氨基酸是自然界中的重要物质, 存在手性镜像结构的D-和L-对映体。 尽管两种对映体在物理性质上几乎相同, 但在生物体中的活性存在显著的差异。 因此, 氨基酸对映体的鉴定在食品化学和生物化学领域具有重要的意义^{[1, 2]}。

太赫兹(Terahertz, THz)是指频率介于0.1~10 THz之间的电磁辐射, 这个频段的电磁波波长频率正好处于微波和红外之间^[3]。 THz波对生物分子具有独特的光谱特性, 更重要的是, 许多生物分子的旋转和振动, 以及分子簇的整体振动模式均位于THz波段。 THz技术为生物学、 物理学、 化学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。 THz时域光谱技术能够同时测量电场的相位和幅度, 通过傅里叶变换, 可以获得样本材料在该波段的吸收系数、 折射率以及复介电常数等参数^[4]。

氨基酸对映体的THz吸收光谱已被广泛研究。 Wu等^[5]研究了L-、 D-和DL-焦谷氨酸在0.5至4.5 THz频率范围内的吸收光谱, 发现D-和L-对映体的光谱相似, 而DL-外消旋体则明显不同。 Williams等^[6]发现, 缬氨酸的对映体和外消旋体的吸收光谱不同, 但D-和L-缬氨酸的吸收光谱基本相同, 识别D-和L-对映体则比较困难。 因此, 区分和鉴别手性分子对制药、 生物监测等方面有着重要的意义。

手性是指结构的镜像不对称性质, 并且其镜像不能通过平移和旋转操作与自身叠加。 手性主要表现为左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)波之间的不同响应。 其中LCP和RCP之间的透射差被定义为圆二色性(circular dichroism, CD), 而它们之间的相位差则表示为旋光性(optical activity, OA)^{[7, 8]}。 与紫外和可见波段不同, 对于THz波, 由于其波长远长于一般手性分子结构的波长, 目前很少有天然材料具有足够的手性响应和动态手性操控能力, 并且水对THz有较强的吸收以及偏振系统精度不足等因素, 严重限制了THz手征光学技术的发展和应用。

光谱椭圆偏振术是一种有前景的方法, 可以有效解决这一问题。 目前, 研究学者已经尝试建立THz时域光谱椭圆偏振技术(THz-TDSE)。 该方法通过具有已知偏振状态的THz脉冲照射样品, 并检测反射后偏振状态的变化。 在THz反射圆偏振光路系统中, 能够相干地检测两个正交偏振分量的透射波形。 通过将时域波形傅里叶变换到频域频谱, 可以直接比较p偏振和s偏振透射之间的振幅和相位差异, 从而提取THz光谱中的椭圆偏振参数^{[9, 10]}。

本文介绍了一种THz透射时域偏振检测系统及其系统标定方法, 有助于得到更加完备的电场与物质相互作用的信息。 实验验证表明, 系统从线偏振光转为圆偏振光, 且对于左旋和右旋圆偏振光有不同的吸收系数。 此外我们发现在标定过程中同时转动P₃和检测器(RX)的情况下测量具有高消光比。 在标定部分, 通过偏振片和离轴抛物面镜的透射获得了系统的响应函数, 并利用该响应函数精确地获得了椭圆偏振参数。 THz透射时域偏振检测系统能直观地观察到THz左旋和右旋圆偏振光的相位差为π /2, 这是其他检测方式所不具备的。 同时我们测量了在圆偏振光系统下D/L-缬氨酸的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数, 独特的光谱特性反映了手性分子在THz光谱研究中的复杂响应机制, 展现了THz光谱对于手性物质鉴别的潜力。

