本文選題：太赫茲時(shí)域譜　切入點(diǎn)：量子力學(xué)　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)》2015年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：太赫茲波(Terahertz,THz)位于微波和紅外波之間,通常主要指頻率在0.1-10THz的電磁波,某些場(chǎng)合特指0.3-3 THz。90年代初,由于自由電子激光器和超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展,極大地促進(jìn)了太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域的革新。近年來(lái),太赫茲波由于其獨(dú)特的透視性、安全性及光譜分辨本領(lǐng),為太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)在物質(zhì)檢測(cè)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性、物質(zhì)定性及定量分析等方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)階段太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)應(yīng)用中,很多只注重于實(shí)驗(yàn)測(cè)試,或僅涉及一些淺顯的理論分析,很少?gòu)奈⒂^分子尺度對(duì)物質(zhì)太赫茲波譜進(jìn)行詳細(xì)解析,這不但嚴(yán)重阻礙了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)更深一步的應(yīng)用,也阻礙了對(duì)物質(zhì)在分子空間尺度及皮秒時(shí)間尺度的研究。因?yàn)?實(shí)驗(yàn)得到的太赫茲光譜真實(shí)地反映了物質(zhì)實(shí)時(shí)的存在狀況,而理論模擬不僅可以更細(xì)致的得知物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài),更可以分析物質(zhì)吸收峰的來(lái)源。這種重要性在醫(yī)療上尤為明顯,如果知道各吸收峰的來(lái)源,便可預(yù)測(cè)細(xì)胞分子是否正常;如果不正常,可以通過(guò)預(yù)測(cè)吸收峰的來(lái)源,進(jìn)而分析細(xì)胞異常原因,預(yù)防及阻止細(xì)胞進(jìn)一步的病變�？偟膩�(lái)說(shuō),采用太赫茲時(shí)域譜技術(shù)研究物質(zhì)在此波段的光譜信息不僅具有重大科研價(jià)值而且對(duì)實(shí)際生活中的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品及健康安全具有重大意義�；诖�,本論文在系統(tǒng)研究了一系列針對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钪陵P(guān)重要的生物分子、針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)急需辨別的同分異構(gòu)體以及對(duì)食品安全存在重大隱患的結(jié)構(gòu)近似分子的太赫茲特征譜的同時(shí),借助量子力學(xué)手段分析了這些物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)以及太赫茲特征譜的來(lái)源。基于此,本論文主要分為七大部分:第一部分(第一章和第二章)首先概述了太赫茲波特性及應(yīng)用,著重介紹了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)及其研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景;然后介紹了太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)常用的太赫茲波產(chǎn)生及探測(cè)方法,總結(jié)了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中吸收系數(shù)及折射率計(jì)算公式,最后闡述了針對(duì)太赫茲特征吸收峰進(jìn)行理論分析的主要計(jì)算方法。第二部分(第三章)采用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),測(cè)試分析了對(duì)人體及醫(yī)藥制造至關(guān)重要的丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的太赫茲特征吸收峰。這三種氨基酸中均含有氨基和羧基,并且分子結(jié)構(gòu)依次隨著官能團(tuán)的增加變得復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),這三種氨基酸在太赫茲波段的特征吸收峰存在明顯差異;經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,首次分析了導(dǎo)致這三種氨基酸太赫茲特征譜差異的原因,并運(yùn)用密度泛函理論討論歸納了它們太赫茲特征吸收峰的來(lái)源。第三部分(第四章)采用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),測(cè)試分析了對(duì)人體至關(guān)重要的果糖、葡萄糖及一水葡萄糖在太赫茲波段的吸收譜。果糖和葡萄糖屬于同分異構(gòu)體,比較它們的太赫茲吸收峰,發(fā)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)完全可以辨別這兩種糖類(lèi)同分異構(gòu)體。對(duì)于葡萄糖和一水葡萄糖,著重研究了固相情況下生物分子與水的相互作用,發(fā)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)也可以成功辨別物質(zhì)及其水合物;通過(guò)密度泛函理論模擬發(fā)現(xiàn),無(wú)水葡萄糖的太赫茲特征吸收峰主要源于葡萄糖分子間的相互作用,而一水葡萄糖的太赫茲特征吸收峰主要源于葡萄糖與水分子、葡萄糖與葡萄糖分子間的相互作用。第四部分(第五章)基于工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控的迫切需要,首次測(cè)試研究了鄰苯二酚、間苯二酚及對(duì)苯二酚在太赫茲波段的光譜信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這三種同分異構(gòu)體的太赫茲特征吸收峰存在明顯差異;由于這三種物質(zhì)含有相同元素,故其太赫茲特征譜的差異來(lái)源于分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用;固態(tài)密度泛函模擬發(fā)現(xiàn),鄰苯二酚及間苯二酚的吸收峰來(lái)源于分子間相互作用。研究對(duì)比了鄰苯二酚的太赫茲吸收譜與中紅外吸收譜,發(fā)現(xiàn)其太赫茲特征譜主要源于范德華力及氫鍵,而中紅外譜源于分子面內(nèi)及面外振動(dòng)。此外,本文還測(cè)試研究了2-吡啶甲酸,3-吡啶甲酸和4-吡啶甲酸三種同分異構(gòu)體。第五部分(第六章)基于食品安全考慮,測(cè)試分析了固/液相苯甲酸及苯甲酸鈉的太赫茲特征吸收譜,發(fā)現(xiàn)苯甲酸和苯甲酸鈉的固/液相吸收譜完全不同。量化模擬發(fā)現(xiàn),苯甲酸與苯甲酸鈉二者吸收譜存在差異的根本原因在于這兩種物質(zhì)分子間不同的相互作用,氫原子被鈉原子取代后分子間排列及相互作用發(fā)生了重大改變,苯甲酸分子間以雙氫鍵聯(lián)接,而苯甲酸鈉分子間主要是范德華力。第六部分(第七章)基于離子液體在電池儲(chǔ)能方面的應(yīng)用,采用紅外泵浦探測(cè)技術(shù)首次研究了室溫離子液體(EAF)被激發(fā)后的熱能傳輸特性。在離子液體中紅外譜的研究基礎(chǔ)上,以ND(或NH),CH伸縮振動(dòng)模式為切入點(diǎn),實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型擬合,得到室溫離子液體中疏水和親水部分的熱能傳輸上特性。研究發(fā)現(xiàn),作為微觀結(jié)構(gòu)非均勻性的離子液體,其動(dòng)力學(xué)過(guò)程也是局域性的,且熱平衡時(shí)間常數(shù)受離子結(jié)構(gòu)影響。第七部分(第八章)總結(jié)本文研究工作,展望了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)及泵浦探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O441.4

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