王文愛, 劉 維

首都師范大學(xué)物理系, 北京 100048

引 言

太赫茲波是一種非電離的、 低功率電磁波，這使得它在生物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能[1-5]。太赫茲波可以激發(fā)大分子的振動(dòng)模式和轉(zhuǎn)動(dòng)模式[6-8]，同時(shí)得到樣品的振幅和相位信息。利用THz技術(shù)進(jìn)行光譜研究，將有助于進(jìn)一步了解樣品的光學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，獲得目前光學(xué)研究中缺乏的相關(guān)知識(shí)，為揭示結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系提供新的證據(jù)。

2015年，方紅霞等[9]利用太赫茲時(shí)域光譜(terahertz time domain spectroscopy, THz-TDS)技術(shù)，在室溫下對(duì)腺嘌呤、 富馬酸及兩者的共晶體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探測(cè)，得到0.92，1.24及1.52 THz三處特征頻率值，可以明顯地將三種物質(zhì)鑒別開來?；诿芏确汉碚?density functional theory, DFT)對(duì)各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果表明其中一種可能的共晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，由此可以判斷影響吸收峰的具體來源。2016年，Choi等[10]用太赫茲時(shí)域光譜研究了不同濃度的NaCl和脂肪溶液，得到了相關(guān)光學(xué)參數(shù)； 基于德拜模型，對(duì)樣品的介電常數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的水分子對(duì)膜結(jié)構(gòu)的相互作用有影響。

本文采用THz-TDS和傅里葉變換紅外光譜(Fourier transformation infrared spectroscopy, FTIR)系統(tǒng)對(duì)三種糖類樣品的THz透射光譜進(jìn)行了測(cè)譜分析。樣品包括不同濃度的無水葡萄糖、 果糖、 半乳糖及其混合物。采用CASTEP晶體軟件對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算它們的特征吸收，并將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 傅里葉變換紅外光譜系統(tǒng)(FTIR)

用德國(guó)Bruker公司的VBREX80V傅里葉紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，為了避免水蒸氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)樣品室進(jìn)行了真空處理(其壓力小于2 Pa)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，來自光源的紅外光分為兩條路，樣品信息通過干涉光進(jìn)入光電探測(cè)器。

圖1 FTIR系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of FTIR system

1.2 太赫茲時(shí)域系統(tǒng)(THz-TDS)

采用中國(guó)大恒股份有限公司時(shí)域光譜儀(CIP-TDS)對(duì)樣品進(jìn)行THz透射譜的測(cè)量。該系統(tǒng)具有較高的分辨率和光譜檢測(cè)范圍。為了避免水蒸氣的影響，實(shí)驗(yàn)在氮?dú)夂秃銣丨h(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。激光的中心波長(zhǎng)、 功率、 重復(fù)頻率和脈沖寬度分別是780 nm，140 mW，80 MHz和100 fs。入射光束在分束器(BS)后分為泵浦光和探測(cè)光兩路，經(jīng)樣品后兩束光在ZnTe晶體處會(huì)聚，基于差分探測(cè)技術(shù)，可以得到樣品的太赫茲時(shí)域光譜信號(hào)。

圖2 THz-TDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of TDS setup

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

由于圖1中反射鏡M2可以以恒定的速度v移動(dòng)，探測(cè)器上的信號(hào)有

I′(δ)=B(ν)[1+cos2πδ/λ]

(1)

式(1)中，I′(δ)為光強(qiáng)，B(ν)是由分束器效率、 探測(cè)器和放大器響應(yīng)調(diào)制后，波數(shù)為ν的光強(qiáng)，δ是光程差，所以有δ=2νt。探測(cè)器上得到的干涉圖是每個(gè)波數(shù)干涉圖的矢量和，有

(2)

相應(yīng)的光譜有

(3)

樣品透射光譜有[11]

(4)

式(4)中，BS(v)是樣品的透射光譜，B0(v)為背景光譜。根據(jù)比爾·蘭伯特定律，有吸光度公式

(5)

