海藻糖和纤维二糖的太赫兹光谱研究

随着生活水平的不断提高，农产品的种类和数量越来越多，而农产品质量安全问题因与人民群众的身体健康和生命安全密切相关，已引起政府部门和社会各界广泛关注。近年来由于农产品质量安全检测手段相对滞后，被不法分子利用，导致国内食品安全事件频发，如“苏丹红”事件、“福寿螺”事件、“瘦肉精”事件、“多宝鱼”事件、“三聚氰胺”事件、“假冒蜂蜜”事件等，让中国及其它国家对中国的农产品质量安全产生了严重担忧。太赫兹（ Terahertz， THz）波是指频率在 0.1～10THz（ 1THz＝1012Hz）或波长在 30μm～3mm 范围内的电磁波，其波段位于微波和红外辐射的过渡区域，具有许多独特的性质。比如太赫兹波太赫兹波的能量低，检测物质时不会破坏被检测物质的成分，可以作到无损检测，太赫兹波可以穿透各种非极性物质，另外分子之间弱的相互作用如氢键、范德华力、偶极的旋转和振动跃迁以及晶格的低频振动吸收则只有在太赫兹波段才能有所响应等。太赫兹波的这些特性有助于开发有效的农产品质量安全无损检测手段。 THz 太赫兹时域光谱（ Terahertz Time-domain Spectroscopy ，简称 THz-TDS）技术利用物质对 THz 辐射的特征吸收来分析物质成分、结构及其相互作用关系，可同时获得物质在 THz 波段的色散性质及吸收信息，且有较高信噪比和灵敏度， THz-TDS 技术能够反映物质的指纹特性。

 本文使用 THz-TDS 技术测量了含糖农产品中所含的两种常见的二糖纯品：海藻糖和纤维二糖在 0.4-1.8THz 范围内的吸收光谱，改进了文献[5]中报到的吸收光谱，并利用量子化学中的密度泛函理论对海藻糖和纤维二糖结构和振动频率进行分析。在此基础上，对海藻糖和纤维二糖分子在 THz 波段的部分吸收带进行了指认
1 材料与方法
1.1 实验材料
　　海藻糖(Trechalose)，无色晶体，是由两个葡萄糖分子通过糖苷键结合而成的二糖，分子式为 C12H22O11，分子结构式如图 1 所示。海藻糖目前在食品中广泛使用，是一种优秀的能有效改善食品质量和风味的天然食品添加剂。纤维二糖（ Cellobiose），无色晶体，也是一种二糖, 与海藻糖为同分异构体，分子结构式如图 2 所示，纤维二糖是组成纤维素的基本单位。实验用海藻糖和纤维二糖样品均购于上海源聚生物科技有限公司，均为多晶体粉末，纯度大于99%。

1.2 主要仪器与设备
 THz-TDS 系统装置由美国 Coherent 公司的 Vitesse-800-5 型钛蓝宝石飞秒激光器和美国Zomega 公司的 Z-1 型太赫兹系统组成(如图 3 所示)。飞秒激光器产生的激光脉冲进入 Z-1系统后，被分束镜后分为泵浦光束 I 和探测光束 II。泵浦光通过时间延迟装置后射向光电导天线砷化镓（ CaSe）晶体激发 THz 脉冲，经抛物面镜组准直聚焦后入射到待测样品上。探测光与从样品透射后载有样品信息的 THz 波共线通过探测晶体碲化锌（ ZnTe），线偏振的探测光与载有样品信息的 THz 脉冲电场发生作用后偏振性质变为椭圆偏振，偏振性质发生变化的探测光经过 1/4 玻片后被偏振分束器分为两偏振方向垂直的分量，利用差分探测器测量两偏振分量的强度差，测得信号经锁相放大器放大后输入计算机进行处理，获得 THz 脉冲电场的波形。

1.3 实验方法
　　将海藻糖和纤维二糖样品分别在玛瑙研钵中充分研磨后，各自精确称取样品 155mg、215mg，用 10MPa 压力分别压成直径为 13mm，厚度为 0.88 和 1.25mm 的圆盘形薄片。薄片表面无裂缝，两平面保持平行。实验在室温下进行， THz 光路罩在充有氮气的箱体内(见图 3 中虚线框)以减少空气中水分对 THz 脉冲的吸收并提高信噪比，箱内相对湿度约为 3%。利用 THz-TDS 系统记录 THz脉冲透过未放置样品（氮气）的参考时域光谱，将制成的两种样品薄片分别置于 THz 光路的焦点处测量各自的样品时域光谱，每次测量重复 3-4 次。

