纳米材料的表征是纳米技术应用和发展的基础，特别是测量单个纳米颗粒的光谱近年来引起了广泛关注，它可以排除平均效应从而对其本身及周围环境进行精确的定量分析。为此多种近场或远场探测纳米颗粒的方法被提出，其中空间调制测量（SMS）技术可以对消光截面谱的绝对大小进行高信噪比的测量。本文着重介绍SMS技术的调制方式、发展历程、应用以及最新研究进展，并对该技术在未来的应用前景进行展望。

茶多酚与抗肿瘤药物联用具有增效、 减毒以及逆转耐药性的作用, 可作为生化调节剂应用于临床。 通过荧光光谱、 紫外-可见吸收光谱、 圆二色光谱和动态光散射研究了柔红霉素 (DNR) 与人血清白蛋白 (HSA) 在模拟生理条件下的相互作用以及表没食子儿茶素没食子酸酯 (EGCG) 对DNR与HSA结合过程的影响。 通过MTT法测定了DNR单一药物、 EGCG+DNR组合药物及其与HSA的复合物对人宫颈癌HeLa细胞系的细胞毒性。 荧光猝灭结果与紫外-可见吸收差谱表明DNR与HSA之间形成静态复合物。 由荧光数据拟合得到猝灭常数、 结合常数、 结合位点数、 焓变和熵变。 正的焓变和熵变表明DNR与HSA的结合过程主要为熵驱动, 且疏水作用为结合过程的主要驱动力。 位点标记竞争实验结合同步荧光光谱表明, DNR主要结合在HSA的IIA结构域, 并且更接近色氨酸残基。 在HSA+EGCG+DNR三元体系中, 建立了三元体系的荧光数据处理模型, 并用Matlab拟合得到EGCG存在下DNR与HSA相互作用的结合位点数与结合常数均明显减小, 表明EGCG的存在降低了DNR与HSA的亲和力。 此外, 在EGCG存在下, DNR与HSA作用的结合常数随着温度升高而增加, 表明结合过程的主要作用力仍为疏水作用。 圆二色光谱和动态光散射研究表明药物与蛋白结合会影响蛋白的构象和粒径, 导致HSA的α-螺旋含量减小且粒径增加。 EGCG存在的(HSA+EGCG)+DNR三元体系中的α-螺旋含量大于相应的HSA+DNR二元体系中的α-螺旋含量, 而三元体系的水合粒径相对于二元体系的有所减小。 这均表明EGCG与DNR存在竞争结合, EGCG的存在使DNR与HSA的结合减弱, 与三元体系的荧光实验结果一致。 此外, 讨论了EGCG对DNR和HSA+DNR复合物的细胞毒性的影响, 结果表明DNR与EGCG具有协同作用且HSA可以增强DNR的细胞毒性。 所得结果可为EGCG与DNR在临床中的联合应用提供有益信息。 研究表明光谱方法可为联合药物与蛋白的相互作用研究提供有力支撑。

近年来，金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值，及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用，引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构，利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U 型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析，讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种 U 型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上，从而实现了太赫兹的异常透射现象，这种超大长宽比的U 型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。

同型半胱氨酸是一种含硫氨基酸, 为蛋氨酸和半胱氨酸代谢过程中产生的重要中间产物, 它在人体血液或尿液中浓度含量过高时会大幅增加心血管疾病、老年痴呆、骨折等疾病的发病风险。基于太赫兹时域光谱系统, 针对液体状态下同型半胱氨酸的检测提出了浓缩富集再烘干的处理方法, 有效测量了不同浓度下同型半胱氨酸的太赫兹吸收光谱。经过与拉曼光谱方法的结果比对, 证明太赫兹检测的精度比拉曼光谱检测的精度提升了3倍。该结果对临床医学中同型半胱氨酸相关疾病的准确、快速诊断具有重要意义。

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、 生物医学、 化学、 药学、 安检等诸多领域。 传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号, 仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。 在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测, 扫描式THz-TDS不再适用, 需要使用单发THz-TDS技术, 单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。 介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术, 这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应, 通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。 根据探测方法不同可分为光谱编码、 空间编码和互相关等技术。 在光谱编码技术中, 探测光不同频率成分在时间上发生分离, 不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制, 通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。 该方法光路简单, 测量结果直观, 有较高的信噪比, 但其时间分辨率较低, 且被测太赫兹信号容易产生失真。 为提高被测信号的时间分辨率, 有人提出了空间编码技术, 即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制, 通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。 根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。 空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率, 但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。 此外, 还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术, 可分为共线互相关和非共线互相关技术。 在非共线互相关技术中, 被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波, 通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号; 在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪, 通过干涉条纹提取太赫兹信号, 该技术提高了时间分辨率和信噪比, 但光路布置复杂, 不能进行实时监测。 回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程, 综述探测技术的原理、 实验方案和测量结果, 并讨论了这些探测技术的优势和不足。

