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。
太赫兹吸收谱 密度泛函理论 哈特里—福克理论 葡萄糖 果糖 振动模式 terahertz absorption spectrum Density Functional Theory Hartley-Fokker theory glucose fructose vibration mode 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(9): 1073
1 西南交通大学物理科学与技术学院, 成都 610031
2 西南交通大学超导与新能源研究开发中心, 成都 610031
MnBi2Te4是首次被发现的一种本征磁性拓扑绝缘体, 具有重要的研究意义。本文通过在MnBi2Te4晶体中进行稀土元素掺杂, 合成了Er掺杂MnBi2Te4晶体, Er原子进入晶格并取代Mn位。在晶体制备过程中, 考虑到目前晶体制备工艺周期较长, 生成物存在Bi2Te3助熔剂等杂质的问题, 对晶体制备工艺进行了优化探索。XRD测试结果表明, 利用改进工艺制备的Er掺杂MnBi2Te4晶体结晶性能良好, 不含杂质相。磁电输运测量结果显示, 少量Er掺杂MnBi2Te4晶体的磁性增强, 掺杂样品在25.2 K发生反铁磁相变。使用原子力显微镜对Er掺杂MnBi2Te4晶体层间距进行了研究, 发现层间距为单层MnBi2Te4的整数倍。通过拉曼测试研究了Er掺杂MnBi2Te4晶体声子振动模式, 结果表明, Er掺杂是调节MnBi2Te4磁性的一种可行方法。
反铁磁拓扑绝缘体 Er掺杂 结晶性 磁性 声子振动模式 MnBi2Te4 MnBi2Te4 antiferromagnetic topological insulator Er doping crystallinity magnetic property phonon vibration mode
1 南京晓庄学院电子工程学院, 江苏 南京 211171
2 南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
3 南京市产品质量监督检验院, 江苏 南京 210019
研究了质保期内, 六种常见抗生素类药物（氧氟沙星胶囊、 氧氟沙星片、 诺氟沙星胶囊、 阿奇霉素片、 罗红霉素片和盐酸左氧氟沙星片）, 三种治疗COVID-19抗病毒药物（利巴韦林片、 盐酸阿比多尔片和磷酸氯喹片）和一种祛痰类药物（盐酸氨溴索片）的远红外（1～10 THz）和中红外（400～4 000 cm-1）光谱。 模拟了车载等高温环境（65 ℃）对药物结构和晶型的影响, 并将其反馈到红外光谱的变化上。 经过两个多月连续不间断的实验发现, 除盐酸氨溴索片中间可能发生了药物晶型的改变, 其他药品结构和晶型均几乎未发生任何改变。 胶囊类药物长期处于高温环境下, 表皮变脆, 容易破裂, 但内部药物的药效几乎未变。 以氟喹诺酮类抗生素（氧氟沙星和诺氟沙星）为例, 结合密度泛函理论（DFT）, 借助势能分布（PED）方法, 利用Crystal14和Gaussian16软件分别以两种抗生素的单分子、 多聚体和晶体构型为基础, 选择B3LYP/6-311++G(d, p)基组计算其理论红外光谱, 得到了所有特征峰对应的振动模式及其贡献率, 实现了对实验光谱的精确指认。 研究发现: 从单体到多聚体再到晶体, 晶格间的堆积力（π—π作用等）占分子间作用比例最大, 超过90%。 所以, 只有以考虑了周期性边界条件的晶体为初始构型进行理论计算, 更加贴合实验结果。 远红外波段的振动模式主要源自分子的集体振动（其中, 振动占比99%以上, 转动和平动占比小于1%）, 分子间氢键和范德华力引起的面外弯曲振动贡献最大, 超过90%。 中红外波段, 也存在一定比例的分子间相互作用, 如: 诺氟沙星在1 440 cm-1以及氧氟沙星在1 524 cm-1处的峰只在以晶体为构型的理论光谱中重现, 分别来自晶体中分子的集体振动以及O—H…O键的伸缩振动。
红外光谱 药物 温度特性 密度泛函理论 振动模式 Infrared spectrum Drugs Temperature characteristics Density functional theory Vibrational modes 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3719
1 南京晓庄学院电子工程学院, 江苏 南京 211171
2 南京市产品质量监督检验院, 江苏 南京 210019
3 南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
自新冠肺炎(COVID-19)疫情爆发以来, 国内外多家研究机构和企业都在加快推进新冠病毒(SARS-CoV-2)抗体药物的研发。 药物多晶型限制了有效药物的研发进度。 药物生产、 存储和使用环境影响了药物的稳定性。 红外光谱作为一种快速无损检测手段, 可从振动光谱反映出药物结构、 晶型甚至生产工艺上的差异大大提高了研发效率。 首次以三种临床试验被认为治疗新冠肺炎有效药物: 磷酸氯喹, 利巴韦林和盐酸阿比多尔为例, 利用傅里叶红外光谱仪测试得到它们在远红外(1~10 THz)和中红外(400~4 000 cm-1)波段的振动光谱。 远红外光谱中, 利巴韦林的特征峰位于: 2.01, 2.68, 3.37, 4.05, 4.83, 5.45, 5.92, 6.42和7.14 THz附近; 磷酸氯喹的特征峰位于: 1.26, 1.87, 2.37, 3.06, 3.78, 5.09和6.06 THz附近; 盐酸阿比多尔的特征峰位于: 2.24, 3.14, 3.72, 4.25和5.38 THz附近。 结合密度函理论, 选择B3LYP杂化泛函和6-311++G(d,p)基组, 利用Crystal14和Gaussian16软件分析了光谱中所有特征峰对应的振动模式, 实现了对振动光谱的精确指认。 远红外波段, 振动模式源自分子的集体振动。 中红外波段, 2 800 cm-1以下, 振动模式主要源自基团的面内外弯曲和摇摆; 2 800 cm-1以上, 振动模式过渡为C—H, O—H和N—H键的面内伸缩。 以考虑了周期性边界条件的晶体结构作为理论计算的初始构型, 会让理论光谱与实验光谱更加吻合, 尤其是在远红外波段和中红外400~1 000 cm-1的低频段。 该研究对深入理解磷酸氯喹, 利巴韦林和盐酸阿比多尔等抗病毒药物的药学特性, 药物间相互作用, 控制药物生产过程, 指导药物存储和使用有重大意义。
