本书以典型物质材料在太赫兹频段的特征波谱测试关键技术、振动和转动特征跃迁量化计算主要方法以及典型应用为主线展开,全书共九章。 具体内容包括太赫兹波谱技术,太赫兹波谱分析与量化计算,丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的太赫兹特征波谱,胞嘧啶和胸腺嘧啶太赫兹波谱分析,固相果糖和葡萄糖的太赫兹波谱研究,苯二酚、烟酸及其同分异构体的太赫兹波谱研究,苯甲酸、水杨酸及其分子结构相似物质的太赫兹波谱研究,苯甲酸和苯甲酸钠以及互为同分异构体的葡萄糖和果糖水溶液的液相太赫兹频段特征吸收谱,太赫兹特征波谱技术应用前景与面临的挑战。
本书适用于从事太赫兹波谱测试与分析技术、量化计算模拟、物质辨识、材料鉴别、化学化工、生物医学等领域研究工作的工程技术人员,以及科研院所和大中专高校相关专业的学生和科研人员
“战略前沿新技术——太赫兹出版工程”是华东理工大学出版社重大学术出版项目，得到了中国科学院雷啸霖院士、中国工程院庄松林院士等国内知名专家学者的大力支持。
丛书总主编曹俊诚，中科院上海微系统与信息技术研究所研究员，国家杰出青年基金获得者（2004）、中科院“百人计划”入选者（2009）、国务院政府特殊津贴获得者、国家科技部重大仪器专项首席科学家。
丛书共14分册，具体分为太赫兹源、太赫兹探测及太赫兹应用三大部分，阐释太赫兹测试过程中的各种前沿技术，详细介绍太赫兹基础性能研究以及太赫兹技术在国防、安全、通信、医疗、天文等诸多领域的应用，结合创作者多年的相关研究成果和实践经验，借鉴和归纳总结国内外相关研究领域专家学者和科研人员的研究成果，是国内首套全面、详细介绍太赫兹技术的原创丛书，代表了国内一流研究水平，为该领域专业人员提供关键技术参考，旨在加强先进技术的研发、推广和应用。
本书为“战略前沿新技术——太赫兹出版工程”12分册，全书采用80克雅质纸，彩色印刷。本书本书以典型物质材料在太赫兹频段的特征波谱测试关键技术、振动和转动特征跃迁量化计算主要方法以及典型应用为主线展开，具体包括具体内容包括太赫兹波谱技术,太赫兹波谱分析与量化计算,丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的太赫兹特征波谱,胞嘧啶和胸腺嘧啶太赫兹波谱分析,固相果糖和葡萄糖的太赫兹波谱研究,苯二酚、烟酸及其同分异构体的太赫兹波谱研究,苯甲酸、水杨酸及其分子结构相似物质的太赫兹波谱研究,苯甲酸和苯甲酸钠以及互为同分异构体的葡萄糖和果糖水溶液的液相太赫兹频段特征吸收谱,太赫兹特征波谱技术应用前景与面临的挑战。
太赫兹(频段主要指频率从 100GHz到10THz、相应波长从3mm 到30μm、介于毫米波与红外光之间的电磁波频段。 太赫兹频段既是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区域,具有很多独特的性质,例如光子能量低、对非极性物质穿透能力强等。 在太赫兹频段内,不仅很多相对可见光和红外光不透明的材料是近似透明的,而且大多数生物战剂、毒品和爆炸物具有明显的特征吸收峰。 物质材料在太赫兹频段的特征波谱包含了丰富的物理和化学信息,尤其是凝聚态物质的声子频率、大分子振动和转动跃迁的特征频谱均处于太赫兹频段,半导体材料中的载流子对太赫兹辐射的响应也非常灵敏。 目前,太赫兹频段的研究不仅已形成与其他电磁波谱频段的有力互补,而且已成为探索物质结构、揭示物理化学过程的新手段。
物质材料在太赫兹频段的特征跃迁谱包含着非常丰富的物理和化学信息,研究物质材料在太赫兹频段的特征频谱对于探索物质结构和鉴别物质化学成分具有重要意义。近年出现的太赫兹波谱测试技术是基于超短脉冲激光和太赫兹波特性开发的一种非常有效而且能够在室温稳定工作的新型非接触性无电离损伤探测技术,可以有效探测物质材料的物理特征信息(折射率、介电常数)和化学特征信息(物质分子结构内部原子的集体振动或转动以及分子间的弱相互作用引发的特征跃迁吸收谱)并进行辨识,已发展成为当今太赫兹研究领域非常前沿、非常炙手可热的关键技术之一。
