（光学专业论文）氨基酸的thz光谱及应用研究.pdf

摘要 摘要 太赫兹( t h z ) 辐射是指频率位于微波和红外光之间的电磁波，属于远红外波段；2 0 世纪8 0 年代发展起来的t h z 时域光谱技术，具有信噪比高，能同时获得样品的吸收系数和 折射率，能量低，不会对生物组织造成破坏等优点，在材料和生物学等领域得到了迅速的 发展和广泛的应用。 本文利用首都师范大学物理系t h z 光谱与成像实验室的t h z 时域光谱系统，对构成 蛋白质的2 0 种氨基酸( 简称蛋白质氨基酸) ，进行了系统的光谱测试，在相同的实验环境 下，获得了它们在有效频率范围内的吸收谱和折射率谱。在2 0 种氨基酸的t l l z 吸收谱中， 有8 种为首次报道，并将其它氨基酸的光谱数据与已发表的进行比较，互为佐证和补充； 在此基础上，对部分氨基酸的手性对映体及其外消旋体，构造异构体的t l t z 吸收光谱进行 测试，分析了手性对映体及其外消旋体的光谱差异原因；解析了构造异构体光谱的振动模 式；将两种氨基酸以不同的比例混和，得到了其混合物特征峰强度随氨基酸所占比例的增 加而增加的线性关系。 研究结果表明，氨基酸对t h z 波具有灵敏的光谱响应，在其有效光谱测试范围内，均 具有明显不同的特征吸收峰；利用t h z 光谱能够有效区别不同种类的氨基酸、氨基酸的手 性对映体和其外消旋化合物、氨基酸的构造异构体；按照氨基酸的类另比较t h z 光谱，可 以看出氨基酸的t h z 光谱与其结构的相关性。这一研究对建立氨基酸t h z 谱数据库，及 其在氨基酸的手性对映体、结构和成分的区别方面有很重要的理论与实践意义。 关键词：t h z 时域光谱技术，氨基酸，振动模式，定量分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t e r a h e f t z ( t h z ) r a d i a t i o n , w h i c hi sak i n do f e l e c t r o m a g n e t i cw a v eb j t w e e nt h ei n f r a r e d a n dm i c r o w a v eb a n d s , b e l o n g st of a r - i n f r a r e db a n d t h zt i m e - d o m a i ns p e c t r o s c o p y ( t h z - t d s ) w h i c hd e v e l o p e di nt h e1 9 8 0 sh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs i g n a lt on o i s er a t i o ，o b t a i n i n gt h e a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dr e f i a c t i v ei n d e xo ft h es a m p l ea to n et i m e ，l o we n e r g yt h a tc a nn o t d i s t r o yt h eb i o l o g yo r g a n i s ea n ds oo n t h z t d sh a sb e e nu t i l i z e di nr e s e a r c hf i e l d so f m a t e r i a l ， b i o l o g ya n d s oo i l t h i st h e s i si n v e s t i g a t e da b s o r p t i o ns p e c t r ao f2 0s t a n d a r dp o l y c r y s t a l l i n ea - a m i n oa c i d s u t i l i z i n gt h ef a c i l i t i e sp r o v i d e db yt h zs p e c t r u ma n di m a g i n gl a b o r a t o r yo fc a p i t a ln o r m a l u n i v e r s i t y t h ea b s o r p t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xs p e c t r ah a v e b e e no b t a i n e di ne f f e c t i v ef r e q u e n c y c o m p a r i n gt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao f c o m p o u n dw i t l ls i m i l a rs t r u c t u r e , w ec o n c l u d et h cd i f f e r e n t s t r u c t u r e sa f f e c