南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
食品添加剂违规使用或滥用会对身体健康产生严重危害, 相比于传统检测方法, 太赫兹光谱技术具有检测周期短、 准确率高等优势, 被广泛应用于食品添加剂检测领域, 但对其缺乏深入的理论分析。 主要致力于根据晶体结构特征改进传统计算方法, 提高食品添加剂模拟光谱预测精度并评估不同模型的计算性能。 选取了三种富含氢键的食品添加剂, 即苯甲酸、 山梨酸和木糖醇, 实验采用太赫兹时域光谱仪, 理论计算采用CRYSTAL14软件包计算周期性晶体结构。 鉴于富含氢键的体系中伦敦色散作用力不可忽略, 在传统的Becke-3-Lee-Yang-Par(B3LYP)泛函和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函的基础上添加了伦敦色散校正系数, 构建了B3LYP-D和PBE-D模型。 计算得到吸收峰位平均绝对误差(AAE)分别为苯甲酸0.073(B3LYP-D)、 0.096 (PBE-D), 山梨酸0.039(B3LYP-D)、 0.047(PBE-D), 木糖醇0.023(B3LYP-D)、 0.087(PBE-D), 相比于色散校正前的模型, AAE降低了0.03~0.1。 对比了B3LYP-D和PBE-D模型的计算时长, B3LYP-D泛函耗时均为PBE-D泛函的二倍以上。 结果表明, 经色散校正后的模型适用于富含氢键的系统, 能够提高模拟光谱预测精度, 其中B3LYP-D模型预测精度更高但较为耗时, PBE-D泛函预测精度略低于B3LYP-D模型, 但计算速度更快。 振动来源分析表明, 三种食品添加剂的振动模式均以晶格整体的平移和旋转为主, 分子内的振动贡献较小。 研究提出的色散校正模型对于其他类似体系的理论研究具有重要的参考价值。
太赫兹光谱 食品添加剂 周期性晶体结构 氢键系统 色散校正 Terahertz spectra Food additive Periodic crystal structure Hydrogen-bonded system Dispersion-correction
1 河南农业大学化学系, 河南 郑州 450002
2 首都师范大学物理系, 北京市成像技术高精尖创新中心, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
为了解生物体内L-阿拉伯糖在代谢过程中的合成与降解机制, 采用太赫兹和拉曼光谱系统, 对其指纹区的振动进行检测。 结果表明, L-阿拉伯糖太赫兹图谱在频率49.5和72.2 cm-1分别检测出了振动吸收, 其中72.2 cm-1的振动为首次检出。 该振动频率与其折射率图谱反常色散的频率基本一致, 故这两个振动吸收可以作为L-阿拉伯糖的特征吸收。 最为重要的是, 在该频域内, 检测得到图谱的波型与三种异构体理论值简单叠加后波型极为相似, 故可以初步判定样品含有三种构象异构体(α-型、 β-型和l-型结构), 非单一组分, 而是混合组分; 对于拉曼图谱而言, 其特点简洁而明晰, 一般将指纹区的振动, 从高到低分为四个区域: 吡喃环结构的伸缩振动、 亚甲基的摇摆振动、 环上羟基的扭曲振动及环骨架扭曲和畸变振动。 同时也根据密度泛函理论B3LYP/6-311G**基组, 分别对L-阿拉伯糖的三种构象异构体的振动进行模拟计算, 利用势能分布对这些振动进行归属和指认。 与理论值相比, 振动频率检测值有不同程度的红移, 即振动频率向低频发生了偏移, 其原因是样品内不同分子间相互影响所致。
L-阿拉伯糖 太赫兹图谱 特征振动 拉曼图谱 归属 L-Arabinose Terahertz spectra Characteristic vibrations Raman spectra Assignments 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2713
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
果糖是一种常见于蜂蜜和多种植物中的简单酮糖, 属于三种可食用单糖之一, 可与葡萄糖结合形成双糖蔗糖。 纯净的果糖常温呈白色晶体状, 具有甜度高、 升糖指数低等优点, 广泛应用于食品行业。 截止目前, 由于针对固相果糖的太赫兹和红外特征吸收谱研究大多局限于单纯的实验测试或者基于单分子理论计算, 缺乏较为系统完善的研究, 因此从理论和实验上系统研究了固相果糖的太赫兹特征吸收谱及红外特征吸收谱, 首次报道了固相果糖在频谱大于3.0 THz以外的特征吸收峰的实验值, 采用基于单分子的MP2和B3LYP泛函以及基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函计算获得了固相果糖太赫兹及红外特征吸收谱, 并与实验获得的固相果糖太赫兹及红外特征吸收谱进行了比对分析, 发现基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函计算结果与实验获得的果糖太赫兹特征吸收峰更相符, 表明固相果糖在0.1～4.0 THz的大多数太赫兹特征吸收峰源自分子间相互作用而非分子内相互作用, 揭示了果糖分子周围环境对果糖振动模式的显著影响。
太赫兹波谱 红外光谱 果糖 固相 振动模式 Terahertz spectra Infrared spectra Fructose Solid-state Vibration mode 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2700
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所, 天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
