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揭开人眼神秘面纱(5)-----太赫兹（THz）与人眼
dsm9393 2017-7-25 15:04
揭开人眼神秘面纱 (5) Uncover the mystery of the human eye （ 5） ----- 太赫兹（ THz ） 与人眼 都世民（ Du Shimin) 人眼是人的视感系统的重要组成部分，它也是探索小宇宙的最主要信息源，它还是人类探索的肉眼可見器官。近些年来，太赫兹频段发展迅速，它的应用范围頗广，已引起诸多学科的研究者很大关注。夲文讨论太赫兹研究与人眼的关联。 三议生物学家为何不应用麦克斯韦理论？ 在以前的博文中，已两次讨论这个议题。下面再次讨论。 2012 年 1 月，科学出版社出版了 “未来十年中国学科发展战略”，由中科院、国家自然科学基金委员会共同编写的。书中指出：“神经科学面临的第一个大问题是：目前我们还没有关于脑如何工作的真正的理论假设。我们并不清楚信息在脑内是怎样被处理的、存储的、提取的，运动指令是如何产生并执行的，如何思考、产生情感和同情心。因此，必须整合分子细胞、突触、系统和心理等水平的研究，而 目前无论知识还是技术 ， 均还未足够成熟到整合所有这些功能层次的程度。 ” 美国加州理工学院地球物理学家 Joe Kirschvink 说： 找到负责触发这些神经元的磁受体，就像大海捞针一样困难。 没有明确的感觉器官可供解剖，而磁场总是在无形之中扫过整个身体。 “受体可能在你的左脚趾里。” 在笔者看来人的视觉感官中肯定有电磁场，因为可见光就是电磁波！为什么地球物理学家 Joe Kirschvink 找不到 磁受体？视觉感官就是磁受体！生物学家利用显微技术看清了人眼微观结构，也找到了宏观与微观分界处，却搞不清运行机理。问题在哪里？ 1） 1854 年，电磁学之父麦克斯韦在年青时代，就开始研究人眼和动物眼睛，发表了 鱼眼透镜 的论文，提岀了 变折射率 的概念。这是人眼成像和扫描不可缺少的部分。 2） 交变电磁场 信号是肉眼不能见的物质，生物学家肉眼见不到，用显微技术也见不到电磁场 ， 却又感受到，就是找不到观测方法！ 3） 研究 人工视觉 感官的专家是熟悉电子学科 ，研制的 微电极阵列 MEA （ multi-electrode array ）记录系统 。 MEA 只检测 细胞外场电位 ，不能显示交变电磁场信号。实际上这些研究不能融入人眼，它＂吃的＂是电，它无血液。現在人工智能技术想让机器＂嫁接＂到人体上，怎么跨越血液供给能量这座山？去 掉电呢？似乎不可能。 4） 奇怪的是近代医学、生物学和物理学等学科在论述眼结构和工作机理时，都不涉及微小光学和微观电磁学研究的相关内容。 微小光学专家在研究变折射率透镜时，他们重新记忆起麦克斯韦的魚眼研究，在继续探索和仿制，他们也意识到应介入生物学。 5） 生物学家用干细胞体外培育人眼已有成效。但没有功能。 问题在哪里？受精卵体 外培育人眼也能成功，这两种方法有什么差异？能否揭示视觉 感官的机制？目前看来希望渺茫。 6） 随着电子技术的发展，无线电频谱逐步由微波朝毫米波、亚毫米波转变，再向红外频段、激光频段发展 。 在这一趋势中，太赫兹频段的研发应运而生，它的研究范围由宏观转向微观，这就使研究者想到了生物研究，它提供了在体观测和不在体观测 ( 取样 ) 。这一变化被生物学家捕捉到了，与电磁学结缘，给生物学发展提供了强大推力，有人说会产生革命性变化。 7） 以上归纳不难看出，人类探索小宇宙，想从大脑破解，其实大脑只是处理生命信息中间环节的器官，既不是起点也不是终点。以为大脑就是电脑，以为仿效电脑，利用超级电脑就能破解小宇宙，淡化了基础物理，找不到合理而有效的建模，以致于感到迷茫而减速。 太赫兹的快速兴起， 电磁学的延伸，提供了新的思路和方法，给 小宇宙探索提供了新的动力。 什么是太赫兹 ( THz) ？ 太赫兹是无线电波，它的频率上下限有多种界定。太赫兹频谱的高频端与远红外频谱重叠，低频端与微波频段重叠。一些研究者将（ 0.1mm--1.0mm ）波长范围作为太赫兹波段，而其他研究者将太赫兹波段范围扩展至波长为 30 μ m 。太赫兹是介于光和微波之间的一段频谱，其频谱范围也有研究者界定为 0.1THz - -10THz （波长 3mm - 0.03mm ）。这一未被开发的电磁频谱，也被称为“太赫兹空隙”。 一个新波段的研制，首先要开发波源，即辐射源；另一部分是检测设备，也是接收设备。术语 “太赫兹”指的是无线电频谱中相对窄的部分。尽管频谱比较窄，但它与其它频段一起，例如，可见光频段，它们在生命科学的基础研究中，发挥着极其重要的作用。目前还没有人质疑这个频段的辐射效应对生命体有危害，但 有关太赫兹波段的研究，仍然不能明确界定其频率范围 。