tt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao ft h z e i g h tc l a s s e si nt h e s e2 0a m i n oa c i d st h z a b s o r p t i o ns p e c t r aa r er e p o r t e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n do t h e r sc o m p a r e dw i t ht h o s eo fp u b l i s h e d a m i n oa c i ds p e 6 t r ad a t a t h ea b s o r p t i o ns p ( x t r ao fs t r u c t u r ei s o m e r s e n a n t i o m e r sa n di _ a a e i n i c c o m p o u n d so fs e v e r a la m i n oa c i d sh a v eb e e no b t a i n e d , a n dt h ev i b r a t i o nm o d e so fs t r u c t u r e i s o m e r sa n dt h ed i f f e r e n ta b s o r p t i o ns p e c t r ab e t w e a le n a n t i o m e r sa n dm e e m i cc o m p o u n d sh a v e b e e na n a l y z e d t w ok i n d so fa m i n oa c i d sa r cm i x e di nd i f f e r e n tp r o p o r t i o n ；t h ei n t e n s i t yo f a b s o r p t i o np e a k sd e p e n d s o l lt h ec o n t e n to ft h ea m i n oa c i d s t h i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h zt i m e - d o m a i ns p e c t r o s c o p yc a nb eu s e dt oa n a l y z et h em o l e c u l ec o n t e n ti nm i x t u r e t h i st h e s i si n d i c a t e st h a ta m i n oa c i d sh a v es e n s i t i v et h za b s o r p t i o ns p c c u 扎e v e r ya m i n o a c i dh a sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a k s u s i n gt h za b s o r p t i o ns p e c t r ac a nd i s t i n g u i s h d i f f e r e n tk i n d so fa m i n oa c i d s ，e n a n t i o m e r sa n dr a c e m i cc o m p o u n d sa n ds t r u c t u r ei s o m e r s c o m p a r e dt h et h zs p e c t r aa c c o r d i n gt oc a t e g o r yo fa m i n oa c i d s ，t h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h z a b s o r p t i o ns p e c t r aa n ds t r u c t u r eo f a m i n o8 c i d sc a nb e s e e n k e yw o r d s ：t h zt i m ed o m a i ns p e c t r o s c o p y , a 1 t i n oa c i d o s c i l l a t i n gm o d e l ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：羚昼 。 日期：噼汨日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名：孙盛瘟 日期：识：阳且 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景与意义 太赫兹( t e r a h e r t z ，简称t h z ，1 0 ”h z ) 辐射通常是指波长在3m 3 0 啪( o 1t h z 1 0t h z ) 之间的电磁辐射，其波段在电磁波谱中介于微波与红外光波之间，属于远红 外波段。