L-苯丙氨酸和L-酪氨酸在合成神经递质和激素的过程中起到了重要的作用。 这两种氨基酸具有极为相似的分子结构, 但在生物功能上却具有明显区别。 前人的研究表明, 这两种氨基酸在低频振动上存在显著差异。 近年来, 太赫兹(THz)光谱学技术作为研究生物分子低频动力学的有效手段被广泛应用, 通过太赫兹光谱对氨基酸进行研究, 对进一步了解蛋白质和相关生物活性具有重要意义。 多变量校准方法已成功应用于太赫兹多组分光谱数据定量分析研究中。 然而, 传统校准技术由于仅在光谱和目标之间建立单个模型预测未知样品, 其预测性能有时仍不尽人意。 因此, 具有更好精度的集成建模方法(ensemble modeling method)应运而生。 集成建模的基本概念是组合多个单独模型的优势以产生更好的预测结果。 由黄锷博士提出的经验模态分解(EMD)的方法, 可以将信号自适应地分解为一系列的本征模式函数(IMF), 成功地应用于信号和光谱处理中。 基于该方法的信号分析也已在太赫兹波段开始使用。 然而, 在对物质进行定量分析的过程中, 目前还没有报道基于EMD方法的太赫兹光谱偏最小二乘(PLS)回归的相关工作。 提出了一种基于PLS的EMD分析, 并对不同浓度氨基酸混合物的太赫兹光谱进行了定量研究。 具体而言, 原始的太赫兹时域信号首先通过EMD手段在不同频段被分解为一系列的IMF和一个残差函数。 随后, 将前几个IMF相加作为一个整体(此处研究了前两、 三、 四和五个IMF叠加的结果), 对其进行吸收光谱的重建。 最后, 建立PLS回归模型, 用于进一步的物质定量分析。 预测结果表明, 与原始吸收光谱及其他分解后重组光谱的PLS结果相比, 基于前四个IMF信号之和的吸收谱具有更高的R(0.9961)和最小的RMSEP(0.019 8)。 由此可知, EMD-PLS法可以在太赫兹波段对两种氨基酸混合物进行有效地定量分析, 实现较为理想的预测精度。
太赫兹 经验模态分析 偏最小二乘法回归 氨基酸 Terahertz Empirical mode decomposition Partial least squares Amino acids 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3061
杨墨轩 1,2,3,4赵源萌 1,2,3,4,*左剑 1,2,3,4吕南方 1,2,3,4张存林 1,2,3,4
1 首都师范大学物理系
2 太赫兹光电子学教育部重点实验室
3 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室
4 北京成像理论与技术高精尖创新中心，北京 100048
本文对太赫兹光场数据采集与数字重聚焦成像进行实验研究。太赫兹成像因其穿透性、无损性等优点，近年来备受国内外研究者关注。太赫兹波段的光场成像技术有望增强图像质量、改善应用效果。本文在分析光场成像基本原理、系统结构、重建方法的基础上，应用太赫兹焦平面阵列相机进行太赫兹光场数据采集和数字重聚焦实验。首先采集太赫兹光场原始数据，然后通过数字重聚焦进行计算成像，最后对重构图像做增强处理，得到了深度、角度及目标物轮廓分辨力强的太赫兹图像。实验证明了太赫兹光场成像技术的可行性及其改善图像质量、丰富复现效果的能力。
太赫兹 光场采集 数字重聚焦 图像重构 terahertz light field acquisition digital refocusing image reconstruction
首都师范大学物理系, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
太赫兹时域光谱(THz-TDS)已被用于研究包括液体, 半导体, 爆炸物和气体等多种材料。 然而自由空间太赫兹光谱系统存在着一些检测局限性, 如微量物质难以被检测、 系统尺寸难以实现微型化、 空气中水的强烈吸收引起的信号衰减较大等问题。 为了解决这些问题, 研究人员设计了基于金属波导传输线结构的太赫兹芯片集成器件, 通过飞秒红外激光激励传输线上的光电导材料实现太赫兹波的产生和检测。 然而, 在这些芯片上传输的太赫兹信号的频谱宽度很难达到自由空间太赫兹时域光谱系统的频带宽度, 一个重要原因是由于传输信号受到随频率增加的传输线损耗所导致的衰减。 通常这些损耗主要由三个部分组成: 导体损耗, 介电损耗和辐射损耗。 研究表明: 使用低介电常数材料作为共面传输线的衬底, 将减少这种介电常数的失配, 从而避免冲击波辐射损失; 使用具有低损耗角正切的基底材料可以减少太赫兹传输线的损耗。 