不同研究者，给出的频率范围的界定是不一样的。 人的眼睛能看见物体，必须有可见光。 可见光是 电磁波谱 中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的 频率 范围；一般人的眼睛可以感知的 电磁波 的波长在 400 ～ 760nm 之间，但还有一些人能够感知到波长大约在 380 ～ 780nm 之间的 电磁波 。这段 频率 范围必然是 太赫兹波段的延伸。 为什么要关注太赫兹研究？ 1 ）生物体对太赫兹波有特殊的生物效应。 太赫兹已经广泛应用于生物学系统。现在，关注生物分子系统的响应，而不是生物体。至于生物分子的研究，分为大分子和小分子。小分子包括单独的核苷酸、葡萄糖、蔗糖、单独的氨基酸、小的药物分子，比如，布洛芬和发色团，例如，亚铁血红素和视黄酮。这些分子平均含有，如 一个分子含有 20 个原子。其中一个或几个键的共振频率落在红外频段，整个分子的共振波长是在 50 - 12500px ^ -1 。 2 ）太赫兹研究提供了分析生物分子的新方法 生物大分子包括蛋白质、多肽、 DNA 和 RNA 分子。这里，我们区分三级结构的大分子和具有衍生二级结构的大分子，但不是那种明确定义的三级结构。 DNA 链至少有四个核苷酸，双螺旋结构，但是长双螺旋链却没有明确的结构，更像无规则卷曲。自然态的蛋白质有明确的结构，但是这种结构不是静态的。结构的运动对蛋白质—蛋白质与蛋白质—配合基的相互作用是必不可少的。这些运动是普遍的，具有相关性。人们已经应用很多方法来测量这些运动，其中应用的方法是：中子散射和 x 射线散射。遗憾的是， 这些技术大都只能分辨与运动相关的结构和局部的扩散运动。 太赫兹研究提供了分析生物大分子结构、性质，提供鉴定工具，还能调节和操控还些大分子。这种方法有较高的时间分辨率和灵敏度，性噪比高，频带很宽。 3） 太赫兹研究很安全 太赫兹研究所辐射的能量很小，只是 x 射线辐照的能量的百万分之一，不会产生电离辐射效应，是很安全的。 4 ）太赫兹研究适合生物组织的成像。 太赫兹研究生物组织的成像，这一领域的研究进展非常快，所以倍受关注。 2004 年，被美国政府评为：＂ 改变未来世界的十大技术之一 ＂。 2005 年，日本也将太赫兹研究列为＂国家支柱第一重点战略目标＂。太赫兹研究生物学作为重要研究方向。 5 ）太赫兹技术可用于人眼的研究 人眼的视网膜上有视细胞，它包含上述生物分子，从分子层面研究视细胞，可以利用太赫兹技术。 6 ）太赫兹研究生物医学 太赫兹研究生物医学包括以下内容：疾病诊断、检测受体、标记 DNA 测序、蛋白质状态分析、生物组织对太赫兹波的折射、反射、绕射和吸收观测，寻找差异，由此分析生物组织的相关问题和内在机制。 7 ）太赫兹研究生物效应 这也是研究太赫兹波与生物组织的相互作用，涉及分子、细胞、组织、器官、系统、个体多 层面的研究范围，可能展示 多 层面的链接，在不同环境条件下检测，例如，在体、离体、液相不同环境条件下检测。 8 ）国际关注太赫兹研究 以前开展的太赫兹 ( terahertz ， THz) 辐射波源及探测的研究都是应用 Auston 开关，这是由贝尔实验室的 Auston 等人研制的。在经历了近几十年的技术发展与理论研究后，于 21 世纪初，已成为多个国家大力发展的重点研究技术之一。与此同时。 太赫兹科学技术作为国际学术界公认的具有非比寻常性的交叉前沿研究领域 ，发展到今天达到了一个新的研究高度，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面展现了广阔而诱人的应用前景，并将推动基础科学研究、国民经济发展、国家安全反恐和新一代 IT 技术产业的大力发展。 基于上述诸多因素， 生物医学必然会关注太赫兹研究！太赫兹研究也会关注生物医学研究，关注小宇宙探索。 视细胞极性与协作之谜 小宇宙信息的前端是感官，视觉 感官获取信息占比最大，这一看法应该有共识。人的视感系统是否研究清楚了呢？显然不是。笔者前面博文已阐述视感系统的复杂性，面临的问题严重性，解决问题的艰难。下面只从微观层面细胞的＂有序排列与相互作用＂多种解释，来讨论多学科问题。 1） 基因决定取向 1710 年 ， 科学家从昆虫毛发入手，就开始仔细研究细胞和分子机制。不同的基因可能形成了 —个系统，控制着细胞的方向感。常规的方法是通过鉴定和研究极性系统有缺陷的果蝇突变体，从而推断该系统是如何正常工作的。卷曲蛋白（ frix ， ed ）的基因和 “蓬乱基因”（ dishevelled gene)) 发生改变后，果蝇的很多毛发都指向错误的方向。 2） 地球 磁场与 “第六感” 2015-11-18 ，参考消息网曾发文：北大发现磁感应蛋白 或揭开“第六感”之谜，北京大学生命科学学院膜生物学国家重点实验室谢灿研究员及其研究团队，通过对果蝇基因组实验，发现了一种蛋白质复合体，可以在磁场中定位方向，并在多个动物物种中找到了这种蛋白基因。