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。

传统鉴别法和现代鉴别法是目前我国中草药检测领域的主要方法。 传统鉴别方法虽因简便、 成本低廉等优势在研究中被广泛采用, 但鉴别准确度在一定程度上依赖于操作者是否具备丰富的药材知识和经验。 随着光谱分析技术的发展, 基于光谱分析技术的现代鉴别法逐渐走入人们的视野。 理论及大量实验研究表明, 中草药代谢物分子内振动模式及晶格的低频振动均发生在太赫兹波段, 据此可以鉴别中草药中所含成分。 甘草酸是甘草中的主要成分, 选择甘草酸为研究对象, 运用量子化学计算方法模拟甘草酸的太赫兹吸收谱, 为甘草酸的太赫兹吸收特征匹配分子振动模式, 此项工作对于深刻理解甘草酸分子内部各基团的相互作用与谱的形成机理十分必要。 为了确保模拟结果的可靠性, 需要建立甘草酸分子的初始构型, 选择合适的计算方法进行结构优化和频率计算, 最终获取甘草酸的太赫兹吸收谱数据。 利用Gaussian09半经验理论的PM3算法计算得到甘草酸太赫兹特征吸收峰分别位于0.87, 1.17, 1.56与2.76 THz处, 其中1.56 THz处的特征峰与参考文献中实验所测结果完全一致, 验证了计算结果的可靠性。 由于每个甘草酸分子中含有120个原子, 体系庞大, 在做振转模式分析时无法呈现其完整的结构, 故采用甘草酸分子的平面结构代替立体结构进行太赫兹特征吸收峰的振转分析。 分析表明, 甘草酸分子的太赫兹特征吸收峰产生与含氧官能团以及碳环的振转有关, 但主要是由甘草酸分子中的含氧官能团扭转形成的。

与红外、 紫外和拉曼光谱相比, 太赫兹光谱能量低, 在待测物质中不会出现有害光致电离现象, 伴随太赫兹技术的不断成熟, 太赫兹波已经成为常用的无损检测用波。 很多生物大分子在高频光波探测下具有指纹性, 太赫兹时域光谱技术是对生物大分子无损检测的最佳手段。 同时, 不同生物分子在太赫兹吸收谱中呈现出各不相同的吸收峰, 获得待测物质的太赫兹吸收谱后, 与标准谱进行对照可以为待测物质做出定性辨识。 在此基础上, 结合最小二乘法、 支持向量机等数据处理技术还可以实现基于太赫兹时域光谱对待测物质的定量分析。 量子化学分析方法应用了量子力学的基本原理和方法, 其中电子分析理论从电子角度出发, 在分析大分子或原子个数众多的体系时近似误差较小, 并且密度泛函理论不依赖实验数据和先验知识的支撑。 通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱, 可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式, 对氨基酸定性分析有一定的参考性, 并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑, 在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算, 能验证实验结果的准确性。 首先利用太赫兹时域光谱系统获取进口苏氨酸样品的太赫兹吸收谱, 其次分别构建苏氨酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子、 二聚体和晶胞三种构型, 并利用量子化学计算方法完成了每种构型的结构优化, 最后计算三种苏氨酸分子构型的太赫兹吸收谱。 结果表明, 单分子构型和二聚体构型的太赫兹计算谱与实验谱差异较大, 但在高频段计算谱与实验谱的吸收峰峰位基本吻合, 而较为全面反映分子间氢键及范德华力作用的晶胞构型计算谱与实验谱则较为吻合。 同时表明, 与样品结构较为一致的、 保持苏氨酸物理性质的最小结构为晶胞。