其中1t h z 对应的波长为3 0 0 岫，波数为3 3 3c n f l ，能量为4 1m e v ，t h z 波 段在电磁波谱中的位置如图1 1 所示。在过去相当长的时间里，由于缺乏有效的产生方 法和检测手段，导致这一电磁波段的研究发展缓慢【1 1 。2 0 世纪8 0 年代中期，超快激光技 术的迅速发展，不仅为t t t z 波的产生提供了稳定、可靠的激发光源，而且为其提供了高灵 敏的探测器，从而促进了t h z 辐射的机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展【2 。1 0 1 。 t h z 时域光谱技术( t e r a h e r t zt i m ed o m a i ns p e c t r o s c o p y ，简称t h z - t d s ) 是2 0 世纪8 0 1 0 口1 0 m1 0 1 0 ， 1 0 1 3 1 0 1 ；1 0 l 。1 0 2 11 0 2 麓zk h zm h zg 珏zt h zp h ze e zz 珏zy h z 1 t h z 3 0 0 b m 3 3 3 c m l 4 。l m e v 图1 - 1 嵫段在电磁渡请中的位置 年代由a t & t ，b d l 实验室和i b m 公司的t j w a t s o n 研究中心发展起来的一种相干探测技 术。该技术基于超短相干脉冲的t h z 产生与探测原理，通过测量t h z 辐射脉冲的电场振幅， 可在其覆盖的频率范围同时获得强度和位相谱f 切。相比其它光谱技术， u - i z - t d s 有其独 特的优点：能同时获得样品的吸收系数和折射率；由于它的能量低( 1 t h z 的能量约为 4 1 m e v ) ，不会在生物组织中产生有害的光致电离；提供了非常高的信噪比( 1 0 3 ) ，而且 对黑体辐射( 热背景) 不敏感。因此，t h z - t d s 技术具有更好的应用前景。 近十几年来，t h 2 - t d s 被广泛应用于研究各种材料在t h z 波段的光学性质，包括半导 体材料【1 1 】，超导材料1 等，还被应用于研究许多生物分子的分子结构和振动模式，并由 此而获得这些大分子在t h z 波段的光学常数，进而研究它们的结构和动力学特性。 氨基酸是一类重要的生物分子，构成蛋白质的2 0 种氨基酸( 简称蛋白质氨基酸) ，同 l 第一章引言 生命活动有着密切的关系，氨基酸产品广泛用于医药保健品、食品添加剂、调味剂、饲料 添加剂及氨基酸农药和氨基酸肥料等行业。研究蛋白质氨基酸的低频振动频谱，有利于认 识氨基酸分子的整体结构与其t h z 吸收光谱之间的相关性，对研究生物肽及蛋白质大分子 的结构与功能也具有重要意义；对氨基酸的应用性研究，为今后将t h z - - t d s 应用于医药、 食品、化工等行业提供新方法和借鉴。2 0 0 3 年以来，相继有谷氨酸、色氨酸、酪氨酸、甘 氨酸、苯丙氨酸、天冬酰胺等十余种蛋白质氨基酸以及它们中若干手性对映体、外消旋化 合物的t h z 光谱等研究报道 2 4 - 3 5 。但是，部分氨基酸分子在t h z 波段仍存在信息空白； 前人的研究中尚存在样品及其制备、测试条件和有效光谱范围等差异，因而，使得所得结 果可能存在差异。因此，本论文以北京市教委“蛋白质等生物分子的t h z 光谱研究”项目 为依托，着力于研究对于氨基酸分子在t h z 波段的谱学特征。本次研究不仅能填补氨基酸 t h z 波段的光谱学研究的空白，为分析它们的结构和动力学特性打下良好的基础，对混合 氨基酸、氨基酸构造异构体和手性对映体及其外消旋体的光谱研究，可以为t h z - t d s 技 术的应用提供借鉴。 1 2t h z t d s 技术国内外研究进展 自2 0 世纪9 0 年代以来，国际上，在t h z 光谱与成像方面的研究取得了令人瞩目的成 果与进展。在我国，自中国科学院物理所于二十世纪九十年代末期建立t h z 实验室以来， 已先后在首都师范大学，上海应用物理所，中科院上海微系统与信息技术研究所等研究机 构与学校建立了t h z 光谱与成像实验室。2 0 0 5 年，在北京召开了以“太赫兹科学技术的 新发展”为主题的学术讨论会，至此，我国的t h z 研究及应用开发开启了一个新的阶段。 自进入二十一世纪以来，国内每年都有关于t h z 光谱与成像方面的学术会议，在会议上， 各研究机构讨论了以t h z 辐射为探测光源的时域光谱测量在基础物理、信息材料、化学和 生物材料研究中的应用、以及t h z 成像和t h z 技术在材料研究、安全检查和生物医学等 领域的应用前景。部分研究的成果已经赶上并超过世界这方面的研究水平。 2 0 世纪8 0 年代，t h z - t d s 一被提出，就得到了快速的应用与发展。d m m i t t l g m a n 等 1 1 1 将其应用于研究半导体材料在t h z 波段的光学性质，而s d b r o s r o n 等【1 2 】将其应用于 超导材料的研究。由于许多生物分子的分子内的振动模式，分子间的振动模式( 例如二聚 物之间氢键的摆动和扭转) 和晶体样品晶格的振动模式落在t h z 波段0 3 】。