研究人员将其命名为磁感应蛋白（ MagR ）。这种磁感应导航可看成动物的 “第六感”。不难看出，北大发表的研究论文所说的研究对象也是果蝇。指出的蛋白质极性也与环球科学报道的结论是一致的。北京大学研究团队的这个试验，仅发现一种现象：发现了一种像聚合物的蛋白质——磁感应蛋白。这种蛋白质会和光敏隐花色素蛋白（简称 Cry ）的组成部分结合在一起，自发地和外部磁场对齐。研究者认为是与地球磁场磁感应结果。 多个研究团队研究对象及蛋白质具有极性的结果是类似的。但解释其机理有差异。北大强调地球磁场影响，是第六感官形成。下面研究则认为是生物体组织成长过程受极性控制，才形成规则排列。 3） 平面极性（ planar polarity ）决定取向 《环球科学》， 2016 年第 4 期，以 “每个细胞都知道方向”为题，阐述了一种“细胞平面极性定位”法。这篇文章所述的细胞“平面极性”定位法，涉及三个要素：细胞内蛋白质、特定基因、 平面极性 。所谓平面极性（ planar polarity ）是指组织层的不对称性。由于组织层有这种不对称性，复杂的生物组织才不需要在各个方向上高度对称，不同的部位也能高度特化。例如，耳蜗管一端的纤毛能够区分高频率的声音，而另 —端的纤毛则能够检测到低频率的声音，且当整个器官旋转时，这种特性仍然不受影响。这篇文章所述的生物体结构的演变有独特的“指南针”。才使生物组织有这种高度对称，每个物种有自己特有形态。 4） 黑视素的 “光天线” 由瑞士和德国科学家组成的研究小组曾开发出一种新的光基因学工具，设计出作为门控的 光激活蛋白， 让特定信号进入特定细胞。也就是保留目标细胞的自然信号路径，只是修改它，让它能接收光，而不需要前面神经元释放的神经递质。研究人员制作出一种嵌合感光蛋白（ Opto-mGluR6 ），由黑视素（视网膜感光色素）的感光区和 ON- 双极细胞代谢型谷氨酸受体（ mGluR6 ）拼成。 黑视素的 “光天线” 能抵抗褪色，无论光照射的频率多高，强度多大，嵌合蛋白的反应力度也不会减弱。而 mGluR6 是化学受体，将其变成光激活受体后，能保证高度的光敏性和快速的 “正常”响应性。 Opto-mGluR6 由两种自体视网膜蛋白组成。 5 ） 分子 与 蛋白质 西班牙研究团队发现： 细胞之间如何协同动作？ 生物学家认为在多细胞有机体的细胞交流中，既存在 传递信息的分子 ，也有 类似 “天线”的蛋白质 , 从 细胞表面接收外部信号 。这类特殊蛋白质被称为受体，按功能不同，可分为三类： 第一类位于细胞膜上，为钙离子、钠离子和氯离子等打开或者关闭通道； 第二类也位于细胞膜上，是由蛋白质组成的酶分子，它可以与配基结合，通过化学反应，产生如信号发射器般的分子； 第三类是 G 蛋白偶联受体。它们会干涉细胞的交流过程以及对环境刺激的感觉。它们接收到的信号中有激素、神经递质、离子等。参见 《环球科学》， 2016 年 4月号，总第 12 4期。 6) 间隙连接 的 跨膜蛋白 间隙连接是动物细胞中通过连接子 (connexons) 进行的细胞间连接。这是早先对间隙连接的定义。这是被认为细胞间通讯的连结通道。（见百度词条 “间隙连结”）。 所谓 “ 间隙 ”, 有两层含义 , 其一是在间隙连接处 , 相邻 细胞质膜 间有 2 ～ 3nm 的间隙 ； 其二是在间隙连接的连接点处 ， 双脂层并不直接相连 , ， 而是由两个连接子对接形成通道，允许小分子的物质直接通过这种间隙通道，从一个细胞流向另一个细胞。 连接子是一种跨膜蛋白。每个连接子由 4 个或 6 个相同或相似的 连接蛋白 (connexon) 亚基环绕中央形成孔径为 1.5 ～ 2nm 的水性通道；相邻两细胞分别用各自的连接子相互对接形成细胞间的通道，允许分子量在 1200 道尔顿以下的分子通过。科学家发现在相邻细胞的细胞膜上，各有一块大而扁平的斑块结构，紧贴在一起，在这些连结处，细胞间隙很小，只有几纳米，间隙不是空的，里面填满了。 研究者发现两细胞靠近时，可以相互协作，产生的扁平斑块结构扩张和成熟。细胞间通过的电流也随之增加。形成的这间隙通道内充满了颗粒大的粒子。每个间隙通道都有结合素蛋白分子构成。这种间隙连接不是永久性结构。 综上所述，对 细胞 排列和相互作用是 生物学研究和 太赫兹研究的共同目标。 不同的研究团队，用不同的视角，得出了不同的结论。细胞的整齐排列和相互作用，是肉眼可见的，这之间是有冲突的，这就是交叉学科形成的难题 ! 可归纳为： a） 在视觉感官，视杆和视锥细胞约有 1. 3 亿个，它们怎样同步运行？它们的整齐平行排列，被垂直安放在视网膜上，靠什么因素促成？ b） 生物学研究的基本单元是细胞，太赫兹研究的基本单元是分子和原子。 C )生物学研究的细胞连接方式是映射的虚拟神经网络；太赫兹研究的分子 是分有极性和无极性。 它们的相互作用是 用偶极矩概念。 d) 生物学研究是基于有线传输的离子通道；太赫兹研究是基于无线传输的电磁场 概念。尽管也有 生物学家提出光天线 概念，来解释相关问题，概念不同。 多学科交叉破解小宇宙难题 几年前笔者曾写过一篇博文：＂探索 小宇宙路在何方？＂如今再来思考这个问题，感受就不同了。 1 ）微观电磁学 在微观世界中，用电磁场与电荷的相互作用来描述电磁场与媒质的相互作用。辐射波长对相互作用的强度和电荷类型及尺寸起着重要作用。对于太赫兹辐射，这样的研究方法也同样适用。然而由于太赫兹辐射的波长相对较长，只与较大的研究单元如晶体，才与太赫兹场有相互作用。 在微观世界，上述相互作用可以通过不同的机制观察，例如光波的相互作用，可通过光的折射、反射、绕射来观察。当光波入射到均匀的各向同性或各向异性介质上，可观察到光波的折射和反射。折射用 实数折射率 描述，反射用媒质的 反射系数 描述。当媒质吸收光时，这两个物理量分别被 复折射率和复反射率 概念代替。在近场和远场区域，光的衍射都能观察到。如果媒质有规则特征，如凹槽，或空间折射率变化，衍射可在入射光束的传输和／或反射模式中检测到。如果凹槽或空间折射率变成不规则的或随机的，那么会观察到光的散射，它是折射、反射和绕射的综合，它们是紧密联系的。理论上很难描述光的散射，除非是典型的散射单元，如球体，它遵循米氏散射法则 . 。 2 ）太赫兹波谱学 太赫兹波遵从经典的折射和反射定律，但对于尺寸较大的散射单元，如结构里面的气孔，可能发生散射。在弱散射模型的框架内，有效媒介的模型如麦克斯韦加内特和布莱格曼模型，可用于近似描述媒质在太赫兹区间的光学常数。 时域太赫兹光谱学的优势是能获取相互作用场的 幅度和相位信息 。可通过这些测量数据求得复折射率或反射系数。由于复折射率是材料参数，那么就可以利用太赫兹传输或反射时，显示不同的频谱特性，来识别不同种类的媒质。在理想情况下，应该能够较容易地得到已知或未知媒质的复折射率。然而，实际情况并非总是如此。因为实验装置、样品及相关操作会带来 —些问题或由于太赫兹波散射，从太赫兹光谱测量的中获得的频谱可能会失真。只有在均匀或理想介质情况下，才能较为准确地给岀测量结果。当散射效应足够强的时候，这些方法给出的测量结果都是近似。 3 ）微小光学 微小光学是基于电磁理论 。 微小光学是研究微米、亚微米尺度内光与物质的相互作用和光学元件（包括光源、光纤、波导、折射和衍射型微透镜、微棱镜等）的光学微加工技术及利用该元件实现光信息的发射、耦合、传输、变换、分光、成像和图像处理等功能的理论和技术，是光学的新发展、光学与微电子和微机械相互融合、渗透、交叉形成的有广阔应用前景的重要前沿学科。微小光学与 太赫兹波谱学 有重叠 。 4 ） 微电子学 微小光学元件与微电子、微机械元件组合成真正意义上的微光机电系统 (micro-opto-electro-mechanical-system ， MOEMS ）还有很大困难。其原因主要是，人们对微观条件下 MOEMS 器件的运动规律、物理特性和受载之下的力学行为还缺乏充分认识。 MOEMS 元件及其间隔的尺寸处于微米量级，表现出显著的尺度效应。 5 ）微观 物理学 在微米尺度空间，许多宏观状态下的物理量都发生变化，呈现出微观尺度下的特殊规律和尺寸效应。所谓尺度效应指的是，当物体的尺寸 L 改变时，不少物理量随 L 变化的现象。当系统尺寸减少到微米量级时，与尺寸 L 的高次方成比例的惯性力 (L4 次方 ) 、电磁力 (L3 次方 ) 等的作用弱化，而与尺寸的低次方成比例的黏性力 (L 平方 ) 、弹性力 (L 平方 ) 、表面张力 (L1 次方 ) 、静电力 (L 零次方 ) 等的作用相对强化。同时，表面积 (L 平方 ) 与体积 (L3 次方 ) 的比例增大，热传导、化学反应显著加快，表面摩擦力也明显增加。 今日物理学如何走岀边缘化，开创微观和纳观物理新理论，是令人深思的问题。 如上所述，这里列举五个学科，加上前面所述的生物医学、化学、天线、影像学和佛学都与人的视觉感官相关联。它们交叉在一起，共同破解小宇宙之谜。在现有科研体制中，如何举全国之内，以一盘棋精神，走出中国自己探索小宇宙之路！（未完待续）
个人分类: 小宇宙探索|6929 次阅读|0 个评论
跨学科的新感受
热度 3 dsm9393 2017-7-14 23:27