环烯烃聚合物(COP)是一种具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚物的材料, 在太赫兹波段具有很高的透射率, 为了探究这种材料是否能用于共面传输线的衬底, 需要通过太赫兹时域光谱技术和介电函数理论分析它在太赫兹频段的光谱和介电特性, 以及对这种材料作为基底时用在太赫兹传输线的传输特性进行仿真计算分析。 使用透射式太赫兹时域光谱系统, 对三种COP、 熔融石英和PMMA进行了光谱测试, 提取了它们的透射时域信号, 采用Dorney和Duvillaret等提出的物理模型计算复介电函数。 实验表明: 与其他两种材料相比, COP材料在1 THz处的透过率更高, 可以达到94.5%, 同时介电损耗和介电常数更低, 其中介电损耗在1 THz处达到4.31×10-4, 因此将COP作为传输线基底材料时能有效减少基底的介电损耗。 同时COP材料的介电常数在0.2～2.8 THz范围内维持在约2.3的水平, 也有效减弱了辐射损耗。 对实验材料基底组成的共面波导传输线进行了HFSS模拟, 获得了它们的正向传输衰减系数(S21 parameter), 并对由基底引起的介电损耗和辐射损耗进行了计算分析。 模拟和计算结果也表明在同一传输线结构下, 与其他材料相比COP作为基底时的损耗更小。 通过太赫兹时域光谱法与介电响应分析, 表明了在太赫兹波段具有较低介电常数的COP材料更适合作为太赫兹传输线结构的基底材料, 它可以有效的降低因基底引起的介电损耗和辐射损耗。 这为太赫兹传输线的设计过程中衬底材料的选择与应用提供了实验和理论依据。
太赫兹时域光谱系统 环烯烃聚合物 太赫兹传输线 THz-TDS Cyclic olefin polymers (COPs) Terahertz transmission line 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 2998
1 首都师范大学 物理系, 北京 100048
2 首都师范大学 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
3 首都师范大学 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 北京 100048
4 北京中医药大学 东直门医院, 北京 100700
太赫兹电磁波谱与液体分子的转动和振动能量对应, 适合研究液体分子的动力学信息。水和氯化钠广泛存在于生物组织中, 也是生命的重要组成部分。太赫兹时域光谱技术被广泛应用于液体检测, 通过分析溶液中物质内部结构以及分子微观运动状态, 在0.2~1.5 THz频率下, 可以得到物质的吸收系数、折射率以及介电函数等。利用德拜模型模拟实验结果得到水溶液、氯化钠溶液的介电函数以及弛豫时间, 可得到水和氯化钠溶液分子快速移动的特征时间分别为9.6 ps和10.7 ps, 并获得了与分子结构相关的动力学信息。
太赫兹时域光谱 水 氯化钠溶液 介电函数 德拜模型 terahertz time-domain spectroscopy water NaCl solution dielectric function Debye model 太赫兹科学与电子信息学报
2017, 15(4): 548
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 超快诊断技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 西安交通大学, 陕西 西安 710049
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国科学院半导体研究所 超晶格国家重点实验室, 北京 100083
5 中国科学院半导体研究所 固态光电子信息技术实验室, 北京 100083
6 首都师范大学 物理系 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
提供了一种实现片上太赫兹天线集成器件光电导开关材料低温GaAs(LT-GaAs)外延层的转移工艺, 使用HNO3-NH4OH-H2O-C3H8O7·H2O溶液-H2O2-HCl腐蚀体系化学湿法腐蚀分子束外延(MBE)生长的外延材料, Hall测试表明MBE生长的此外延材料电阻率在106 Ω·cm量级.剥离半绝缘GaAs(SI-GaAs)衬底层与Al0.9Ga0.1As牺牲层得到1.5μm LT-GaAs与环烯烃聚合物(COP)键合的结构.原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍显微镜形貌表征表明剥离后的结构表面平整光滑, 表面粗糙度(RMS)为2.28 nm, EDAX能谱仪分析显示该结构中不含Al组分, 满足光刻形成光电导开关的要求.