基于半导体激光吸收光谱(DLAS)技术,研制了双波长动态液膜厚度与温度高精度同步测量系统。利用标准具对该系统的测量精度进行验证。结果表明,该系统的液膜厚度和温度的平均测量误差分别为4.58%和1.34%。在此基础上,利用该系统对水平石英玻璃板上的液膜蒸发过程进行研究。结果表明,液膜的平均蒸发速率为0.34 μm/s,蒸发速率随液膜温度的升高而增大,且DLAS与图像法和热电偶测得的结果吻合良好。利用该系统对流道中的动态液膜进行研究,在不同液膜温度(308,315,323 K)下,液膜平均厚度基本一致且在1 s内波动11次,液膜温度几乎保持恒定。

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要, 它是大气光化学反应中重要的氧化剂, OH在308 nm波段受到太阳能量激发, 发射出OH Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 荧光信号。 为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号, 从复杂背景信号中分离目标信号, 研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪, 光谱范围为308.2～309.8 nm, 光谱分辨率为0.008 25 nm。 临边观测主要探测大气散射信号, 能量来源为大气中的粒子, 包括大气分子与气溶胶、 云等对太阳能量的散射作用。 中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术, 可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率, 适用于大气成分的精细探测。 通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜, 总视场内的场景被分成多个视场切片, 每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。 利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能, 临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号, 无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。 为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 进行了地面临边观测实验, 探测紫外308 nm波段大气散射信号。 模拟临边观测几何, 选取晴朗无云的一天, 在空旷场地对大气散射信号进行观测。 由于仪器基于空间外差光谱技术, 需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。 对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标, 得到最终临边观测光谱。 由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用, 因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。 从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗, 分析观测光谱中对应波段, 三个特征信息窗完全匹配, 验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。 将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN, 结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库, 得到模拟光谱, 将实测结果与辐射传输模型结果进行比对, 两者残差较小。 实测结果与模拟结果存在的残差, 可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态, 后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换, 使辐射传输模型更接近实际状态。 与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性, 验证了在轨探测多谱段、 宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性, 为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392 μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60 cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87 cm ^-1的CH₄吸收谱线,对不同浓度的CH₄气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203 s。实验选取100 s的测量时间,得出CH₄气体的探测极限为8.7×10 ^-7,相应的最小的可探测吸收为2.2×10 ^-6 Hz ^-1/2。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH₄气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。

选取了在化工、 医药生产中常见的中间体——二甲基苯甲酸作为研究对象, 利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统研究了室温条件下, 二甲基苯甲酸的六种同分异构体在太赫兹波段的吸收光谱。 实验结果表明, 在0.2～2.2 THz波段范围内, 六种物质的特征频谱响应有非常明显的区别, 而红外光谱仪的测量结果则显示, 在1 450～1 700 cm-1波段范围内不同的异构体表现出相似的吸收特征。 利用密度泛函理论(DFT)对六种物质的吸收频谱进行计算, 并对它们的吸收峰产生的原因进行分析, 可知在1 450～1 700 cm-1范围内六种物质的吸收峰均是由苯环的骨架伸缩振动和羧基上CO的伸缩振动引起的, 而在0.2～2.2 THz波段, 由于六种物质分子中整个苯环与相对位置不同的三个支链之间存在面外相对摆动, 造成了集体振动模式的差异, 从而表现出不同的吸收特征。 通过分析发现, 六种样品在两个频率范围分别表现出的差异和相似的吸收特征, 源于其分子结构间的差异性和相似性, 而利用太赫兹波段吸收特征的差异, 可以实现对二甲基苯甲酸六种同分异构体的鉴别。 上述研究结果表明, 利用太赫兹和红外光谱技术研究同分异构体光谱特性的差异性和相似性是可行的, 也为快速鉴别二甲基苯甲酸异构体种类和检测该化工中间体的纯度提供了一条有效的途径。