偏振检测系统可以获得被测电磁波强度及其偏振态的系统。 THz偏振系统可以通过实验数据直接或者间接得到电场强度和旋转手性^[11](太赫兹偏振测量系统及其应用)。 THz-TDSE如图1所示, THz波形的产生和检测是由标准时域THz光谱仪(TeraSmart, 德国Menlo Systems公司生产)结合光电导天线和1 560 nm的脉冲激光完成的。 相同的Tera15-FC天线模块分别被用作发射器和检测器。 系统中使用了四个相同的金属铝制离轴抛物面镜, 直径为2英寸, 焦距为50 mm, 以产生准直的THz射线。 为了消除环境因素的影响, 设置实验在标准大气压(101.325 kPa)下, 温度25 ℃, 湿度10%RH的环境下进行。 如图2所示, 将THz发射器的线性偏振THz光束的电场方向定义为X轴, 而检测器的方向定义为Y轴。 偏振器P₁放置在PM1和PM2之间, 作为起偏器规范THz入射电场的偏振方向, 使入射电场为线偏振电场。 其透射方向(垂直于金属线栅取向)固定在X轴。 偏振器P₃位于PM3和PM4之间, 并且其透射方向被固定在Y轴, 用于规范进入测量系统THz电场的偏振方向, 提高消光比, 使偏振器P₁形成正交偏振。 偏振器P₂被放置在PM3和P₃之间, 放置在可精确调节旋转角度的装置上, 作为检偏器将THz电场投影到不同偏振方向得到透射电场的完整偏振状态。 经过P₃之后, 所有不同方向偏振的被测电场都投影到相同方向。 THz时域系统只需要测量任意两个偏振方向的波形就可以得到被测电场的全部信息, 因此可以通过将检偏器P₂透射轴的方向旋转到+ 45° 和-45° 来确定THz系统线偏振状态。 THz时域光谱波形数据经过傅里叶变换得到不同偏振方向电场的振幅与相位信息, 就可以计算出THz透射电场偏振态的全部信息及其随频率的变化关系。 在THz波段, 传统的单色相位延迟片只能在单一波长下精确控制相位延迟, 因其相位延迟特性对波长(或频率)高度敏感。 为克服这一局限, 我们在P₁线偏振器后放置THz宽带相位变换器(λ /4), 将其电场方向旋转45° 和-45° 调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光, 并聚焦在检测样品上。 THz宽带相位变换器增强了相位延迟的稳定性, 可以有效地调节相位延迟, 减少随频率变化而引入的偏差, 使其在应用中能提供更高的精确度。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 光路示意图 P1、 P2、 P3: 偏振片; PM1、 PM2、 PM3、 PM4: 离轴抛物面镜; λ /4: THz宽带相位变换器; TX: 发射器; RX: 探测器Fig.1 Optical path diagram P1, P2, P3: Polarizer; PM1, PM2, PM3, PM4: Off-axis parabolic mirror; λ /4: THz broad-band phase transformers; TX: Transmitter antenna; RX: Detector antenna

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 THz透射时域偏振检测方法 (a): 1/4波片旋转45° ; (b): 1/4波片旋转-45° Fig.2 Terahertz transmission time domain polarization detection method (a): 1/4 plate rotation 45° ; (b): 1/4 plate rotation -45°

本研究采用D-缬氨酸和L-缬氨酸(百灵威公司, 纯度不低于98%)的固态粉末。 为减少样品颗粒散射对实验结果的影响, 在研钵中将样品研磨成细小颗粒并压片。 室温下分别选择30 mg的D-缬氨酸和L-缬氨酸混合120 mg聚乙烯(PE)粉末进行研磨, 在10 MPa的压力压制成片。 混合粉末在10兆帕(MPa)的压力下压制5 min制成直径为13 mm, 厚度为1.311 mm的薄片。 为确保实验结果的准确性与可重复性, 测量样品不同位置三次后取平均值得到用于数据分析的THz光谱。

由于装置信噪比影响, 本文着重分析0.5~2.0 THz频率区间的结果。 用样品的复折射率 n~(ω )来表示样品的光学性质

n~(ω)=n(ω)-jκ(ω)(2)

式(2)中, n(ω )为样品的折射率, 表征样品的色散程度, κ (ω )为消光系数, 表征样品的吸收特性。

为方便计算, 可将样品简化为厚度均匀的理想模型, 假设THz垂直入射样品且样品的两侧介质为空气, THz波的传播距离与样品厚度相同, 即L=d。 则样品的电场信息E_sam(ω )可用式(3)表示

Esam(ω)=ETHz(ω)4n~(1+n~)2exp-jω(x-L+n~L)c(3)

将式(3)转化为包含幅值和相位信息的传递函数形式

H(ω)=ρ(ω)exp[-jφ(ω)](4)

比较式(3)和式(4)可得到幅值表达式ρ (ω )

ρ(ω)=4[n2(ω)+κ2(ω)]1/2[n(ω)+1]2+κ2(ω)exp[-κ(ω)Lω/c](5)

以及相位表达式φ (ω )

φ(ω)=[n(ω)-1]ωLc+arctanκ(ω)n(ω)[n(ω)+1]+κ2(ω)(6)

当样品对THz的吸收较弱时, 消光系数远小于折射率, 即κ (ω )/n(ω )=1, 此时式(5)和式(6)可以化简为

ρ(ω)=4n(ω)[n(ω)+1]2exp-κ(ω)Lωc(7)

φ(ω)=[n(ω)-1]ωLc(8)

将折射率和消光系数分别移到等式左侧, 得到折射率n(ω )为

n(ω)=φ(ω)cωL+1(9)

消光系数κ (ω )为

κ(ω)=-lnρ(ω)[n(ω)+1]24n(ω)cωL(10)

通过Beer-Lambert定律可以得到吸收系数α (ω )为

α(ω)=2κ(ω)ωc=2Lln4n(ω)ρ(ω)[n(ω)+1]2(11)