由此可以得到FTIR系統(tǒng)中樣品的吸光度譜。

根據(jù)Dorney和Duvillaret等提出的物理模型[11-12]，也可以方便快速地提取THz-TDS系統(tǒng)中材料的幅值和相位信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品制備

測(cè)量中使用了無水葡萄糖(D-(+)-葡萄糖； Sigma公司，純度>99%)，無水果糖(D-(-)-果糖，百靈威公司，純度>99%)和無水半乳糖(D-(+)-半乳糖，百靈威公司，純度>99%)。將樣品充分研磨后，把不同比例的葡萄糖(G)、 果糖(F)、 半乳糖(Ga)分別和聚乙烯(PE)粉末混合，放入壓片機(jī)，在3 t壓力下壓制5 min，形成直徑約為13.00 mm、 厚度0.50 mm的固體壓片。

2.2 葡萄糖樣品的THz-TDS和FTIR光譜的結(jié)果分析

利用THz-TDS系統(tǒng)，可以得到不同比例聚乙烯和葡萄糖壓片的時(shí)域信號(hào)，其中聚乙烯與葡萄糖的質(zhì)量比分別為6∶1，6∶2，6∶3，6∶6，6∶9和0∶6。利用Origin軟件，對(duì)不同比例葡萄糖樣品的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，相應(yīng)的頻域信號(hào)如圖3所示，其中內(nèi)插圖是1.44 THz附近的放大結(jié)果。通過折射率譜與吸收系數(shù)譜的對(duì)比，可以知道葡萄糖樣品在1.30，1.44，1.88，2.05，2.08，2.70，2.84和2.96 THz處有特征吸收。此外，從圖3插圖中可以看到，隨著葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，THz波的吸收強(qiáng)度減少。

圖3 葡萄糖樣品的頻域光譜圖Fig.3 Frequency domain spectra of glucose samples

對(duì)葡萄糖樣品頻域信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，可以發(fā)現(xiàn)在所有上述特征吸收頻率處，THz頻域的光譜強(qiáng)度均隨葡萄糖與聚乙烯質(zhì)量比的增加而線性減小[13]。

基于FTIR系統(tǒng)，圖4給出了不同比例的聚乙烯和葡萄糖片的吸光度譜，其中每條曲線對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量比的吸收情況。與前面的分析方法相同，考慮所有比例樣品的共同吸收峰是葡萄糖在THz波段的特征吸收，可以得到其特征吸收頻率有1.10，1.27，1.45，1.79，1.97，2.40，2.69，2.95，3.24，3.64和4.23 THz。通過與圖5的THz-TDS系統(tǒng)吸收系數(shù)譜比較，可以發(fā)現(xiàn)FTIR系統(tǒng)的部分測(cè)試結(jié)果與TDS的結(jié)果相同。

圖4 不同比例葡萄糖樣品的FTIR吸光度譜Fig.4 FTIR absorption spectra of glucosesamples with different ratios

圖5 不同比例葡萄糖樣品的THz-TDS吸收系數(shù)譜Fig.5 THz-TDS absorption spectra of glucosesamples with different ratios

2.3 果糖和半乳糖樣品的FTIR光譜結(jié)果

采用THz-FTIR系統(tǒng)，對(duì)不同比例聚乙烯和果糖壓片進(jìn)行測(cè)試，得到了如圖6所示的吸光度譜。圖中每條曲線對(duì)應(yīng)聚乙烯與果糖的質(zhì)量比分別是6∶1，8∶1，9∶1，10∶1，11∶1和12∶1的吸收狀況。所有比例樣品的共同吸收峰是果糖的特征吸收，可以發(fā)現(xiàn)這些峰值分別在： 1.09，1.33，2.14，2.62，2.97，3.24，4.75，6.97，7.35，7.80，8.36，9.16，9.32，9.53和9.73 THz，并且該樣品的THz吸光度，隨著果糖質(zhì)量比的增加而增加。