本书以典型物质材料在太赫兹频段的特征波谱测试关键技术、振动和转动特征跃迁量化计算主要方法以及典型应用为主线,结合作者十余年的相关研究成果和实践经验,并借鉴和归纳总结国内外相关研究领域专家学者和科研人员的一些有价值的研究成果而完成。 本书适用于从事太赫兹波谱测试与分析技术、量化计算模拟、物质辨识、材料鉴别、化学化工、生物医学等领域研究工作的工程技术人员,以及科研院所和大中专高校相关专业的学生和科研人员。 作者力求通过自身努力对那些需要了解和认识太赫兹波谱技术及其应用的人们有所帮助,衷心希望本书不仅能够成为一本广大读者喜闻乐见、系统介绍太赫兹波谱技术和理论分析方法的专业参考书,而且希望通过本书的“抛砖引玉”,推动我国在太赫兹频段相关研究领域的基础理论、技术开发及应用研究更加深入、全面、快速的发展。
本书共九章。1章主要介绍了太赫兹频段特征波谱的形成机理及目前一些典型的太赫兹波谱技术。 第2章阐述了利用太赫兹波时域波谱技术获取物质材料物理特征信息(折射率、介电常数) 的计算方法,着重介绍了电子结构理论、基组与基组函数、平面波与赝势等理论计算方法以及目前常用的典型量化计算软件。 第3章重点阐述了构成生物功能大分子蛋白质的基本组成单位———氨基酸(L 丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸)的太赫兹波谱实验测试研究及太赫兹频段振动模式的理论计算。 第4章主要阐述了构成遗传物质 DNA 的碱基分子嘧啶类物质———胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹波谱研究进展。 第5章主要以葡萄糖和果糖以及无水葡萄糖和一水葡萄糖为代表阐述了糖类的太赫兹特征波谱实验与理论研究。 第6章主要讨论了邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚以及2 吡啶甲酸、3 吡啶甲酸和4 吡啶甲酸两组典型同分异构体的实测太赫兹特征波谱及其振动模式的理论计算,并对比研究分析了邻苯二酚在太赫兹频段和中红外频段的特征吸收谱。 第7章主要阐述了分子结构相似的苯甲酸和苯甲酸钠以及水杨酸和水杨酸钠的太赫兹波谱研究,结合理论计算模拟,对比分析了水杨酸与烟酸、异烟酸及2 吡啶甲酸的太赫兹特征波谱。 第8章简要介绍了目前液相物质的太赫兹频段特征波谱研究现状,结合量化计算模拟,重点讨论了分子结构相似的苯甲酸和苯甲酸钠以及互为同分异构体的葡萄糖和果糖水溶液的液相太赫兹频段特征吸收谱,并对比分析了葡萄糖和果糖水溶液在太赫兹频段与红外频段的特征吸收谱。 第9章太赫兹特征波谱技术应用前景与面临的挑战,主要是作者在总结归纳国内外相关研究领域专家学者和科研人员新研究成果的基础上,对宽频带太赫兹波谱技术及其未来应用发展方向的展望与期盼。
作者十多年前开始从事宽频带太赫兹波谱技术及其应用方面的研究工作,先后参与了英国、欧洲共同体等支持的太赫兹领域科研项目及中国起始太赫兹领域的国家自然科学基金重大项目、首轮太赫兹领域的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目,主持了中国科学院“百人计划”择优支持(引进国外杰出人才)项目“太赫兹光谱成像技术与应用研究”、太赫兹领域的中国科学院知识创新工程重要方向项目“太赫兹成像关键技术研究”子课题“太赫兹波谱成像关键技术研究”及国家自然科学基金项目“亚波长金属结构高效太赫兹光电导发射天线研究”等。
作者感谢所有曾经一起工作过的和现在正在一起工作的合作者们,本书大量引用了他们卓有成效且富有创造性的工作。 他们包括在我课题组学习(过)的学生郑转平、闫慧、丁玲、宋超、刘佳、陈徐、薛冰、陈龙超、梁玉庆、杨坚、徐利民、李慧、谢军、陈泽优、王开等;国内的合作者赵卫、程光华、杨文正、朱少岚、汤洁
等。 特别感谢我在国外工作期间的合作者 A. G. Davies、E. H. Linfield、A. D.Burnett、P. C. Upadhya、J. E. Cunningham、H. G. M. Edwards、J. Kendrick、
T. Munshi、 M. Hargreaves、 Y. C. Shen、C. Wood、James Lloyd Hughes、EnriqueCastro Camus、 MichaelB. Johnston、J. A. Deibel、J. Kono、D. M.