跨学科的新感受 A new sense of interdisciplinary research 都世民（ Du Shimin） 为什么要跨学科？ 在文革期间，不少人都下放到南方军队农场，当时我被留下抓革命促生产。由二院副院长宋健秘密下达任务，参加核效应试验。由此我开始了第一次跨学科研究。首先我要学习原子弹爆炸的核效应：光辐射和冲击波。雷达在核爆中承受什么样的核效应？如何自动化测量？测量什么参数？用什么方法？雷达如何加固？这一切与我原先工作相差很远。这是服从国家需要的跨学科研究。历时两年半。 第二次跨学科是因为查阅资料，发现在电磁兼容学科，宽频带天线作为测量工具和标准。而且由频域特性转化为时域特性。这个学科对宽频带天线的研究比天线学科反而早。这次跨学科是边缘学科交叉概念。历时很多年。 第三次跨学科是因为科普创作。要写科普文章和科普书必须收集大量科技新信息，当时没有电脑，只能剪报收集。这些信息有大量学科交叉。 第四次跨学科是因为家人患神经方面疾病，导致我上网搜索，发现说法不一。好多问题无定论。导致我对这方面的兴趣。 跨学科研究的目标 如今跨学科研究的目标有三方面： —是学习生物医学有关神经性疾病的研究方法、结果，进行对比，寻找结论差异的原因；二是寻找与自己知识面的关联； 三是用自己学科知识分析生物医学学科问题。 原来以为跨学科是夲学科边界。这边界如何产生的呢？是学科横向发展导致的。例如，新材料的岀现是边缘学科产生，玻璃纤维、超导材料、人工电磁材料等。另外新分析方法：矩量法、时域有限差分法、 GTD 法、球面波展开法等。新的测试仪器和测量方法出现，例如近场测量。 这些边缘学科产生，是学习其它学科为夲学科所用。同时也用夲学科新进展促进边缘学科的发展。 前沿跨学科研究的新感受 近几年来，因为退休，免除了一切结点考核和年终考核。与报表和会议远离，与金钱和名利脱钩了。这么一来也就不存在＂跨学科就是不务正业之嫌＂。搞科研得专心致志，围绕目标要随心而做。也就是做点自己想做的研究。 笔者进入生物医学领域，最大感受是生命科学与脑科学熟轻熟重？到底是复杂系统问题，还是单 —学科问题？人脑与机脑是一回事吗？到底是人脑改变机脑，还是机脑改变人脑？现在生命科学的研究是否是以信息为主要目标，信息应该来自六感官：眼、耳、鼻、舌、身、意，而意识必须有感官信息为前提。视觉感官系统是生命科学研究的主要信息来源。对这方面研究涉及诸多学科前沿： 1） 人的眼球是水晶体。是变折射率透镜。这是新学科 --- 微小光学研究成果。 2） 龙伯透镜是变折射率球体透镜，这种透镜在一百多年前，电磁之父麦克斯韦就曾研究鱼眼之谜和色感之谜。如今通信天线使用频段向毫米波发展，龙伯透镜天线正成为宽角、宽频带扫描天线优选型式。随着波长缩短，激光和太赫兹频段电扫描天线也会选用龙伯透镜天线型式。但是目前还是局限于球面透镜天线，扫描时只考虑移动饋源，未曾见到转动球体透镜实现宽角电扫。 3） 生物学将视网膜微纳化、细胞化、分子化。在微纳层面获得很多成果。人眼的成像机制纵深发展。 4） 人眼的成像机制是探索视觉感官系统运行机制的重要方面。现在成像有 ` 多种方式，这些方式与人眼成像机制是不同的。 5） 太赫兹频段（ 0.1THz--10THz) 在近些年发展很快，而且涉及诸多学科。其潜在应用范围相当广泛。生物体对太赫兹的敏感效应， DNA 、 RNA 、蛋白质等生物大分子旋转及振动能級与太赫兹频段有关联，可以对生物大分子的结构、性质进行分析鉴定，乃至精确操控和调节，不仅可以获得目标样品信息，还可以进行成分分析。另外，由于太赫兹波有—定穿透深度，并且有较高的时间分辨率和灵敏度，信噪比高，频带极宽，所用的照射能量只有 x 射线的百万分之一，不会给生物组织产生有害电离影响，在生物成像方面也很安全，这给生物医学研究带来新动力。 6） 电磁波对人体影响的研究已经进行了好多年，特别是微波频段，例如雷达、通信设备的辐射，也包括手机及可穿戴电子设备对人体的影响，例如对生殖器官、大脑的影响，会不会致癌，没有定论。这个问题与太赫兹频段检测、成像有关联。 7） 高能武器的研制和投入使用，必然涉及人和生物被辐照带来的伤害，例如高能激光武器。将来太赫兹频段研究会紧密关联生物效应。势必导致新武器的研制。 8） 太赫兹频段研究是经典电磁学延伸，频谱更高端。研究对象涉及微纳层面，但是又为多层面链接搭建了桥梁。笔者是无线电系毕业，学习太赫兹频段相关问题似乎又转回到自己所学的专业知识。也就是说，在自然科学前沿，多学科知识是相互关联和贯通。 9） 上述情况却表明大学学习贵在基础课，在分专业之前，一定要重视专业基础课学习。过去的无线电系课程比现在分专业的基础课面要宽，大量的新知识是不断更新，永无止境，应该在工作岗位上学习。 10） 从科研角度，是以脑科学还是以生命科学组建研制队伍，领军人选成为关键。研制机构配置也不相同，人员从事专业配置也不相同。如果不是统一管理，在资金、人员专业配置、计划攻关都不相同。加上我们国家有中医悠久历史，发扬中医系统观和中药的丰富资源，按西方国家研究机构配置是走不出自己的道路。所谓＂接轨＂的说法与＂西化＂有共同属性。是走不岀自己道路，两弹一星研究模式还是有现实意义。人才要引进，也要自己培养，靠金钱和名利去挖人才不长远，因为这样做会导致挖墙角岀现，也会有人岀更高价，引入的人才还会离开，可能成为一些人登高的踏板，也不一定是真人才。 综上所述，自然科学多学科前沿的研究有贯通和碰撞的可能。怎样整合有利于多学科协同发展，是值得我们深思的大问题，希望有关部门关注。