因此，利用 t h z - t d s 可以获得这些大分子在t h z 波段的光学常数，进而可以研究它们的结构和动力学 特性。2 0 0 0 年，a g m a r k e l z 等人首次利用t h z - t d s ，研究了d n a 、牛血清蛋白和胶原质 2 第一章引言 在t h z 波段的性质h j ，发现这三种分子在t h z 波段都有特征吸收，这一结果引起了人们对 利用t h z - t d s 研究生物大分子在t h z 波段的性质的极大关注。此后短短几年内，在利用 t h z - t d s 技术研究生物分子光谱领域已经取得了许多令人鼓舞的成果。研究对象包括氨基 酸分子【嘲，短肽链1 6 1 ，以及核苷酸r 丌、d n a 1 8 1 等，获得了它们在t h z 波段的光学参数，研 究了它们的结构、构型以及所处的环境状态。 自2 0 0 3 年以来，国内外t h z - t d s 技术研究者在氨基酸分子研究方面取得了长足的进 展。 表1 - 1 概括了其中具有典型意义的研究结果。 年代主要工作 2 0 0 3f m i y a m a r u 等人 2 4 对苯丙氨酸，酪氨酸，天冬酰胺以及天冬酰胺的手性对映体d 型天冬酰胺，外消旋体d l 型天冬酰胺进行了光谱测试，得到了它们在0 1 3 5 t h z 范围的吸收光谱，经过比较它们的吸收光谱得出结论：t h z 光谱技术能区分结构和 化学成分相似的生物分子。 p f t a d a y 等人 2 5 研究了谷氨酸在5 k 和3 0 0 k 的环境下的吸收光谱，在5 k 时谷氨 酸的吸收峰在1 7 4 、2 2 4 、2 5 3 t h z ，3 0 0 k 时2 5 3 t h z 的峰移向2 4 6 t h z 。与已经 报道的计算结果比较发现，计算结果没有考虑晶体和氢键的作用，因此与实验结果不 符，预测用d f t 算法可以解析大分子的光谱 实验的有效谱宽：0 1 3 0 t h z 。 2 0 0 4b y u 等人 1 5 对色氨酸进行了光谱测试，并且与用密度泛函理论计算的值比较认为 1 4 3 5 t h z 处的吸收峰是由终端的链c l l - - c 1 2 的振动引起的，1 8 4 2 t h z 的吸收峰是 由环c 1 一c 9 的振动引起的。实验环境：常温，氮气；有效谱宽：0 2 2 0 t h z 。 2 0 0 5m a r i k oy a m a g u c h i 等人 2 6 研究了l 一，d 一，d l - - 丙氨酸的1 t z 吸收光谱，发现l 一，d - - 丙氨酸的吸收光谱相同，吸收峰都位于2 2 3 、2 5 7 t l l z ，而d l 一丙氨酸的吸 收峰位于1 2 5 t h z ，根据它们吸收峰的不同提出并论证了一种区分对应异构体成分 的方法。实验的有效谱宽为1 0 9 0 c m - 1 ( o 3 2 7 t h z ) y u l e is h i 等人 2 7 研究了构象异构体a 一甘氨酸，y 一甘氨酸在0 5 3 0 t h z 范围 的光谱，得到n 一甘氨酸的吸收峰位于2 4 、2 7 t h z ，而y 一甘氨酸的吸收峰位于1 9 、 2 5 t h z 。这是由于它们有不同的空间结构从而形成了不同的氢键，影响了分子间的 振动。实验的有效谱宽：0 5 3 0 t h z 。 3 第一章引言 n a o t on a g a j 等人 2 8 研究了l 一谷氨酸在滴加丙酮溶液的环境下，其t h z 光谱的变 化，发现1 2 4 t h z 处的吸收系数有增高的趋势由于谷氨酸分子的构象发生变化增 加了谷氨酸分子间相互作用，0 6 t h z 处有宽峰的出现，这是由于丙酮分子与谷氨酸 分子间有相互作用的结果。 实验的有效谱宽：0 2 2 o t h z 。实验环境：温度2 4 。c ，湿度5 0 。 王卫宁，岳伟伟等人 2 9 3 0 报道了芳香族氨基酸( 酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸) 、 精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺分子的t h z 吸收光谱，从结构的角度分析了1 1 i z 吸收光 谱能区分具有微小结构差别的分子的特点，并在前人的基础上得到了更宽范围的吸 收谱，填充了氨基酸分子在t h z 波段的光谱空白 芳香族氨基酸( 酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸) 的有效谱宽：0 2 l6 t h z 。 实验环境：温度2 2 。c 湿度3 7 。 酪氨酸、精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺的有效谱宽：o 2 2 8 t h z 。 实验环境：温度2 0 。c 。湿度小于2 。 徐慧等人 3 1 研究了手性对映体l 一，d 一酪氨酸、l 一，d 一色氨酸和它们的外消旋 体d l 一酪氨酸，d l 一色氨酸的吸收光谱，证实t h z 时域光谱能鉴别对映体和它们的 外消旋体。 实验有效谱宽；0 1 2 o t h z 。