Mittleman、A. Sengupta等。
作者特别感谢光昭女士的支持和鼓励。
鉴于作者认知水平的局限,加之写作时间仓促,本书难免存在疏漏与欠妥之处,恳请广大读者不吝赐教,批评指正。
范文慧，中国科学院西安光学精密机械研究所研究员，入选中国科学院“百人计划”。主要研究方向包括太赫兹波技术与应用、超快光子技术及应用、光电材料与器件。范文慧研究员十多年前开始从事宽频带太赫兹波谱技术及其应用方面的研究工作,先后参与了英国、欧洲共同体等支持的太赫兹领域科研项目及中国起始太赫兹领域的国家自然科学基金重大项目、首轮太赫兹领域的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目,主持了中国科学院“百人计划”择优支持(引进国外杰出人才)项目“太赫兹光谱成像技术与应用研究”、太赫兹领域的中国科学院知识创新工程重要方向项目“太赫兹成像关键技术研究”子课题“太赫兹波谱成像关键技术研究”及国家自然科学基金项目“亚波长金属结构高效太赫兹光电导发射天线研究”等。
1 太赫兹波谱技术 001
1.1 电磁波谱分析与太赫兹频段 003
1.2 分子振动与红外吸收谱和太赫兹特征谱 006
1.3 太赫兹波与物质相互作用 008
1.3.1 物质材料在太赫兹频段的光学特性 010
1.3.2 太赫兹频段的典型光学器件 025
1.4 太赫兹波时域波谱技术 031
1.5 太赫兹波时间分辨光谱技术 038
1.6 太赫兹波发射光谱技术 040
参考文献 041
2 太赫兹波谱分析与量化计算 049
2.1 太赫兹波谱吸收系数及折射率计算 051
2.2 电子结构理论 055
2.2.1 概述 055
2.2.2 哈特里 福克自洽理论 058
2.2.3 二阶 Møller Plesset微扰理论 060
2.2.4 密度泛函理论 062
2.2.5 局域密度近似理论 064
2.2.6 广义梯度近似理论 064
2.2.7 两个著名的密度泛函 B3LYP与 PBE 067
2.3 基组与基组函数 068
2.3.1 斯莱特(Slater)型基组与高斯(Gaussian)型基组 068
2.3.2 压缩高斯(Gaussian)型基组 069
2.4 平面波与赝势 071
2.5 理论计算方法小结(B3LYP,HF,MP2,PBE,PW91) 073
2.6 太赫兹特征波谱量化计算软件简介 074
参考文献 075
3 丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的太赫兹特征波谱 077
3.1 氨基酸及其太赫兹波谱研究现状 079
3.2 丙氨酸的物化特性及结构描述 082
3.3 丙氨酸的振动模式计算与太赫兹波谱测试 084
3.4 苯丙氨酸及其晶体结构 090
3.5 苯丙氨酸的太赫兹波谱及计算振动模式分析 091
3.6 酪氨酸分子结构及特性 095
3.7 酪氨酸的太赫兹波谱测试及理论计算分析 096
参考文献 101
4 胞嘧啶和胸腺嘧啶太赫兹波谱分析 105
4.1 DNA 概述 107
4.2 胞嘧啶和胸腺嘧啶 108
4.3 胞嘧啶和胸腺嘧啶晶胞结构与理论模拟计算方法 109
4.4 实验测试系统与样品制备 111
4.5 胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹波谱 112
4.5.1 胞嘧啶与胸腺嘧啶太赫兹特征吸收谱对比 112
4.5.2 胞嘧啶振动模式计算与太赫兹特征吸收谱 113
参考文献 116
5 固相果糖和葡萄糖的太赫兹波谱研究 119
