽有效光谱区的实验测试研究提供了新的实验方法.     

基于太赫兹辐射的甘草主成分光谱分析

采用透射式太赫兹时域光谱系统测试了甘草主成分甘草酸、甘草次酸以及甘草苷的太赫兹光谱,发现甘草酸、甘草次酸以及甘草苷在0.3~1.72 THz频段内具有明显的吸收特征,此频段内它们的太赫兹吸收峰峰位接近、吸收谱谱线相似。利用量子化学方法模拟甘草酸的太赫兹吸收谱,并与实验谱进行对比指认完成对3种单质的定性分析工作。本文分别采用基于DFT和PM3模型,完成对甘草酸单分子构型的结构优化与频率计算。结果表明,两种方法得到的太赫兹模拟吸收峰与实验吸收峰基本吻合,而且基于DFT模型得到的太赫兹模拟吸收谱波形与实验谱更为接近。最后选取了甘草酸的特征吸收峰1.655 THz及其附近6个数值点的太赫兹吸收系数,将其取平均值后与浓度进行了一元线性回归拟合,拟合结果从理论上验证了甘草酸太赫兹吸收谱符合朗伯比尔定律。     

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。     

无水葡萄糖的太赫兹时域光谱特性

用光学参数定量诊断病变组织是当前生物医学光子学领域中研究的热点问题。利用太赫兹时域光谱系统,在室温氮气环境中,获得了不同质量分数无水葡萄糖在0.15~3THz频段的高分辨率吸收谱和折射率谱;基于密度泛函理论,利用Gaussian 09软件对葡萄糖进行了B3LYP/6-31G水平上的单分子、双分子和多分子结构优化和红外吸收模拟;基于Materials Studio 7.0量子化学计算软件,采用CASTEP模块和广义梯度近似方法,开展了对葡萄糖晶体结构的频率计算。实验结果表明,葡萄糖在0.94,1.30,1.44,1.67,1.88,2.08,2.31,2.55,2.70,2.84,2.96THz有吸收峰,所有峰位的强度随样品中葡萄糖质量分数的增加线性降低;Gaussian 09模拟结果与测试结果相吻合,CASTEP的结果验证了这一结论;对无水葡萄糖在太赫兹频段的吸收峰进行了全面指认和振动归属。研究结果为太赫兹时域光谱在生物医学方面的应用提供了实验及理论参考。     

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。     

Experimental and Theoretical Study on Terahertz Absorption Characteristics and Spectral De-noising of Three Plant Growth Regulators

Accurate identification of terahertz (THz) absorption peaks of biological macromolecules is of great significance in practical applications. In this work, the experimental and theoretical fundamentals of detecting three plant growth regulators (PGRs), including 6-Benzylaminopurine (6-BA), paclobutrazol (PBZ), and maleic hydrazide (MH) were investigated by using THz time-domain spectroscopy (THz-TDS). THz absorption coefficient and refractive index in frequencies of 0.06–4 THz were obtained. The wavelet threshold de-noising (WTD) method was used to remove spectral noise and improve the signal-to-noise ratio (SNR). The density functional theory (DFT) was applied to the molecular characterization and theoretical calculation of PGRs. Experimental results showed that the three PGRs had unique characteristic absorption peaks. Based on the sym4 wavelet function and four-layer wavelet decomposition, the de-noising performance of hard threshold WTD was better than that of soft threshold WTD. The spectra processed by hard threshold de-noising achieved higher peak SNR (6-BA: 40.22, PBZ: 37.73, MH: 34.83) and lower root mean square error (6-BA: 0.41, PBZ:0.40, MH:0.54). In addition, the characteristic absorption and anomalous dispersion of 6-BA were found at 2.08 and 3.00 THz, those of PBZ were shown at 0.71, 1.30, 1.88, and 2.67 THz, and those of MH were shown at 2.34 THz. The absorption peaks in THz spectra processed by hard threshold WTD were demonstrated to be in good agreement with the simulation results of DFT. These results show the effectiveness of WTD in THz spectral de-noising and the feasibility of using THz-TDS to detect PGRs.     

葡萄糖与果糖太赫兹吸收谱仿真计算

利用Gaussian软件,选取密度泛函理论(DFT)、哈特里—福克理论(HF)对葡萄糖、果糖的单分子在0~3 THz波段的吸收谱进行仿真计算,并与参考文献中的实验结果进行比对。仿真计算结果验证了利用Gaussian软件进行单分子吸收谱计算的可行性。最后基于密度泛函理论得到的结果分析了不同位置吸收峰对应的分子内振动模式。     

太赫兹计算机辅助层析图像重构算法仿真研究

由于太赫兹波具有独特的性质,使得太赫兹成像技术成为目前的研究热点。太赫兹层析成像可以获得物体横截面的分布信息并可获得物体的三维重构图像,因此也受到了广泛关注。文中对连续太赫兹层析成像进行了仿真研究。分别使用滤波反投影算法（FBP）和改进的联合代数重建算法（MSART）进行图像重构,并且分析比较了高斯低通滤波（GLPF）以及数学形态学等数字图像处理方法对改善重构图像质量的效果。仿真结果表明:在文中的仿真条件下,使用MSART算法及相应的图像处理方法所需的最少投影方向数可以达到9,与真实成像实验结果相吻合。     

Effects of Scattering on THz Spectra of Granular Solids

Experimental studies of granular solids have shown that significant scattering effects restrict the accurate determination of material absorption in the terahertz (THz) region. The present work investigates the grain size dependent scattering contribution on the extinction spectra of Ammonium Nitrate, flour and salt between 0.2 to 1.2 THz using THz time-domain spectroscopy. The scattering contribution can be estimated by applying Mie theory for spherical grains. The approach essentially separates the independent contributions of true absorption and scattering losses and thus determines the total extinction for different grain sizes of various materials. The separation of the intrinsic material absorption from scattering losses shows that the frequency dependence in weakly absorbing materials is predominantly particle size dependent. Consequently, that range of THz frequencies cannot be used to differentiate granular solids having no intrinsic absorption.     