片上太赫兹天线集成 外延层转移 化学湿法腐蚀 on-chip THz antenna integrated device LT-GaAs LT-GaAs epitaxial layer transfer wet chemical etching
1 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 首都师范大学物理系, 北京 100048
2 北京中医药大学东直门医院, 北京 100700
针对中药炮制前后成分变化会影响中药用药疗效的问题, 采用四种大黄炮制品为研究对象, 利用太赫兹时域光谱系统和化学计量学处理方法获得了中药大黄光谱数据, 按照中药大黄炮制品的种类对光谱数据进行了区分。 同时, 薄层色谱法研究显示大黄在不同炮制方法处理后, 其炮制品中基础物质蒽醌和鞣质类化合物含量发生变化, 而该实验获得的这四种大黄炮制品太赫兹光谱数据之间的关联性与上述变化规律相吻合。 这就说明太赫兹光谱技术对中药炮制品的物质成分是敏感的, 此方法可以为中药炮制过程中物质结构变化的研究提供重要参考。
太赫兹时域光谱系统 中药检测 光谱识别 主成分分析 Terahertz-time domain spectroscopy Chinese medicine detection Spectrum identification Principal component analysis and spectral analysis 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3870
1 首都师范大学 a.物理系
2 b.太赫兹光电子学教育部重点实验室
3 c.北京市太赫兹波谱与成像重点实验室，北京 100048
4 中国科学技术馆，北京 100012
生物有机分子的生物功能必须在其水溶液中实现。太赫兹波对水非常敏感，太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术能够检测生物分子——水分子界面的集体水分子网络动力学变化，是检测和研究生物有机分子溶液的理想工具。本文利用太赫兹时域光谱技术研究了葡萄糖的分子结构，获得葡萄糖及其不同浓度的溶液在室温氮气环境下的太赫兹时域吸收光谱，以及在室温真空环境下的傅里叶远红外光谱(FTFIR)。结果表明葡萄糖溶液对太赫兹波有特征吸收峰，不同浓度的葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收各不相同。故使用太赫兹时域光谱技术能够完成葡萄糖及其不同浓度溶液的鉴别。
葡萄糖溶液 太赫兹波 太赫兹时域光谱 傅里叶变换远红外光谱 glucose solution terahertz wave Terahertz Time Domain Spectroscopy Fourier Transform Far Infrared spectroscopy 太赫兹科学与电子信息学报
2015, 13(5): 707
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， 太赫兹光电子学教育部重点实验室， 北京100048
甲硝唑、 替硝唑和奥硝唑为5′-硝基咪唑类化合物， 常用于抗厌氧菌和抗滴虫治疗。 运用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术在室温环境中测量了三种药品在0.9~19.5THz波段的光谱特性， 得到其指纹谱。 另外， 通过探测替硝唑参照品和不同厂家、 不同批次替硝唑药片在太赫兹波段的光谱信息， 结合相关系数法、 阵列相关系数法等信息处理技术对光谱信号进行数据挖掘； 最终建立了一种能够快速、 有效、 系统地鉴定替硝唑片活性成分和稳定性的分析方法。 研究结果为此类药品生产和销售质量的规范化和现代化提供了可视化途径。
甲硝唑 替硝唑 奥硝唑 太赫兹时域光谱 远红外光谱 相关系数 Metronidazole Tinidazole Ornidazole THz-TDS FTIR Correlation coefficient