食用油是人类营养和能量的重要来源, 为人体提供必需的脂肪酸, 研究食用油在太赫兹波段光学特性, 对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。 衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术, 通过样品与倏逝波的相互作用, 获取样品的太赫兹光谱。 与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比, 该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响, 并能获得样品的精确光学参数。 分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。 结果表明, 与透射式太赫兹时域光谱技术相比, 衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、 吸收峰分布等光学特性。 进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、 核桃油、 葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性, 获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。 利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、 硬脂酸、 油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、 转动模式, 理论计算结果同实验测量结果吻合较好。 研究表明, 在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关, 其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。 研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。
太赫兹光谱 食用油 密度泛函理论 Terahertz spectra Edible oil Density functional theory 光谱学与光谱分析
2018, 38(7): 2016
电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
采用低温溶解法制备了再生纤维素膜, 运用扫描电子显微镜、 傅里叶红外光谱仪和X射线衍射仪对所制薄膜进行形貌和晶型表征。 在此基础上, 结合太赫兹时域光谱和傅里叶变换红外光谱技术, 测量了再生纤维素膜的太赫兹光谱。 据此, 详细指认了再生纤维素在太赫兹波段的特征峰, 指出再生纤维素的太赫兹透过率随波数的减少而增大的现象是由其无定形部分所导致。 通过比较再生纤维素和脱脂棉在100～700 cm-1的光谱特性, 发现两者具有相似的峰形, 但再生纤维素在此波段的特征峰相对于脱脂棉特征峰发生了不同程度的蓝移。 据此, 提出了鉴别纤维素Ⅱ和纤维素Ⅰβ同质异晶体的一种新方法。 重要的是, 还采用CASTEP对纤维素Ⅱ晶体进行结构优化及光谱的理论研究, 并对再生纤维素的太赫兹特征峰进行了系统的归属。 理论计算结果表明, 再生纤维素在42和54 cm-1处的太赫兹特征峰分别是由平移振动和转动的晶格振动模式引起, 而位于68～238 cm-1间的太赫兹特征峰则与—CH2OH基团的扭绞振动以及C—H及O—H的变形振动相关。 此外, 351～583 cm-1范围内的吸收峰与C—O—C及吡喃环的骨架振动相关, 而611和670 cm-1两处的吸收峰则主要源于O—H的面外弯曲振动。 结果不仅揭示了再生纤维素的物质结构与太赫兹光谱间的联系, 也为理论上研究部分结晶的聚合物及生物有机大分子等的太赫兹响应的物理原理提供了参考。
再生纤维素 太赫兹光谱 表征 仿真 Regenerated cellulose Terahertz spectra Characterization Simulation
桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
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。 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;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。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,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分析方法。
光谱学 太赫兹光谱 生物分子 主成分分析 模糊模式识别 spectroscopy terahertz spectra biomolecules principal component analysis fuzzy pattern recognition
电子科技大学光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,光电探测及传感集成教育部重点实验室, 四川 成都 610054
采用傅里叶远红外光谱仪(FTIR),在室温条件下测量了多种饱和直链有机小分子的太赫兹光谱.测试结果显示,有机官能团的差异导致有机物的太赫兹光谱特征显著不同.其中,有机物的晶格振动吸收峰和分子间氢键的振动吸收峰分别位于太赫兹高频和低频波段.而且,饱和直链一元醇的—OH官能团产生的分子间氢键的特征峰位于57 cm-1,而三十烷酸的—COOH官能团产生的分子间氢键的特征峰则位于74 cm-1.分子间氢键使三十烷醇和三十烷酸对太赫兹辐射的吸收能力明显地强于三十烷烃.相比于三十烷醇,三十烷酸的太赫兹特征峰还发生有规律的红移和蓝移现象.此外,还采用密度泛函理论B3LYP/6-311G(d,p)基组对饱和直链烷烃、烷醇和烷酸的太赫兹光谱进行了仿真计算,发现分子间氢键作用越强的有机物的单体分子的仿真结果与实测光谱的吻合程度越低.二聚体结构的仿真结果与实测光谱的吻合程度明显地高于单分子结构.研究结果对利用FTIR研究其他有机官能团的太赫兹光谱特征、探索有机分子内部的振动模式、探究有机物太赫兹响应的物理原理及器件应用等具有重要意义.