抗病毒药物 振动模式 FTIR COVID-19 Antiviral drugs DFT Vibrational modes FTIR COVID-19 DFT 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2047
1 长春理工大学电子信息工程学院, 吉林 长春 130022
2 国家纳米操纵与制造国际联合研究中心, 吉林 长春 130022
3 教育部学科创新引智基地, 吉林 长春 130022
太赫兹波辐射因具备特有的感测能力以及无创和非电离特性而备受关注。DNA分子间的振动模式(扭转、集体振动、氢键和骨架振动)大多处于太赫兹波段。相比红外波段,DNA在太赫兹波段表现出了很多独特的吸收特性。系统地分析了太赫兹时域光谱技术在DNA分子领域的研究进展,阐述了单个碱基、碱基对、DNA的鉴定与识别,以及它们的吸收光谱和振动模式;此外,还介绍了太赫兹波的生物安全性及其潜在应用;最后根据当前的研究现状,归纳了DNA分子在太赫兹光谱研究方面仍然存在的问题,为今后的相关研究提供参考。
光谱学 太赫兹 DNA 碱基 振动模式 生物安全 激光与光电子学进展
2020, 57(17): 170003
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
量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学激光光谱研究所,山西 太原 030006
对乙基苯酚是构成酪氨酸分子的重要基团,根据其光谱特性可以洞察酪氨酸的光学特性。我们采用超声分子束技术获得了对乙基苯酚的单色共振双光子电离光谱,首次报道了800~1 500 cm-1范围的高分辨率激发态振动谱。配合量子化学理论计算分析了各谱对应的振动模式。结果表明取代基越长,分子的激发能越低;取代基的方向对激发能有明显影响;取代基会使苯环平面内的振动能量降低,但取代链的长短对振动能量没有明确影响。研究结果为分子的里德堡态、动力学和零动能光谱的相关研究提供了重要的参考数据。
对乙基苯酚 单色共振双光子电离光谱 量子化学 振动模式 p-ethylphenol one-color resonant two-photon ionization spectrosc quantum chemistry vibrational mode
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, 首都师范大学物理系, 北京 100048
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。
太赫兹时域光谱技术 吸收峰 同分异构体 红外光谱仪 振动模式分析 Terahertz time-domain spectroscopy technique Absorption peaks Isomers Infrared spectroscopy Analysis of vibrational modes 光谱学与光谱分析
2015, 35(11): 3041
四川大学材料科学与工程学院, 四川 成都 610065
运用杂化密度泛函方法(DFT)B3LYP，在LANL2DZ赝势基组水平上对Yn(n=2~10)团簇的多种可能初始构型进行了结构优化和频率及光谱分析，根据能量最低原则确认了Yn(n=2~10)团簇没有虚频的基态结构，且计算得到的结构比以往理论计算得到的结构能量更低，Y2振动频率ωe=188.9 cm-1比以往计算值更接近实验值184.4 cm-1，在此基础上研究了团簇的稳定性和极化率，并分析了Yn(n=2~10)团簇的光谱性能。结果表明，Y7为所研究团簇结构转折点，团簇的电子稳定性随着原子数增加而逐渐减弱。振动光谱分析表明，Yn(n=2~10)团簇中具有较高对称性的C2v和Cs点群具有更多的振动模式，而稳定性较强的Y7和Y9在所研究频段内分别有较好的红外和拉曼活性，有明显的共振现象。
材料 光谱学 Yn(n=2~10)团簇 密度泛函理论 结构与稳定性 振动模式
四川大学 电子信息学院 光电系, 成都 610064
为了验证薄膜振动模式的有效性, 采用正弦条纹投影和傅里叶条纹分析的方法进行薄膜振动模式分析和振幅重建, 并进行了理论分析和实验研究。在基于结构光的主动3维传感技术中, 傅里叶变换轮廓术具有单帧获取、高分辨率、全场可实时测量等优势, 成为可测量动态3维面形的一种实用方法。正弦光栅条纹被投影到振动中的薄膜表面, 采用低帧频的CCD相机采集由薄膜振动导致条纹局部模糊的一系列变形条纹图。通过傅里叶变换轮廓术方法进行处理, 最终得到不同频率下实际测量的薄膜振动模式结果。给出了理论计算结果与实测结果的验证比较。结果表明, 该方法测量的振动模式结果准确反映了薄膜振动情况。3维面形测量结果和实验验证了该方法的可行性。
信息光学 振动测量 振动模式分析 结构光投影 傅里叶频谱 information optics vibration measurement vibration mode analysis structured light projection Fourier spectrum