实验环境；干燥氮气。 2 0 0 6t 丘k o r t e r 等人 3 2 在7 7 k 和2 9 8 k 温度下对丝氨酸和半胱氨酸的t h z 吸收光谱进 行了测试，并用高斯软件、c h a r e g 、c p m d 模拟了两种分子在此波段的振动光谱。证 实低频波段的振动主要是由于分子间的振动模式和声子模式日i 起的。 有效谱宽：3 4 0 0c m 。实验环境：温度为7 7 k 和2 9 8 k ，充以干燥氮气。 马士华等人e 3 3 用高斯软件的密度泛函理论解析了天冬酰胺分子的t t i z 光谱，1 6 7 t l l z 的频率对应的是分子的氨基、甲基以及羧基的摇摆振动，而2 0 5t h z 的频率则 对应着氨基、羧基和甲基的摇摆振动以及支链末端的氨基、羰基的扭曲振动的耦合。 有效谱宽：0 5 2 4 t h z 。实验环境：室温，真空环境。 2 0 0 7王卫宁等人 3 4 用高斯软件半经验理论解析了组氨酸，精氨酸在t h z 波段的光谱，给 出了与光谱特征吸收对应的分子振转模型，为认识分子对n i z 波的响应机制提供了帮 助。 郑盈盈等入 3 5 研究了a 一丙氨酸的构造异构体1 3 一丙氨酸的t l t z 吸收光谱。用高斯 软件中的半经验理论解析了其光谱，并预测了它在2 4 i o t h z 的吸收谱及振动模 4 第一章引言 l 式。 有效谱宽：0 2 2 4 t h z ，实验环境：温度2 9 5 k ，湿度小于4 。 虽然，前人运用t h z - t d s 在氨基酸分子研究方面取得了很大进展，然而，要建立氨基 酸分子t h z 光谱学特征数据库，尚有部分氨基酸分子存在其信息空白；由于实验条件、测 试方法的不同，使得部分已经报道的氨基酸的t h z 光谱存在光谱有效范围窄、同种材料的 光谱数据不尽相同和氨基酸的吸收光谱与其结构的相关性的讨论还不够完善等问题。本论 文就试图在前人研究的基础上，利用首都师范大学t h z 光谱与成像实验室的t h z 光谱测 试系统，针对上述问题进行研究，并且运用t h z - t d s 技术进行应用研究。 1 3 技术路线与研究内容 本论文采取如下的研究技术路线：全面调研t h z - t d s 在生物分子，尤其是氨基酸研 究领域的进展；利用首都师范大学t h z 光谱与成像实验室的t h z 光谱测试系统，购置样 品并进行精心制备，并探索获得最佳光谱数据的样品制备技术措施；随后，进行光谱测试， 提取样品的光学参数；对获得的氨基酸样品t h z 光谱的数据进行处理与分析，在此基础上， 完成如下内容的研究： ( 1 ) 对尚未见有报道的8 种蛋白质氨基酸进行光谱测试，获得它们的吸收光谱和折 射率谱，并将与其它1 2 种氨基酸的光谱数据与已发表的进行比较，互为佐证和补充。按 结构分类，对全部蛋白质氨基酸的t h z 吸收光谱傲系统的分析和归纳。 ( 2 ) 对部分蛋白质氨基酸的手性对映体及其外消旋体，构造异构体的t h z 吸收光谱 进行测试。通过比较其吸收光谱的异同，归纳总结出结构的不同对t h z 吸收光谱的影响。 ( 3 ) 应用研究：定量分析混合物中氨基酸样品的成分和比例。通过对氨基酸混合物 的定量分析，为检测医药保健品、食品等物质中各种成分的含量提供了一种新方法。 1 4 论文章节安排 论文共分为五章： 第一章引言。介绍t h z - t d s 的研究背景与意义的同时，简要地介绍了t h z - t d s 技 术的国内外研究进展，尤其是在氨基酸研究中的进展，并介绍了论文研究所采取的技术路 线及主要研究内容。 第二章t h z t d s 理论基础及实验技术。主要介绍了t h z 波的产生、探测，n i z t d s s 第一章引言 技术的原理，几种常用的t h z 时域光谱系统，在此基础上，提出本论文所采用的实验系统 及实验条件，总结了制各样品的方法和参数提取的原理。 第三章对未报道的8 种蛋白质氨基酸进行光谱测试，得到了它们的吸收光谱和折射 率谱，并将和本次实验相同条件下获得的其它1 2 种氨基酸的光谱数据与前人已发表的进 行比较，互为佐证和补充；按结构分类，对全部蛋白质氨基酸的t h z 吸收光谱做系统的分 析和归纳，探讨了氨基酸t h z 光谱与其结构的相关性。 第四章基于t h z - t d s 对氨基酸的应用性研究。介绍了用t h z - t d s 定量分析氨基酸混 合物中的各成分的含量，研究了这些技术对检测医药保健品、食品等物质的可行性；研究 了手性氨基酸及其外消旋化合物的t h z 光谱，探讨t h z 光谱技术在分子识别和相互作用研究 方面的应用；用理论模拟的方法对丙氨酸的构造异构体一p 一丙氨酸的t h z 光谱进行了解 析。 第五章结论与展望。概括本文的主要研究结果，总结全文，并对未来工作进行展望。 本论文的部分研究成果，笔者以第一作者的身份已经在化学学报、中国光学学会 2 0 0 6 年学术大会上发表；以第二作者身份在第三十一届红外与毫米波及太赫兹电子学国 际会议上发表。 6 第= 章t h z - t d s 理论基础及实验技术 第二章t h z - t d s 理论基础及实验技术 2 1t h z - t d s 理论基础 t h z - t d s 能够同时获得t h z 脉冲的振幅信息和相位信息。