太赫兹光谱 有机官能团 特征 测量 仿真 Terahertz spectra Organic functional groups Characteristics Measurements Simulations
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 长沙理工大学 化学与生物工程学院, 长沙 410114
探索不同管径和长度的多壁碳纳米管(MWCNT)的太赫兹(THz)谱特性,采用透射型太赫兹时域光谱系统研究了5个不同管径和长度的MWCNT样品的太赫兹吸收谱和折射率谱,并对比和分析了它们的差异。结果表明：在0.2～2.0 THz内,多壁碳纳米管太赫兹吸收没有特征吸收峰,吸收强度随着频率的增加而增加,并可以拟合为不同斜率的直线,且MWCNT在THz波段的吸收强度与管径和长度成正比。折射率随着频率的增加呈指数衰减,同时,管径是影响其折射率的一个重要因素,而长度对其影响不大。
太赫兹光谱 多壁碳纳米管 扫描电镜 管径 管长度 terahertz spectra multi-walled carbon nanotubes scanning electron microscopy tube diameter tube length 强激光与粒子束
2014, 26(3): 033101
1 河南农业大学化学系, 河南 郑州450002
2 首都师范大学物理系, 北京100037
3 伦斯里大学太赫兹研究中心, 纽约 特洛伊12180
4 北京师范大学分析测试中心, 北京100875
5 河南农业大学烟草学院, 河南 郑州450002
近年来碳纳米管是一个重要的研究领域, 但研究重点主要是其电子、 光学和机械等特性。 尽管有关单壁碳纳米管的在远红外光谱已有诸多报道, 但多壁碳纳米管这方面的研究却较少。 试验采用太赫兹时域光谱系统对多壁碳纳米管进行表征, 同时也用扫描电镜对其进行形貌检测和微区成分分析, 以深入了解其特性。 检测结果显示, 在0.2～2.0 THz内, 样品折射率随着频率的增加而减小, 吸收系数却随着频率的增加而增加, 并可以拟合斜率为1.92的直线； 样品的内径为5～15 nm、 外径为15～25 nm, 且长度达到了微米级, 样品含C量大约为94%, 其他为O和Cl杂质元素。 根据泰勒扩展式和麦克斯韦方程, 得到了样品在该太赫兹频域内吸收的数学模型, 该数学模型基本上与检测结果一致。 该样品的太赫兹吸收特性主要取决于其化学组成和分子的大小, 含C量不同的碳纳米管预示着具有不同的太赫兹图谱和独特的功能。
太赫兹光谱 多壁碳纳米管 扫描电镜 X射线微区分析 Terahertz spectra Multi-walled carbon nanotubes Scanning electron microscope (SEM) X-ray microanalysis 光谱学与光谱分析
2009, 29(11): 3154
首都师范大学物理系北京市太赫兹波谱与成像重点实验室省部共建太赫兹光电子重点实验室, 北京 100048
为了研究爆炸物在太赫兹波段的光谱特性, 进而对爆炸物进行检测和识别, 利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS),对RDX, HMX,DNT,PETN,TNPG 五种纯品炸药以及以RDX为基底的混合炸药(8701,PW0,R791,R852,塑性炸药(SU-1))和以HMX为基底的混合炸药(8702)的太赫兹吸收光谱在真空条件下进行了测量。然后用两种人工神经网络(ANNs)—自组织(SOM)神经网络和多层感知器 (MLP)神经网络—对爆炸物吸收光谱进行了识别, 经过不断地学习和训练, 取得了较好的鉴别结果, 正确率高于95%。实验结果表明, 用两种神经网络可以实现对纯品炸药和混合炸药的识别, 为太赫兹光谱技术用于爆炸物的检测和识别提供了一种有效的方法。
光谱学 太赫兹光谱 爆炸物识别 自组织神经网络 多层感知器