基于主成分分析和模糊识别方法的生物分子太赫兹光谱识别

提出了一种基于主成分分析（PCA）和模糊模式识别方法的生物分子太赫兹（THz）光谱识别方法,并采用多种典型糖类和氨基酸生物分子的太赫兹透射光谱作为实验介质证明所提方法的可行性和有效性。首先,运用PCA方法对生物分子太赫兹光谱数据做降维处理,提取样品太赫兹光谱特征信息;然后,用获得的主成分得分矩阵代替原始太赫兹光谱数据输入到模糊模式识别分析模型中,运用基于择近原则的模糊模式识别方法对待定样品进行分类识别。实验结果表明以生物分子的太赫兹光谱作为数据特征,采用PCA与模糊识别相结合的方法实现生物分子的检测和识别是可行的,该方法为太赫兹光谱技术用于生物分子的鉴定和识别提供了一种新的有效的分析方法。     

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S₂₁)高于?3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。     

小波域马尔可夫随机场在THz 图像处理中的应用

目前THz 自由空间成像面临的挑战主要有大气损耗和水分吸收,辐射功率低,成像要获得高的信噪比,需要有更高功率的辐射源;数据获取时间长;图像质量仍需改善。分析了THz 成像技术的最新发展趋势及国内外发展现状。阐述了利用THz 辐射进行合成孔径成像、THz 压缩感知成像的基本原理,并对两种种成像方法形成的THz 图像的特点进行了分析。应用Wiener2,基于熵标准的ddencmp 选定小波系数阈值降噪法、Donoho 提出的小波系数阈值降噪法以及基于小波系数幅值渐近最优降噪法等图像降噪算法对THz 图像进行处理效果从均方根误差、信噪比、相关系数等方面进行了定性、定量的比较。提出将小波域马尔可夫随机场应用于THz 图像降噪中。主要完成了以下几个方面:对每个小波系数引入两个状态,一个状态对应图像的非平稳区域,如边缘;另一个状态对应图像平稳区。每个状态下的小波系数用高斯分布函数来描述,虽然每个状态下的小波系数服从高斯分布,但每个小波系数的两个状态混合模型服从非高斯分布。然后利用EM（Expectation Maximization）算法估计混合模型中的参数,采用贝叶斯准则初步确定理想图像小波系数的收缩因子。最后将小波域隐马尔可夫模型的降噪算法进行对比试验,仿真结果表明小波域隐马尔可夫模型的降噪算法更具有效性和优异性。     

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。     

Terahertz Multivariate Spectral Analysis and Molecular Dynamics Simulations of Three Pyrethroid Pesticides

The terahertz (THz) multivariate spectral characteristics and the molecular dynamics of three pyrethroid pesticides, including deltamethrin, fenvalerate, and beta-cypermethrin, were studied in this paper. THz spectra of the pesticides were measured in frequency range of 0.06–3.5 THz by using THz time-domain spectroscopy (THz-TDS). To improve the THz spectral quality, the wavelet threshold de-noising (WTD) method was used to remove spectral noise and the spectral baseline correction (SBC) method was used to remove baseline drift. Specific absorption peaks were observed in the processed THz spectra of the three pesticides. Deltamethrin showed three peaks at 0.90, 1.49, and 2.32 THz. Fenvalerate had five peaks at 1.13, 1.43, 1.61, 1.98, and 2.58 THz. Beta cypermethrin had four peaks at 1.27, 1.84, 2.12, and 2.92 THz. The density functional theory (DFT) was used to characterize the molecular dynamics and formation mechanism of the absorption peaks. Results showed that there was a good matching effect between the THz experimental spectra and the DFT quantum calculation spectra. Based on the characterized fingerprint absorption peaks, the linear addition model was used to simulate the THz spectra of mixed pesticides. The simulated spectra of multicomponent pesticides were demonstrated to be in good agreement with those obtained by THz-TDS. By analyzing the absorption peaks of THz spectra, the composition and concentration of multicomponent pesticides could be determined. The proposed strategy presented an analytical methodology for studying the THz spectral characteristics of pesticides. In addition, this work provided experimental and theoretical basis for the detection potential of pesticides in agricultural products based on THz technology.     

含氟炔基三苯液晶分子太赫兹吸收的计算模拟研究

以密度泛函理论为基础,利用Gaussian09程序包,通过Opt+Freq优化类型,以B3LYP/6-311g基组对10种不同数目及不同位置部分氟代的4-丁基-4’-[(4-丁基苯)乙炔]联苯液晶衍生物分子进行数值计算,根据氟原子的置换位置和数目对这些分子在太赫兹波段的光吸收情况进行了对比分析。结果表明,在太赫兹频段,氟原子置换的位置和数目会显著影响分子内其它官能团的吸收位置和强度。其中苯环内的C-H吸收会因为苯环上氟原子置换数目增加而减少,苯环上双氟原子的增加导致烷烃的吸收峰强度发生变化;对于炔烃,氟原子的置换会通过改变其偶极矩从而产生较强的吸收峰值。计算结果在分子官能团的吸收方面与文献报道的实验测量结果吻合得相当好。根据现有文献报道,作者还对比分析了0.3~3THz范围计算结果与相关文献的实验数据。总之,计算模拟结果能够较好地反应分子材料对太赫兹波的吸收状况,可为相关液晶分子的设计与合成提供参考。