它是利用t h z 辐射透射样品或 在样品上发生反射，分别探测通过样品前后的t h z 时域脉冲波形( 分别称之为参考波形和 样品波形) ，然后对这两个时间波形进行快速傅立叶变换，得到它们的频谱信息，在此基 础上对频谱进行分析和处理就可以将被测样品的折射率、吸收系数和消光系数等光学参数 提取出来。通过进一步分析实验得到的这些光学参数，可以对样品的种类进行鉴别并得到 样品一些相关的物理和化学信息。t h z - t d s 通过使用更窄波段的可调谐t h z 光源或者探测 器可以实现更高的光谱分辨率，可以弥补传统的傅立叶变换光谱( f t s ) 光谱分辨率有限的缺 点，所以它具有更好的应用前景。 典型的t h z 时域光谱系统主要由飞秒激光器、t h z 辐射产生装置、t h z 辐射探测装置和 时间延迟控制系统组成。飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为两束，一束 激光脉冲( 泵浦脉冲) 经过时间延迟系统后入射到t h z 辐射源上产生t h z 辐射，另一束激光 脉冲( 探测脉冲) 和t h z 脉冲共同入射到t h z 探测器件上，通过调节探测脉冲和t h z 脉冲之 间的时间延迟探测t h z 脉冲的整个波形 下面就t h z 波的产生、探测方法，及其几种常见的t h z 时域光谱系统和样品制备过程 和参数提取原理进行简略介绍。 2 1 1t h z 波的产生 按性质划分，t h z 辐射可分为连续t h z 波和脉冲t h z 波两大类。连续t h z 波的产生 主要有四种方式：一是用f t i r 光谱技术中使用的热辐射源，一般用汞灯和s i c 棒；二是 基于激光技术的非线性光混频产生；三是电子发射源，基于电子学振荡的t h z 辐射源， 其中有：共振隧穿二极管( r t d ) 振荡器，耿式( g u r m ) 振荡器及肖特基二极管等：四是 通过三种t h z 激光器直接产生，也就是自由电子激光器( f e l ) 、气体激光器和半导体激 光器( 包括量子级联激光器) 。这些产生连续t h z 波的方式各有其优缺点，但是，它们 有一个共同的弱点是无法有效地消除系统的背景嗓声。近年来，随着超快激光技术的发展， 利用超快激光技术来产生脉冲t h z 的方法得到了广泛应用。由于这类方法中使用了飞秒 7 第二章t h z t d s 理论基础及实验技术 量级( 1 0 - j 5 ) 的探测脉冲，速度很快，所以，测量过程中实验系统来不及反映背景噪声， 从而有效地解决了这一难题。 本实验的光路系统采用的是脉冲t h z 波。下面将着重介绍脉冲t h z 波的相关理论基 础。 t 脉冲t h z 波的产生有很多方法，既可以通过半导体表面电流产生机制，反 f r a n z k e l d y s h 效应产生，也可以通过相干控制和等离子体振荡等方式产生。然而，研究者 最常用的有光导天线机制和光整流机制”。 ( 1 ) 光导天线机制，即利用光电导天线。光电导天线的结构如图2 1 所示。天线e h - - 部分组成：平面偶极子、产生光电流的光导开关和 用作欧姆接触的两条共面微带传输线郾】。光导天线 机制是利用具有飞秒( 1 0 - u s ) 脉宽的超短激光脉 冲，在半导体的表面激发自由载流子。这时只要半 导体的周围存在电场( 可以是外加电场，也可以是 半导体本身的表面场) ，被激发的自由载流子就会 在电场的作用下作加速运动。结果，加速运动的粒 子就辐射出t h z 电磁波。这种方法要求激光脉冲 谴豳 p一 图2 - i 光电导天线结构 的时间短，能量高，即h v _ e g 。只有这样，才有可能在瞬间激活半导体的载流子，并在外 加作用力的条件下加速运动辐射出电磁波，即t h z 波。光导天线的发射装置可以产生相对 较大的( 大约4 0 p w ) t h z 辐射功率3 刀和相当宽的辐射带宽( 4 t h z ) 【3 3 1 。 ( 2 ) 光整流机制，该方法是利用非线性效应。原理上是基于电光效应的逆过程【3 9 】。用 超短激光脉冲入射到非线性晶体，利用非线性晶体的差频效应，激光脉冲在晶体中进行差 频，从而产生t h z 电磁波。由于t h z 辐射的频率远低于光频，这个过程类似于对光波进 行整流，因此，又被称为光整流效应。这一理论于1 9 6 2 年首先被b a s sm 提出【3 川；1 9 7 1 年，沈元壤等人利用l i n b o ，产生远红外辐射的过程将其实现【柏】。随后，许多物理学家运 用这一方法，在研究不同材料的电光特性以优化t h z 发射方面进行了大量的研究【4 l ”】。由 于这种方法产生的t h z 脉冲的能量直接取决于超短激光脉冲的能量，因此，直到超短脉冲 激光器的诞生才使光整流产生t h z 这一技术得以实际应用。b b 。h u 和x - c z h a n g 等人 首先研究了基于亚皮秒光整流机制的t h z 电磁辐射产生方法【l o 】，q w ux c z h a n g 等 人研究了基于线性电光效应的t h z 电磁辐射的探测方法脚l 。