2 数据处理及理论模拟
2.1 数据处理方法
　　对实验测量得到的穿过参考和样品的 THz 脉冲时域电场波形 Er（t）( 和 Es（t）( 分别进行傅立叶变换得到相应的频域谱 Er (ω) 和 Es (ω) 。 THz 电场的透射系数 = s EET r ωωω )()()( 与复折射率 ω ω += jknN ω)()()( (其中 n ω)( 和 k ω)( 为样品的实折射率和消光系数)存在函数关系：

 其中ω 为频率， d 为样品厚度， c 真空中的光速。由于 k（ω） << n（ω） ，样品的折射率n （ω)(和吸收系数α (ω) 的计算公式为：

2.2 实验光谱
　　从海藻糖和纤维二糖两种样品各自的时域光谱图形（图略）可以明显看出， THz 脉冲通过两种样品的信号相对于各自的参考信号而言有着明显的振幅衰减和时间延迟。时域信号各自经过傅立叶变换后并经公式（ 2）和公式（ 3）计算可以获得海藻糖和纤维二糖两种纯物质在 0.3-1.8Thz 范围内的吸收系数光谱。图 4 为海藻糖在太赫兹波段的吸收系数光谱，海藻糖在 1.27、 1.38、 1.58Thz 处出现强吸收峰，在 0.47、 0.59、 0.72、 0.83、 0.97 处出现弱吸收峰。与文献[5]对照，本研究首次发现了海藻糖在 1.38THz 处的吸收峰。图 5 为纤维二糖在太赫兹波段的吸收系数光谱，纤维二糖在 1.27、 1.39、 1.52THz 处出现强吸收峰，在 0.42、 0.53、0.63THz 处出现弱吸收峰。与文献[5]对照，本研究首次发现了纤维二糖在 1.39THz 处的吸收峰，而文献的两个强吸收蜂稍有偏移。

2.3 理论光谱模拟
　　采用 AM1 方法得到两种分子的各自初始最小能量结构，然后利用 Gaussian03 软件，采用密度泛函理论(DFT)中的 B3LYP 方法，均选取 6-311G 基组水平对两种分子进行了几何优化和频率计算。计算结果均没有虚频出现，说明几何优化计算均得到了分子的最小能量结果。

　　图 6 为海藻糖的 0.4-1.8THz 范围内的实验光谱与 DFT 计算的理论光谱比较图，为便于指认，绘图时理论光谱纵坐标同时放大为原始理论光谱的 15 倍，这种放大不影响吸收峰的指认。在 DFT 计算所得的三个吸收峰中，其中的在 0.94、 1.29THz 处的两个吸收峰分别与实验光谱在 0.97、 1.27THz 处的吸收峰相对应。采用 Gaussiview 软件对海藻糖分子的 THz吸收峰进行了分析和指认。 0.94THz 处的吸收为 11C-12C-14C-16C-18C-19C 分子骨架近似绕X 轴扭摆振动和 9C-22C-2C-3C-5C-6C 分子骨架近似绕 X 轴反方向扭摆振动，并带动整个分子的扭摆振动，如图 7 所示。 1.29 THz 处的吸收为 9C-22C-2C-3C-5C-6C 分子骨架近似绕 Y。轴扭摆振动和 11C-12C-14C-16C-18C-19C 分子骨架近似绕 Y 轴反方向扭摆振动，并带动整个分子的扭摆振动，如图 8 所示。实验光谱在 0.97、 1.27THz 处吸收峰均是由分子内的振动模式引起的

 图 9 为纤维二糖的 0.4-1.8THz 范围内的实验光谱与 DFT 计算的理论光谱比较图，其中的理论光谱纵坐标放大为 10 倍。在 DFT 计算所得的三个吸收峰中，其中在 1.26THz 处的吸收峰与实验光谱在 1.27THz 处的吸收峰相对应，另外两个吸收峰在图形上并不明显。采用Gaussiview 软件对纤维二糖分子的 THz 吸收峰进行了分析和指认。 1.26THz 处的吸收为6C-2C-1C-4C-8C-10C 分子骨架近似绕 Z 轴扭摆振动，并带动整个分子的扭摆振动，如图 10所示。实验光谱中 1.27THz 处吸收峰的由分子内的振动模式引起的。

3 结论
　　给出了海藻糖和纤维二糖在 0.4-1.8THz 范围内的吸收光谱，首次发现了海藻糖在1.38THz 处和纤维二糖在 1.39THz 处的吸收峰。采用密度泛函理论（ DFT）中的 B3LYP 方法，选取 6-311G 基组对海藻糖和纤维二糖的结构和振动频率进行了模拟。理论光谱和实验光谱的对比分析表明，海藻糖和纤维二糖在 THz 波段的吸收峰除了源自分子内振动外，还源自于分子之间的振动。论文研究工作为含糖农产品的二糖鉴别提供了新的技术思路