个人分类: 博客|2918 次阅读|5 个评论
大气污染红色预警紧急措施是否有效？太赫兹光谱分析给出答案
sciencepress 2017-3-10 16:00
近几年 ， 北京的大气污染防范与治理一直都是国内外关注的焦点。 2015 年 12 月 7 日晚 , 北京市空气重污染应急指挥部发布空气重污染红色预警 , 全市从 12 月 8 日 7 时至 10 日 12 时启动最高预警等级 , 这是北京自 2013 年《北京市空气重污染应急预案》通过以来首次启动红色预警 , 开始实施机动车单双号、工业停产、督查等治霾措施。这些措施是小题大做还是切实有效？最近一项研究揭示了基于太赫兹光谱的红色预警与普通条件下的 PM2.5 对比分析结果。 红色预警 (a) 和普通条件 (b) 下 PM2.5 的太赫兹 - 二维光谱分析结果 相关的研究论文题为 “Terahertz assessment of the atmospheric pollution during first-ever red alert period in Beijing”, Science China Physics, Mechanics Astronomy ( 《中国科学 : 物理学 力学 天文学》英文版 )2017 年第 4 期出版 , 由中国石油大学 ( 北京 ) 赵昆教授担任通讯作者撰写。 研究者采用太赫兹光谱 (Terahertz spectroscopy) 和二维相关光谱 ( Two-dimensional correlation spectroscopy, 2DCOS ), 进行了红色预警期间及大气污染非红色预警条件下的 PM2.5 分析表征研究 , 揭示了红色预警措施对改善空气质量的影响。 该次红色预警期间 , 环保部门发布了一系列应急措施 , 包括中小学、幼儿园停课 , 企事业单位根据空气重污染情况可实行弹性工作制 , 全市范围内实施机动车单双号行驶 , 渣土、砂石等易扬尘的运输车实施停运 , 增加道路保洁次数 , 部分工业企业停产 , 部分土石方和建筑拆除工地停工工业企业按名单实施停产限产措施等。因此 , 有效地检测红色预警期间大气污染物的浓度和成分对于评价红色预警紧急措施十分重要 , 可为今后的雾霾治理措施的制定提供参考。 研究者采集了首次红色预警期间的大气污染物 PM2.5, 并对其进行了傅里叶变换红外光谱测试 , 得到了 PM2.5 在太赫兹频段的吸收谱 , 一方面 , 通过 PM2.5 的吸光度证实该时间段内污染程度逐渐下降 , 另一方面 , 利用二维相关光谱对 PM2.5 的吸光度谱进行解析 , 并与重污染但未发布红色预警期间的 PM2.5 解析结果进行对比 , 发现以金属氧化物为主的扬尘环境污染物的吸收峰基本消失 , 一部分硫酸盐的金属离子种类也发生了变化。 基于太赫兹吸收和二维相关光谱的 PM2.5 解析结果说明红色预警措施遏制了金属氧化物的污染 , 降低了硫酸盐等化合物的污染程度。 这一研究结果丰富了空气重污染紧急措施的评估体系 , 可为环保部门制定大气污染治理措施提供有效的参考。 该项研究得到了国家自然科学基金 (No.11574401) 资助。 更多详情 请阅读原文 ： H. L. Zhan, N. Li, K. Zhao, Z. W. Zhang, C. L. Zhang, and R. M. Bao, Terahertz assessment of the atmospheric pollution during the first-ever red alert period in Beijing, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60 , 044221 (2017) http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-016-0469-4 http://link.springer.com/article/10.1007/s11433-016-0469-4 订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号 , 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯 , 请添加微信号 SCPMA2014 或扫描下方图片关注.
