基于太赫茲時域譜技術(shù)的有機分子溶液檢測與分析研究.pdf

1、太赫茲(Terahertz，THz)電磁波譜與有機及生物分子的轉(zhuǎn)動和振動能量對應(yīng)，非常適于鑒別和研究這些分子的動力學行為，尤其是基于飛秒超快激光技術(shù)的太赫茲時域光譜技術(shù)(THz-TDS)，可以測量太赫茲波電場的幅度和相位，直接得到材料太赫茲波段的折射率和吸收系數(shù)，以及反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及微觀運動狀態(tài)的復介電譜。不僅如此，THz波對生物分子中的水非常敏感，可直接探測其它技術(shù)很難探測的生物分子-水分子界面的水分子網(wǎng)絡(luò)動力學變化。本文研究了基于

2、THz-TDS技術(shù)的液態(tài)物質(zhì)光學材料參數(shù)的提取方法；比較了可以用于定量分析有機分子溶液THz吸收譜的回歸校正建模方法；研究了有機分子水溶液THz介電譜產(chǎn)生的介電響應(yīng)機理；以及可以用于測量溶液濃度的THz波段人工電磁材料傳感器的特性。本文的主要研究工作包括：
　　 1)提出了一種基于THz脈沖時域波形重建技術(shù)的材料參數(shù)(如折射率和吸收系數(shù))提取方法，該方法可以克服其它頻域材料參數(shù)提取算法的固有缺陷，能夠更為精確地測定材料的材料參數(shù)

3、，特別是液體的材料參數(shù)。目前已有的材料參數(shù)頻域提取算法在定義誤差函數(shù)時必須把不同量綱的復數(shù)的幅度和相位一起考慮，而本文利用波形重建技術(shù)在時域定義的誤差函數(shù)物理意義更為明確，結(jié)果更為準確可靠。該方法可以用于多層結(jié)構(gòu)的透射測量以及反射測量方式，進一步提高了溶液材料參數(shù)的提取精度，并降低了測量難度，更適合現(xiàn)場測量。
　　 2)利用支持向量機回歸模型定量分析了常溫下食用植物油(液態(tài))的THz吸收譜。采用THz時域譜技術(shù)和波形重建技術(shù)測得

4、了30個食用油樣本的THz吸收譜，隨機分為訓練集和預測集，利用支持向量回歸算法和標準方法測得的參考含量在訓練集上建立了植物油主要油酸成分含量、酸價和過氧化值的預測模型，并應(yīng)用這些模型對測試集樣本進行預測。結(jié)果表明支持向量回歸算法所建模型對油酸含量、酸價和過氧化值預測的精度高于傳統(tǒng)的偏最小二乘法(Partial Least Square，PLS)方法。
　　 3)利用基于動態(tài)Onsager有效電場的THz波段分子極化率模型估計了蔗

5、糖和葡萄糖水溶液中結(jié)合水分子的數(shù)量、半徑等重要參數(shù)。通過對蔗糖和葡萄糖水溶液的THz介電譜的研究，進一步印證了常溫下水溶液中結(jié)合水分子的轉(zhuǎn)動和平移等弛豫運動可從自由水的皮秒量級下降到納秒和微秒量級，但相應(yīng)的共振運動部分不變，并得到了結(jié)合水的宏觀介電常數(shù)。結(jié)合水的這些性質(zhì)可以用來估計生物有機分子水溶液中結(jié)合水分子的數(shù)量及大小等參數(shù)，并為將來動態(tài)監(jiān)測生物分子的水合過程奠定基礎(chǔ)。
　　 4)利用有限元方法仿真分析了THz人工電磁介質(zhì)作