基于太赫茲時(shí)域譜技術(shù)的有機(jī)分子溶液檢測(cè)與分析研究.pdf

1、太赫茲(Terahertz，THz)電磁波譜與有機(jī)及生物分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量對(duì)應(yīng)，非常適于鑒別和研究這些分子的動(dòng)力學(xué)行為，尤其是基于飛秒超快激光技術(shù)的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)，可以測(cè)量太赫茲波電場(chǎng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的復(fù)介電譜。不僅如此，THz波對(duì)生物分子中的水非常敏感，可直接探測(cè)其它技術(shù)很難探測(cè)的生物分子-水分子界面的水分子網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)變化。本文研究了基于

2、THz-TDS技術(shù)的液態(tài)物質(zhì)光學(xué)材料參數(shù)的提取方法；比較了可以用于定量分析有機(jī)分子溶液THz吸收譜的回歸校正建模方法；研究了有機(jī)分子水溶液THz介電譜產(chǎn)生的介電響應(yīng)機(jī)理；以及可以用于測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)必須把不同量綱的復(fù)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(shí)域定義的誤差函數(shù)物理意義更為明確，結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。該方法可以用于多層結(jié)構(gòu)的透射測(cè)量以及反射測(cè)量方式，進(jìn)一步提高了溶液材料參數(shù)的提取精度，并降低了測(cè)量難度，更適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
　　 2)利用支持向量機(jī)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(shí)域譜技術(shù)和波形重建技術(shù)測(cè)得

4、了30個(gè)食用油樣本的THz吸收譜，隨機(jī)分為訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集，利用支持向量回歸算法和標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得的參考含量在訓(xùn)練集上建立了植物油主要油酸成分含量、酸價(jià)和過(guò)氧化值的預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用這些模型對(duì)測(cè)試集樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明支持向量回歸算法所建模型對(duì)油酸含量、酸價(jià)和過(guò)氧化值預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)Onsager有效電場(chǎng)的THz波段分子極化率模型估計(jì)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(guò)對(duì)蔗糖和葡萄糖水溶液的THz介電譜的研究，進(jìn)一步印證了常溫下水溶液中結(jié)合水分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移等弛豫運(yùn)動(dòng)可從自由水的皮秒量級(jí)下降到納秒和微秒量級(jí)，但相應(yīng)的共振運(yùn)動(dòng)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(lái)估計(jì)生物有機(jī)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(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生物分子的水合過(guò)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