个人分类: 《中国科学》论文|4945 次阅读|0 个评论
太赫兹技术新应用: 基于增材制造技术的原油含水率检测
sciencepress 2017-3-7 16:22
油田的注水开发技术是国内外最为广泛的注水采油方式之一 ， 也最为普遍 。 原油的含水率成为油田开发阶段的一项重要指标，与油井水位预测密切相关 ， 不仅影响着油田储油潜力的评估和开发方案的制定 ， 而且对油品的分级评价具有重要意义。此外 ， 原油中含水率过量可能会导致输油管道腐蚀等严重的安全问题。检测原油含水率的方法很多 ， 基于增材制造技术的太赫兹 (THz) 检测是一种新型、安全的方法。 由北京油气光学探测技术重点实验室管丽梅、詹洪磊、苗昕扬、祝静、赵昆撰写的“ Terahertz dependent evaluation of water content in high-water-cut crude oil using additive manufactured samplers“ 一文发表在《中国科学 : 物理学 力学 天文学》英文版 2017 年第 4 期中，研究 采用增材制造技术辅助原油含水率的太赫兹检测 ， 结果显示 ： 基于太赫兹波谱的数据分析 ， 可成功分辨含水率从 1.8% 到 90.6% 的原油。 为了优化生产 ， 研究人员提出了许多原油含水率的检测手段 ， 其中 THz 辐射是一种非接触的安全方法 ， 已被用于石油和石油产品质量的表征评价。原油中的有机物和水分子对太赫兹波存在不同程度的吸收 ， 水分子之间形成的不稳定的氢键网络在皮秒的时间尺度上不断被打破和形成。因此 ， 太赫兹光谱对水的偶极矩波动十分敏感 ， 而烷烃等原油的主要组分极性极弱 ， 导致太赫兹波的吸收程度相对于水分子来说出现急剧下降。由此可看出 ， 太赫兹技术是一项非常适合原油含水率检测的方法。 图 1. 基于增材制造的样品池生产流程及太赫兹参数与水含量的关系 这一成果使用了增材制造技术个性化设计的适用于原油含水率太赫兹检测的样品池， “ 使测试过程更加规范 ， 最大限度的减小系统误差 ”， 楚天学者特聘教授赵昆表示。 增材制造技术与太赫兹技术相结合 ， 将原油含水率的太赫兹检测拓展到了高含水阶段 ， 同时也丰富了增材制造技术的应用领域 ， 为原油含水率的检测提出了新思路。 该研究受到中国国家重点基础研究发展计划 ( 批准号： 2014CB744302)、 国家重大科学仪器开发专项基金资助项目 ( 编号： 2012YQ140005)、 中国石油和化学工业联合会科技指导计划资助项目 ( 编号： 2016-01-07) 和国家自然科学基金 ( 批准号： 11574401) 的支持。 更多详情 请阅读原文： LiMei Guan, HongLei Zhan, XinYang Miao, et al. Terahertz-dependent evaluation of water content in high-water-cut crude oil using additive-manufactured samplers. Sci China-Phys Mech Astron, 2017, 60(4): 044211 http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-016-0491-3 http://link.springer.com/article/10.1007/s11433-016-0491-3
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OOK调制的210G无线片间通信系统
ComeOnBoy 2016-3-23 22:17
随着CMOS晶体管的减小，电路尺寸也越来越小，在片和片间较大的通信接口阻抗制约着电路性能的发展，尤其是工作在太赫兹和毫米波频段的系统。如今通过片上天线进行片间的通信可以很好的避免接口限制因素，同时可以利用太赫兹频段高带宽的特性实现高速短距离无线通信。化合物半导体（如InP）是太赫兹IC的首选。国际半导体路线图（ITRS）中CMOS器件的ft和fmax的不断提升，使得CMOS工艺在THz应用方面有着巨大的潜力。《A 210 GHz Fully-Integrated OOK Transceiver for Short-Range Wireless Chip-to-Chip Communication in 40 nm CMOS Technology》文中，设计了一款基于工作在210GHz通过OOK调制方法实现 误码率 10 -12 的短距离无线收发系统，该系统基于 40nm CMOS工艺 。
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马年的两篇科研论文NEWS
热度 8 胡伟 2015-2-14 23:57
转眼春节将至，回首马年，年首年尾各 发表了 一篇比较满意的工作；虽然本年度还有一些一区和二区的工作发表，但这两篇算是两个方向各自具有代表性的工作，为此我还专门写了NEWS推广。在此张贴出来，一来算是借助科学网的平台进行推广交流，再者也算是对自己研究方向的科普。请各位博友批评指教。 液晶与微纳光学研究组在“利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋”方面取得重要进展 南京大学现代工程与应用科学学院 液晶与微纳光学研究组 在 利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋方面取得重要进展 ，该研究成果于 2014 年 3 月 12 日发表在材料领域权威期刊《先进材料》 上 Adv.Mater. 2014, 26 (10), 1590-1595 。 当一束光的波前符合 Ψ 1 = exp( imθ ) 时，会具有螺旋相位。对于这类光束，其坡印廷矢量虽然整体向前，但是有横向分量，其指向在空间不断地打转，因此带来了轨道角动量 OAM 。形象说来，其光波前像意大利螺旋面一样沿着光的传播方向呈螺旋扭曲状排布；由于光束中间是位相的奇点，只有在光强为零的条件下才能够得以满足，故光束中间总是个黑点，如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状。