5.1 糖类概述 121
5.2 糖类的太赫兹波谱研究现状及意义 121
5.3 葡萄糖、果糖和一水葡萄糖及其晶体结构 122
5.4 实验测试和理论模拟计算方法 124
5.5 固相葡萄糖和果糖太赫兹波谱及红外特征吸收谱 125
5.5.1 固相葡萄糖的太赫兹频段振动模式计算以及太赫兹波谱 125
5.5.2 固相葡萄糖的红外波段振动模式计算以及红外特征吸收谱 130
5.5.3 固相果糖的太赫兹频段振动模式计算以及太赫兹波谱 132
5.5.4 固相果糖的红外波段振动模式计算以及红外特征吸收谱 136
5.6 无水葡萄糖与一水葡萄糖太赫兹频段振动模式计算以及太赫兹波谱
分析 140
参考文献 148
6 苯二酚、烟酸及其同分异构体的太赫兹波谱研究 151
6.1 同分异构体及其太赫兹波谱 153
6.2 邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚及其分子结构 155
6.3 实验样品制备和理论模拟计算方法 155
6.4 邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚太赫兹频段振动模式及特征吸收谱 156
6.5 邻苯二酚的太赫兹吸收谱及中红外吸收谱 163
6.5.1 实验样品制备及理论计算方法 163
6.5.2 实验测试及理论模拟结果分析 164
6.6 烟酸、异烟酸和2 吡啶甲酸物化特性简介 171
6.7 烟酸、异烟酸和2 吡啶甲酸太赫兹波谱测试对比 172
6.8 烟酸、异烟酸和2 吡啶甲酸太赫兹频段振动模式计算与分析 176
6.8.1 晶体结构理论模拟方法 176
6.8.2 烟酸、异烟酸和2 吡啶甲酸分子结构分析 177
6.8.3 烟酸、异烟酸和2 吡啶甲酸太赫兹波谱理论分析 182
参考文献 186
7 苯甲酸、水杨酸及其分子结构相似物质的太赫兹波谱研究 189
7.1 苯甲酸和苯甲酸钠及其结构特点 191
7.2 苯甲酸和苯甲酸钠太赫兹波谱研究现状 192
7.3 苯甲酸和苯甲酸钠固相太赫兹波谱 192
7.3.1 样品制备及理论分析方法 192
7.3.2 固相苯甲酸和苯甲酸钠太赫兹特征吸收谱分析 193
7.4 水杨酸和水杨酸钠及其物化特性 195
7.5 水杨酸和水杨酸钠太赫兹波谱研究现状 195
7.6 实验测试和理论计算方法 196
7.6.1 样品制备和测试方法 196
7.6.2 理论计算方法 197
7.7 水杨酸和水杨酸钠太赫兹波谱研究 198
7.7.1 水杨酸和水杨酸钠太赫兹波谱对比分析 198
7.7.2 水杨酸和水杨酸钠太赫兹频段振动模式分析 199
7.7.3 水杨酸和烟酸、异烟酸及2 吡啶甲酸结构及其太赫兹波谱
对比分析 204
参考文献 205
8 液相苯甲酸和苯甲酸钠、葡萄糖与果糖太赫兹波谱研究 209
8.1 液相物质的太赫兹波谱研究现状 211
8.2 液相苯甲酸和苯甲酸钠太赫兹波谱研究 212
8.2.1 液相样品制备及理论模拟方法 213
8.2.2 苯甲酸和苯甲酸钠环己烷溶液的太赫兹波谱 214
8.2.3 理论模拟结果分析与讨论 215
8.3 液相葡萄糖和果糖太赫兹波谱研究现状 217
8.4 葡萄糖和果糖水溶液的太赫兹波谱及红外特征吸收谱 219
8.4.1 葡萄糖水溶液的太赫兹波谱及红外特征吸收谱 219
8.4.2 果糖水溶液的太赫兹波谱及红外特征吸收谱 221
参考文献 224
9 应用前景与挑战 227
索引 23
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