基于太赫兹辐射的精氨酸水溶液光谱分析及定量检测（一）

太赫兹波（THzWave）属于远红外波段，基于精氨及定频率范围一般为0.1～10THz（1THz=1012Hz），太赫波长为3000～30um范围内的兹辐电磁波。相比于其他波段的射的酸水电磁辐射，太赫兹辐射具有其独特的溶液优势。THz波低能量，光谱宽频谱和强穿透的分析特征，不会对检测物质造成电离性破坏，量检可适用于无损检测。基于精氨及定生物分子间的太赫弱作用力，分子内的兹辐振动模式及晶格的低频振动都处于太赫兹波段，因此，射的酸水太赫兹光谱可以用于研究生物大分子结构转变的溶液信息，也可以研究生物分子间的光谱相互作用，对不同的分析物质的结构进行分析和鉴别。研究者们在初期阶段主要依据不同物质的指纹谱来进行区分和鉴别不同的物质种类。然而，当前THz光谱技术并不能够直接获取含水液体样品的THz指纹谱，主要是由于水的氢键和偶极运动的作用使水对THz波具有强烈的吸收。因此，可以通过生物分子溶液的太赫兹介电谱来分析生物分子在水环境中的性质。太赫兹时域光谱技术有着许多传统光谱技术不具备的优点，由于太赫兹时域光谱技术的极具竞争力的无损检测优势，已逐渐被应用于食品质量监测、化学药品分析、生物医学等各个领域。

氨基酸不仅仅是合成蛋白质的重要原料，也为正常的人体代谢和基本的生命活动提供必要的物质基础。人体中缺乏必需氨基酸会影响机体的正常代谢，可能导致各种疾病的发生，甚至导致生命活动的终止。L-精氨酸，被广泛应用于医药原料及食品行业当中，可直接作为食品发色剂、增香剂及营养强化剂添加到食品当中，也是饲料添加剂的主要原料成分。因此开发一种应用到食品添加剂生产及应用方面的准确、高效、无损的检测方法，对其进行实时的浓度监测是非常有必要的。本研究采用衰减全反射太赫兹时域光谱技术对精氨酸溶液进行光谱分析，并对溶液中精氨酸的含量进行定量检测。采用最小二乘法建立定量分析的回归模型，可以快速、准确地对液体中的含量进行定量检测。

1 材料与方法

1.1 样品制备

研究所用的L-精氨酸试剂购于北京Coolaber科技有限公司，纯度≥99%，储存在常温下。将精氨酸固体粉末试剂溶解于蒸馏水当中，配制成21个浓度63个样本分为两组进行校准和验证，验证集用来评估校准集所建立模型的精度。为构建一个可靠的模型，本实验将45个样本作为校准集，将剩下的18个样本作为验证集。

1.2 THz-TD-ATR光谱系统

本实验使用商业THz-TDS系统（TERAK15/SYNC，MenloSystemsGmb，Munich，Germany），如图1，频率范围为0.1～4.5THz，1.2GHz分辨率，与硅ATR棱镜（BatopGmbH，Jena，Germany）联系在一起的THz-TD-ATR光谱系统，ATR装置基本上是硅棱镜，其位于用于含有液体样品的液体池，如图2。将ATR装置结合到THz-TDS系统中，即THz脉冲水平入射到ATR棱镜的左侧，然后以51.6°的角度折射入射到棱镜底座，此时发生衰减的全内反射，产生的倏逝波可以与装在棱镜底座上ATR液室中的样本发生相互作用。检测从棱镜右侧传播出的THz脉冲，可以获得样本的光谱信息。
 

为了避免空气中水蒸气对实验数据的影响，整套检测系统放置在一个密封盒中，并不断充入干燥的氮气使其工作环境的相对湿度小于3%，工作环境温度保持室温（约294K）下。实验时将约2mL待测样本装入注射器中注射至样本池中进行测量。每次测量结束后，都需将ATR棱镜用蒸馏水清洗并用氮气将其吹至干燥再重新使用。测量时域频谱，并利用快速傅立叶变换算法将其转换为频域数据，从频域数据中可以获得不同频率下的电场幅度。每个样本的数据都是从三次独立测量中获得的平均值。

1.3 THz光谱测量

1.3.1 光谱提取

将干褐藻对于液体样品，使用THz-TDATR光谱技术比传统的透射或反射模式技术能够更精确地测定吸收系数。可以按照以下步骤计算。首先，r_sam和r_ref的比率根据等式（1）获得。

其中E_sam和E_ref表示样品和参考物的测量频率信号，r_sam和r_ref表示样品和参考物的菲涅耳反射系数。
其次，用（2）等式方程计算r_sam和r_ref。

其中，ε_Si为硅棱镜的介电常数（～3.42），ε为棱镜反射面附近材料的复介电常数，θ为入射角。

实验中，以氮气作为参考，测量参考值时r是r_ref。ε是氮气的介电常数，r_ref通过方程式（2）计算。测量液体样品时r是r_sam。ε是样品的复介电常数。已知r_ref，r_sam的值可以根据公式（1）计算。将其代入式（2），得到样品的复介电常数（ε）。ε的实部（ε′）和虚部（ε″）可以表示为，

其中k（ω）为消光系数。最后，吸收系数用下式可以得出：

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