这种机制利用红外脉冲激光 产生t h z 电磁辐射，类似于利用光波产生静电场，而且，t h z 电磁辐射脉冲在亚皮秒量 第二二章t h z - t d s 理论基础及实验技术 级，由此，该方法又被称为亚皮秒光整流方法。 比较这两种常用的产生脉冲t h z 的方法，利用亚皮秒光整流效应可以产生更宽频谱的 t h z 电磁辐射脉冲 4 5 1 ，现在可以产生宽到7 0t h z 的红外波【稻l ，使其适用于在大的频率范 围内进行物质的t h z 吸收光谱研究。然而，由于利用亚皮秒光整流效应产生的t h z 电磁 辐射脉冲的能量主要来自于飞秒脉冲激光的能量，因此，提高t h z 电磁辐射脉冲的能量就 显得非常困难。利用这种方法产生的t h z 电磁辐射脉冲一般在几个纳安的数量级，而利用 光导天线机制产生的t h z 电磁辐射脉冲的能量可以由偏压电场决定。因此，利用这种方法 时，提高t h z 电磁辐射脉冲的能量比较方便d 6 ，相较而言，利用光导天线机制的方法在光 路调节方面比亚皮秒光整流方法更为简便。 2 。1 。2t h z 波的探测 根据产生脉冲t h z 的两种不同方式，对它的探测通常也有两种方法，分别为光导天线 取样技术和电光取样技术；此外，也可以通过磁光取样技术探测t h z 脉冲【l 】。 光电导天线被广泛地应用于t h z 脉冲的探测。不加偏置电压的光导天线放在t h z 脉冲 光路上，同时让激光器产生的探测脉冲通过光导天线，在没有t h z 脉冲时，锁相放大器探 测到的信号为零，当t h z 脉冲通过光导天线时给光导天线加一个偏置电压，从探测器上探 测到的光电流大小与t h z 辐射场成比例。由于探测脉冲的脉宽远远小于t h z 脉冲的脉宽， 可以通过调节两个脉冲之间的时间延迟栅z 脉冲进行取样h n 。 电光取样技术应用的是线性电光效应，又称帕克尔效应，是光整流效应的逆效应，其 原理如图2 - 2 所示。当t h z 电场通过电光晶体时，其瞬态电场将使电光晶体的折射率发生 各向异性的改变，当探测光脉冲和t h z 脉冲同时通过晶体时，t h z 脉冲电场导致的晶体折 射率改变将使探测光的偏振态变化，调整探测光脉冲和t h z 脉冲之间的时间延迟，检测探 测光在晶体中发生的偏振变化就可以获得t i - i z 脉冲电场的时间波形【耜】。电光取样技术中使 用的电光晶体的厚度要适中，一般说来，较厚的晶体可以给耦合提供较长的相互作用长度， 从而可以得到较大的信号，然而，厚度的增加会增大晶体对t h z 脉冲的散射和吸收【4 7 1 。 9 第二章t h z - t d s 理论基础及实验技术 图2 - 2电光取样原理图 两种探测方法各有其优缺点，光导天线探测t h z 脉冲，探测带宽主要由载流子的响应 时间决定，带宽比较窄，同时光路的调节也比较困难 4 9 1 ；电光取样技术不受光电流速度的 影响，只与所用电光晶体的非线性性质相关，有较宽的探测带宽。经常采用的z n t e 电光 晶体，在探测的灵敏度、探测带宽和稳定性等方面优于其它电光晶体【5 0 j ，然而，由于z n t e 晶体在5 3t h z 处存在横向声子吸收，因此，对于探测带宽的提高有一定的限制【5 1 1 。 2 1 3t h z t d s 系统及原理 在t h z - t d s 中，典型的光路有四种( 图2 3 ) ：透射型光路、反射型光路、差分光路 和啁啾展宽光路。它们主要由飞秒激光器、t h z 辐射产生装置、t h z 辐射探测装置和时间 或空间延迟控制系统组成。 根据光波透过被测样品或从被测样品表面反射，或产生t h z 波时是透过发射源还是从 发射源表面反射的不同，都可以将光路分别分为透射型光路和反射型光路。这里以光波与 样品的相互作用关系进行分类讨论。透射型光路是将产生的t h z 辐射穿透样品，使t h z 信号带有样品的信息，这种方法比较适于吸收不太强的样品。透射型光路在实验调节上比 较方便，而且可以获得很高的信噪比，因此，透射型光路的使用比较广泛。反射型光路贝l j 是在被测样品表面形成反射，从而使t h z 信号带有样品的信息。这一方法可以用于对吸收 比较强的体材料进行测量，这时，样品的反射率比较高，测量比较准确。然而，当测量参 考信号和样品信号时，参考样品和被测样品位置要严格还原。这在实验技术上要求非常严 格。这种方法还未被广泛使用，发展也较慢。 1 0 第一二章t h z - t d s 理论基础及实验技术 在上述光路的基础上，有人做了一定的改进。在透射型光路和反射型光路的基础上， 加入双调制技术，即用两个不同频率对检测信号进行调制，同时利用锁相放大器进行信号 检测。这一新方法大大提高了信噪比，可以检测弱信号【5 2 1 。因此，在生物样品探测中，该 方法有很大的应用潜力及研究价值。在这种方法中，样品需要以一定的频率振荡，且增加 了装置的复杂性。 以上三种类型的光路都是利用泵浦探测( p u m p - p r o b e ) 原理，采用逐点扫描法对数据 进行记录，即飞秒激光器产生的激光脉冲，经过分束镜后被分为两束，一束为激发脉冲， 用于产生t h z 辐射；另一束为探测脉冲，用于逐点探测t h z 脉冲的整个波形，其原理如 图2 4 所示。这一光路系统可以通过控制步进机的步长，人为地控制数据采集的精度；因 此，使用这一系统通常可以达到很高的精确度。