圖7是不同摻比的聚乙烯和半乳糖的THz吸收情況。圖中的每條曲線對(duì)應(yīng)聚乙烯與半乳糖的質(zhì)量比分別為7∶1，8∶1，9∶1，10∶1，11∶1和12∶1的吸光度譜。它們的共同吸收峰有2.21，2.33，2.70，2.82，3.17，3.42，3.93，5.01，5.07，5.96，6.60，6.91，8.03，8.71和9.01 THz。在特征吸收頻率下，對(duì)不同質(zhì)量比的半乳糖樣品進(jìn)行吸光度的線性擬合，部分結(jié)果如圖8所示。可以看到，樣品的THz吸光度，隨著半乳糖含量的增加呈線性增加。

圖6 不同比例果糖樣品的FTIR吸光度譜Fig.6 Absorption spectra of fructosesamples with different ratios

圖7 半乳糖樣品的FTIR吸光度譜Fig.7 Absorption spectra of galactose samples

2.4 混合樣品的FTIR光譜結(jié)果與分析

將葡萄糖、 果糖、 半乳糖和聚乙烯混合，混合比例分別為果糖∶半乳糖∶聚乙烯=1∶1∶10，果糖∶葡萄糖∶聚乙烯=1∶1∶10, 半乳糖∶葡萄糖∶聚乙烯=1∶1∶10，果糖∶半乳糖∶葡萄糖∶聚乙烯=1∶1∶1∶15。四種混合樣品用FTIR系統(tǒng)測(cè)試，得到吸光度譜如圖9所示。通過比較葡萄糖、 果糖、 半乳糖和聚乙烯混合物質(zhì)的吸光度譜可以發(fā)現(xiàn)，葡萄糖和果糖在2.96 THz有共同的特征吸收，葡萄糖和半乳糖在2.33，2.70和2.82 THz有共同的特征吸收頻率，果糖和半乳糖在8.00 THz具有相同的特征吸收頻率，葡萄糖、 果糖和半乳糖在3.20 THz具有共同的特征性吸收。比較三種同分異構(gòu)體的特征吸收頻率，可以根據(jù)其指紋特征頻率進(jìn)行分析指認(rèn)。

三種單糖具有相同的分子式，所以可以看到三者間共同的特征吸收頻率主要源于分子內(nèi)的相互作用，反應(yīng)了同分異構(gòu)體有相同的化學(xué)鍵或者基團(tuán)； 特征吸收頻率的差異主要源于分子結(jié)構(gòu)以及分子間的相互作用，代表同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)以及分子間振動(dòng)模式的不同。將單一樣品與混合樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)葡萄糖、 果糖和半乳糖三種化合物各自的特征吸收在四種混合樣品的吸收譜中都有出現(xiàn)。因?yàn)闇y(cè)量技術(shù)限制，目前尚未取得葡萄糖在4.5～10 THz范圍內(nèi)的結(jié)果。通過分析混合樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以預(yù)測(cè)葡萄糖應(yīng)在4.70，5.30，5.60，5.98，7.03，7.85，8.26，8.71和9.01 THz處有特征吸收。

圖8 在(a)4.51 THz和(b)8.71 THz頻率處，不同比例半乳糖樣品的吸光度擬合結(jié)果Fig.8 Absorption fitting results of galactose samples with different proportions at (a) 4.51 THz and (b) 8.71 THz

圖9 (a) F∶Ga∶PE=1∶1∶10樣品的吸光度譜； (b) F∶G∶PE=1∶1∶10樣品的吸光度譜；(c) Ga∶G∶PE=1∶1∶10樣品的吸光度譜；(d) F∶Ga∶G∶PE=1∶1∶1∶15樣品的吸光度譜

3 理論模擬與分析

比較高斯09和CASTEP軟件對(duì)葡萄糖的模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)用模擬結(jié)果可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和高斯計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了CASTEP軟件用于分子模擬的可行性[13-16]。

