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基于太赫兹波的持久性有机物检测技术研究

岳飞亨  
【摘要】:太赫兹波是横跨于高频微波与长波远红外区域的一段电磁波谱,这段区域通常被定义在频率0.1~10太赫兹(THz),波长0.03mm-3mm之间,它在电磁波谱中占有很特殊的位置,具有重要的学术价值和应用前景。当前,不仅在太赫兹产生方面受到足够重视,而且在太赫兹应用方面也受到前所未有的关注,太赫兹波的应用技术已经在成像和光谱两个大领域展开迅猛发展。 持久性有机污染物(POPs)近几年受到广泛的关注,由其引起的环境污染和对生物体的长期危害,是影响我国环境安全和生命安全的重要因素。虽然现在已经有一些持久性有机物的检测方法,但是在检测费用、检测质量方面还存在很多的局限,建立一种实用、快捷、一体化的持久性有机物的检测技术至关重要。太赫兹波检测有快速、对物质结构敏感等特点。我们在前人基础上,率先开展了将太赫兹光谱技术用于持久性有机物检测的研究,并取得了有意义的实验结果。 本文利用太赫兹时域光谱技术和量子化学理论对含硫和含氯的两类物质进行了太赫兹光谱研究,为持久性有机物指纹谱库的建立和混合物的检测做出铺垫;然后本文尝试进行混合物的定性定量探索,旨在探索太赫兹指纹技术在该领域的研究前景。 本论文的主要工作: (1)利用THz时域光谱技术对持久性有机物硫研的两种同分异构体进行了THz光谱研究,得到了他们在有效频率范围内的THz频率谱、吸收光谱和折射率谱。并采用密度泛函分析进行了理论研究和峰值指认。结果表明即使是同分异构体在THz波段也会在吸收光谱上有明显不同。 (2)针对持久性有机物大都含有稳定性元素氯的特点,研究了含氯杀虫剂氟虫腈的指纹谱,包括该物质的时域图、频域图、折射率谱图和吸收系数图,然后进行了理论研究和峰值指认,结果表明含氯的氟虫腈有着自己独特的指纹谱。该研究结果为建立持久性有机物分子在THz波段的指纹光谱、分析物质结构和混合物定性定量分析提供了实验数据。 (3)在纯物质检测的基础上,本文工作的最终目的是实现有机物在混合物中的定性与定量分析,作为该领域的起始研究,本文将实际中可能含有有机物的烟叶作为载体,将太赫兹光谱技术应用于混合物的研究中,然后将混合物的太赫兹吸收谱与纯物质的吸收谱进行比对,探测是否含有该物质,尝试低浓度下的定性分析和检测下限的探索。 (4)定性分析后,本文尝试进行定量分析。在初步研究中,论文分别对固体有机农药和液体有机农药混合物的定量分析展开探索。在固体有机农药混合物定量分析上,首先选取了物质的特征吸收峰来尝试进行不同浓度的定量分析;然后采用最小二乘法抓取合适的主成分进行分析;最后,采用降维思路,希望把非线性信息保留,将混合物光谱信息进行降维,来探索这种情况下的预测可行性。混合物的定量分析在很大程度上依赖于混合是否充分、均匀。相比于固体混合,选取适当溶剂的液体更容易得到充分混合,在液体有机物定量分析上,沿用固体定量分析中偏最小二乘和LLE光谱降维的思路对氟氯氰菊酯与正己烷混合溶液的定量分析展开研究。 论文最后对持久性有机物太赫兹谱研究中需要进一步研究与改进的问题进行了讨论。


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