然而，这种光路系统的缺点是速度慢。1 9 9 8 年，张希成等人提出了啁啾展宽的方法【5 3 】，该方法使用光栅将1 1 z 时域谱转换为空域谱， 使用c c d 一次即可获得整个t h z 谱。该方法的优点是大大提高了数据采集的速度，缺点 是受到光栅及c c d 精度的限制，数据的精确度比较低。 第二章t h z t d $ 理论基础及实验技术 t r a i no fs i g n a p u l s e s s a m p l i n g g a t e s a m p l e d w a v e f o r m 圈2 4t h z 波形逐点扫描原理图 为提高逐点扫描的速度，且不降低数据的精度，有的研究者采用了快速扫描的方法【朔。 这种方法采用扬声器代替步进机，在扬声器上输入周期振荡信号使其发生周期的振荡，对 t h z 信号进行扫描。由于扬声器振动的振幅有限，所以，扫描的范围受到一定的限制。由 于扬声器在振动过程中，速度大小不同，使采集的数据时间间隔不均匀，所以，在数据处 理中需要对数据进行拟合以便于傅立叶变换后求对应的频率值。另外，沈京玲等提出采用 啁啾脉冲互相关法测量t h z 辐射的方法p 4 。这一方法是利用单脉冲非共线互相关获得二次 谐波信号，在此二次谐波信号中镶嵌t h z 时域波形，相比啁啾展宽的方法不需要频域分析， 因此，大大提高了t h z 波形的时间分辨率。 2 2t - l z - t d s 系统以及实验技术 2 2 1 反射式产生t h z t d s 实验系统 本论文的全部实验结果是在首都师范大学光谱与成像实验室的t h z t d s 实验系统下完 成的，其实验装置如图2 5 所示。在图2 5 中，发射晶体为h 认s 晶体，电光探测晶体为 z n t e 晶体，z 2 为二分之一波片，z 4 为四分之一波片，r m l r m l l 是反射镜，p m i p m 4 为离轴抛物面镜，样品为样品放置处，l l l 3 为聚焦透镜，p 为检偏器，高阻硅用于透射 t h z 波，反射飞秒激光，探测器接锁相放大器，通过计算机进行数据采集。图中，虚线部 分在实验测量时置于氮气环境中，以减少水对t h z 波的吸收，实验环境的相对湿度小于 4 ，温度约为2 1o c 。图2 - 6 为虚线框内的实物图。 1 2 第二章t h z - t d s 理论基础及实验技术 图2 - 5t h z - t d s 实验原理图 实验采用光谱物理公司的自锁模可调谐式钛宝石激光器( m a i t a il a s e r ) 作为超短脉冲激 光光源，其中心波长为8 1 01 1 1 1 1 ，输出脉宽为1 0 0f s ，重复频率为8 2m h z ，输出功率为9 8 0 m w 。实验光路采用p u m p - p r o b e 方法。通过分束镜，飞秒脉冲分为两束，它们的能量分配 通过l 2 波片进行调节。其中，强的一束作为泵浦光，经频率为1 0 0 0h z 的斩波器斩波后， 入射到发射极( i l l a s ) 上。产生t h z 电磁辐射脉冲，该脉冲被聚焦至u 所测量的样品 上，t h z 波从样品透射后，获得样品的响应而携带了样品的信息( 包括散射和吸收) ，然 后，被抛物面镜反射到电光探测晶体碲化锌( z n t e ) 1 - 。弱的一束为探测光，当它和载 有样品信息的t h z 电磁脉冲共线经过探测晶体 z n t e 时，其中t h z 电磁脉冲的电场部分通过线 性电光效应，使电光晶体的折射率发生各向异性 的改变，从而调制z n t e 晶体的折射率椭球，改 变探测飞秒脉冲的偏振态；调整探测脉冲和t h z 脉冲间的时间延迟，测量探测光偏振态的变化， 由此，即可得到载有样品信息的t h z 电磁脉冲的 图2 - 6t h z - t d s 实验装置实物图 电场信息。探测光信号是由平衡二极管进行平衡 探测的，然后，经过锁相放大器放大后被输入计算机进行处理。 2 2 2 样品制备 1 3 第二章t h z - t d s 理论摹础及实验技术 在t h z 时域光谱实验中，试样的制备及处理占有重要的地位。如果试样处理不当，即 使仪器的性能很好，也不能得到满意的t h z 光谱图。在充分研究前人对样品处理经验的基 础上，在本文实验中，制备试样时充分考虑了下述方面： ( 1 ) 选择适当的试样厚度。为了褥到生物样品在- r h z , 波段的最佳信号，获得t h z 信号通过 样品后有合适的振幅衰减和相位延迟，这就要求样品具有适当的尺寸，本研究制备的实验 样品厚度约为l m m 。 ( 2 ) 试样中不应含有游离水。这是因为水分在t h z 波段有吸收，若试样含有水分，将导 致所获取的光谱图不真实。 试样的制备因样品性质和测量条件的不同而应采取不同的制备方案。本研究所用样品 为固体粉末，样品制备选择压片法。压片法制样的优点是所需样品用量少( 氨基酸类样品 约几十毫克) 。 ( 3 ) 在制备纯样品或与少量聚乙烯混合的样品时，所加压力不易过大，一般1 0 0 0 2 0 0 0 蚝 即可，可视具体情况而定。 ( 4 ) 在压片法制样中，散射效应对光谱的影响是非常明显的，而散射作用主要是由两个 因素引起的：一是被测样品的粒度大小；二是分散剂的折射率与样品折射率间的关