基于密度泛函理論，用MS7.0軟件包中的CASTEP模塊對(duì)果糖和半乳糖進(jìn)行計(jì)算，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)來自劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，如圖10和圖11所示。每個(gè)細(xì)胞包含四個(gè)分子，它們的晶格參數(shù)分別是aF=8.088 ?，bF=9.204 ?，cF=10.034 ?，αF=βF=γF=90°和aGa=5.939 ?，bGa=7.871 ?，cGa=15.800 ?，αGa=βGa=γGa=90°。

圖10 果糖樣品的細(xì)胞結(jié)構(gòu)Fig.10 Fructose cell structure

圖11 半乳糖樣品的細(xì)胞結(jié)構(gòu)Fig.11 Galactose cell structure

首先測(cè)試了果糖和半乳糖的收斂性, 得到計(jì)算它們的K點(diǎn)分別為0.07和0.06 ?，兩個(gè)截?cái)嗄芫鶠? 000 eV(當(dāng)K點(diǎn)小于0.07 和0.06 ?，截?cái)嗄艽笥? 000 eV時(shí)，能量趨于穩(wěn)定)。

比較果糖的CASTEP軟件模擬結(jié)果與FTIR測(cè)試結(jié)果，如圖12所示。圖中理論計(jì)算結(jié)果在圖底部用帶箭頭的豎直線表示?？梢缘玫焦窃?.10, 1.45, 1.78, 2.28, 2.69, 3.03, 3.38, 4.90, 7.13, 7.36, 7.90，8.41，9.19，9.44，9.60和9.94 THz處有特征吸收，理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。

圖13給出了半乳糖模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，其中理論模擬結(jié)果仍在圖底部用帶箭頭的豎直線表示。可以知道半乳糖在2.04，2.55，2.78，2.87，3.20，3.46，3.94，4.56，5.10，6.21，6.80，6.92，8.14，8.80和9.10 THz處存在特性吸收。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖12 果糖CASTEP模擬結(jié)果與FTIR實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.12 Comparison of fructose CASTEP simulationresults with FTIR experimental results

圖13 半乳糖CASTEP模擬結(jié)果與FTIR實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.13 Comparison of CASTEP simulation resultswith FTIR test results for galactose

4 結(jié) 論

采用THz-TDS系統(tǒng)和FTIR系統(tǒng)，在較寬的頻譜范圍內(nèi)，對(duì)無水葡萄糖、 果糖與半乳糖進(jìn)行THz光譜研究，其中葡萄糖、 果糖和半乳糖的有效測(cè)量范圍分別為1～4.5 THz，1～10和2～10 THz。根據(jù)高斯09分子軟件和CASTEP晶體軟件模擬葡萄糖THz吸收光譜的結(jié)果，拓展使用CASTEP量子化學(xué)軟件對(duì)果糖和半乳糖兩種化合物大分子的晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論模擬。通過分析發(fā)現(xiàn)：

(1)基于三種單一樣品及其混合物在THz波段的指紋特征，可以很好地區(qū)分葡萄糖、 果糖和半乳糖三種同分異構(gòu)體。在測(cè)量范圍內(nèi)，指認(rèn)了更多的特征吸收頻率。根據(jù)所得結(jié)果，預(yù)測(cè)了葡萄糖在4.5～10 THz范圍內(nèi)的特征吸收。在特征吸收頻率處，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，樣品對(duì)THz波的吸光度線性增強(qiáng)。果糖和半乳糖樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，這會(huì)導(dǎo)致定量分析的規(guī)律性低于葡萄糖的結(jié)果。這項(xiàng)工作拓展了樣品的研究范圍到0～10 THz，為糖尿病和半乳糖血癥的診斷提供了依據(jù)，同時(shí)也對(duì)其他化合物的量化鑒別提供了實(shí)驗(yàn)參考。

(2)樣品的遠(yuǎn)紅外吸光度譜的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的可靠性。這項(xiàng)工作為分析同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)特征，研究化合物在生物體內(nèi)的功能和作用提供了新的方法，為CASTEP晶體模擬軟件在化合物的THz光譜模擬方面提供了理論參考。