根据上述计算过程可以得到样品的吸收系数图, 如图5所示。 D-缬氨酸与L-缬氨酸在0.5~2.0 THz频率区间的吸收谱虽存在细微差别, 但总体上差异并不明显。 特别是在1.5~2.0 THz的高频区域, L-缬氨酸的吸收系数略高于D-缬氨酸, 显示出其对电磁波更强的吸收能力。 在0.5~1.5 THz 的低频范围内, 两者的吸收曲线走向几乎一致, 且吸收峰位置相近, 这表明它们在THz频段的吸收特性具有高度相似性。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 D-缬氨酸和L-缬氨酸的THz吸收系数Fig.5 Terahertz absorption coefficients of D-valine and L-valine

为了进一步区分这两种手性物质, 研究测量了波片和偏振片分别旋转45° 、 -45° 时的D/L缬氨酸的THz吸收光谱, 如图6所示。 加入了偏振片后, 无论是D-缬氨酸还是L-缬氨酸, 其THz吸收系数均有所增强, 表明偏振片对THz信号的增强作用。 相较于L-缬氨酸, D-缬氨酸的THz吸收系数增强更为明显, 尤其是偏振片角度处于-45° 时, 其吸收系数相较于图5提升了近两倍。 在图6中D-缬氨酸的吸收系数始终低于L-缬氨酸, 并且在高频信号(1.5~2 THz)区域内差异更为明显。 此外, 图6中L-缬氨酸和D-缬氨酸的吸收峰位置基本处于同一频率, 但经过偏振后, 二者的吸收峰位置出现了差异, D-缬氨酸的吸收峰整体向左偏移。

图6

Fig.6

Figure Option ViewDownloadNew Window

图6 D-缬氨酸和L-缬氨酸在不同偏转角度的THz吸收系数 (a): λ /4波片旋转+ 45° , P2旋转+ 45° ; (b): λ /4波片旋转+45° , P2旋转-45° ; (c): λ /4波片旋转-45° , P2旋转+ 45° ; (d): λ /4波片旋转-45° , P2旋转-45° Fig.6 Terahertz absorption coefficients of D-valine and L-valine at different deflection angles (a): λ /4 plate rotation+ 45° , P2 rotation+ 45° ; (b): λ /4 plate rotation+ 45° , P2 rotation -45° ; (c): λ /4 plate rotation -45° , P2 rotation+ 45° ; (d): λ /4 plate rotation -45° , P2 rotation -45°

造成上述结果的原因可能与手性分子的结构特性及其对极化电磁波的响应机制密切相关。 手性分子因其固有的对称性和分子排列方式, 能够与特定的偏振光发生特异性的相互作用。 当THz波通过这些手性分子时, 分子结构的固有不对称性可能引发电磁波在分子介质中传播路径、 极化状态和吸收行为的变化, 这些变化在左旋和右旋圆偏振光的作用下尤为显著。

吸收峰位置的偏移和吸收系数的增强, 特别是在偏振角度为-45° 时的显著变化, 可能与手性分子的电偶极矩和磁偶极矩与外部电磁场之间的耦合效应密切相关。 手性分子结构中的特定化学键和功能基团会与电磁波的振动方向发生共振, 这种共振效应直接影响其吸收系数。 当极化电磁波通过手性分子时, 分子内部的极化现象会更为显著, 从而提高能量吸收能力。 这种极化效应在某些偏振角度下被放大, 导致D* 缬氨酸在高频区域内表现出相较于L-缬氨酸更强的吸收系数。

这一差异可以进一步追溯至手性分子对光学活性和旋光性的影响。 手性分子能够改变入射电磁波的偏振状态, 使得它们在与外部偏振光相互作用时产生显著不同的光谱响应。 此外, 这些分子内部的电偶极矩和磁偶极矩与外部电磁场的耦合, 可能导致其吸收行为对偏振态的高度敏感, 进而在特定条件下产生吸收峰位移和增强效应。 这些独特的光谱特性反映了手性分子在THz光谱研究中的复杂响应机制, 展现了THz光谱对于手性物质鉴别的潜力。

介绍了一种THz透射时域偏振检测系统及其系统标定方法。 实验表明, 在同时转动THz宽带相位变换器和偏振片P₂的情况下, 可以观察到相位差π /2的THz左旋和右旋圆偏振光, 测得具有高消光比的正交偏振; 通过对偏振片和离轴抛物面镜的透射进行测量, 结合输入信号, 可以获得系统的响应函数, 并利用该响应函数精确地获得了精确的椭偏参数。 测量了手性物质D/L缬氨酸在THz波段的光学性质, 发现D-和L-缬氨酸的吸收系数存在差别。 通过引入偏振片, D-缬氨酸的吸收系数在特定偏振角度下显著增强, 显示出其对电磁波的响应特性。 探讨了手性分子对光的偏振状态的影响, 指出手性分子因其结构特性与极化电磁波之间的相互作用, 导致其在不同偏振条件下展现出不同的光谱响应。 该方法能够有效识别手性物质组成的固体, 为手性物质的鉴别提供了新的视角, 展现了THz光谱技术在生物分子研究中的潜力。