光涡旋及 OAM 的存在说明了研究历史悠久的光仍然存在着新奇的特性，近年来吸引了科研人员的强烈关注和广泛研究。 OAM 赋予了对光的性质进行调控的一个新自由度，打开了一条光信息复用的新通道。由于拓扑荷 m 的无限性，光涡旋对应的轨道角动量的态也是无限的。这预示着可以通过 OAM 复用来极大地增加无线及光钎通信的带宽。此外，用光涡旋来做光镊时，除了像普通光束一样捕获移动介电粒子外，还能够提供一个扭转力，使得对粒子的转动操控也变为可能。基于此，甚至可以对细小物体如 DNA 进行多维度精确操控。在天文学领域，基于光涡旋的日冕观测仪被用来屏蔽强的背景光以增加天文观测的对比度，这对于系外行星的直接观测起到了有力的推动作用。总之，光涡旋在光纤通信、微纳操控和天文观测等领域都有着广泛的应用。 迄今为止，科研人员已经开发出模式转换、螺旋位相片、 Q-plate 、叉形光栅等一系列技术以产生光涡旋。其中叉形光栅技术因其简便性成为一种常用的生成光涡旋的方法，它实际上是涡旋光和平面波倾斜干涉的面内图案。所以，如果入射平面波或高斯光，就可以在衍射级上看到 OAM 。控制图案结构，可使 0 级衍射完全消除，光分别衍射到不同的衍射级次上，具有不同的，逐渐增大的拓扑荷。将液晶这类具有优异电光性质的材料应用到其中，可进一步实现即时可调的光涡旋产生。 我们利用光取向技术取向控制灵活和图形分辨率高的特点，基于前期光取向液晶微结构制备技术开发【 Opt. Express 2012, 20 (5), 5384; Opt. Express 2012, 20 (15), 16684; Opt. Express 2013, 21 (6), 7608 】及相关应用探索【 Appl. Phys. Lett. 2012, 100 (11), 111116; Appl. Phys. Lett. 2012, 101 (3), 031112; Opt. Lett. 2012, 37 (17), 3627 】方面的研究经验，开发了一种全新的 产生及调控光涡旋的技术方法 。他们对前期自行研制的一套基于数控微镜阵（ DMD, Digital Micro-mirror Device ）的缩微投影系统进行了进一步改进，结合液晶光取向技术，制备了不同 m 值、不同取向模式的液晶叉形光栅，进而实现了快速响应、可重构、偏振和波长不敏感的高效高质量的光涡旋产生。液晶叉形光栅测试结果显示，对不同波长、任意偏振入射的可见光均获得了高达 75% 的± 1 级涡旋光转化效率。调节施加电压，可使光能完全转至零级（高斯光），一级及高阶衍射斑（涡旋光）完全消失，达到很好的开关态效果，引入双频液晶后，开关响应均达到亚毫秒量级。由于所用取向剂具有良好的可擦写特性，通过对样品再次曝光，实现了叉形光栅 m 值的实时擦写。该工作为制备低电压、低功耗、高效率、可电调、可光重构、偏振和波长不敏感的涡旋光束产生器提供了新的途径，并可推广应用到光通讯及 THz 波段，对涡旋光的应用拓展提供了铺垫。研究开发的数控微镜阵微光刻系统可用于实现任意液晶微结构图形和取向方向的实时控制，为可调控微纳光学研究提供了一种有效的技术手段。 本论文第一作者为 2012 级“英才计划”硕士生魏冰妍，胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者，南京大学作为第一单位与 Thorlabs （上海）、香港科技大学合作完成。 该研究得到了973 、自然基金、教育部博士点基金等的支持。 图 1 自行开发的数控微镜阵缩微投影装置示意图 图 2 不同 m 值的叉形光栅用于光涡旋的产生及调控 液晶与微纳光学研究组 在太赫兹电光元器件方面取得重要进展 最近，南京大学现代工程与应用科学学院液晶与微纳光学研究组在利用液晶实现宽带可调太赫兹波片的研究中取得重要进展。报导该研究成果的题为 Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes 的论文，于 2015 年 2 月 27 日发表在 * Light: Science Application 上 Light Sci. Appl. , 2015, 4 , e253 . 由于技术与材料的限制，频率处在 0.1 到 10 THz 之间的电磁波（即太赫兹波）在研究上一度成为电磁波谱上的空白。近年来，随着科技的迅猛发展，科学家逐渐在太赫兹波产生、传输和检测等方面取得了令人瞩目的成绩。太赫兹波由于其独特的优点，有望成为物质结构分析、生命医疗探测、高效绿色安检和高速无线通信的全新手段，并在天文观测、空间通讯和精密光谱测量等领域具有潜在的应用价值。 太赫兹研究与日俱增，但适用于该频段的光子学器件，尤其是可调控器件依然是一个挑战。液晶材料具有宽带可调的特性且拥有成熟的工业技术基础，因而基于液晶的太赫兹可调器件研究引起了科研人员的广泛关注。寻求成熟的可见光与通讯波段元器件（如：开关、衰减器、滤波片、偏振控制器、路由器等）在太赫兹频段的直接对映，并以此实现对太赫兹波的操控，已成为科技工作者的追求。但一直来该领域的研究面临着几个难题：一，可见光和通讯波段通常采用的透明导电薄膜如氧化铟锡（ ITO ）等在 THz 频段变得不再透明，因而在施加电场方面遇到严峻的挑战；二，液晶材料的双折射率随波长增加而减小，在 THz 频段显著降低，而 THz 波的波长又是可见光的成百上千倍，要达到同样的位相调制量，所需的液晶和厚度要达到毫米的量级，使得液晶的均匀配向无法实现。上述两个瓶颈严重的阻碍了该领域的发展。 在该工作中，研究者系统解决了上述问题，并提出了一整套实用的解决方案。本工作选取进行相位延迟和偏振转换的基本元件 —— 波片作为实例。液晶盒采取了一种独特的结构设计： 1. 选用亚波长金属线栅同时作为高透过电极和内置起偏器； 2. UVO 处理的多孔石墨烯作为无偏振依赖特性的高透电极（ 98% ）； 3. 非接触式光控取向作为无损伤的液晶配向技术； 4. 自行开发的在 THz 频段低吸收损耗、大双折射率的液晶材料 NJU-004 作为填充液晶材料。最终在 250 μm 较小盒厚的条件下，实现了 0.5-2.5 THz 宽带低电压连续调谐的 THz 波片，并验证了其偏振调控特性。在小体积、集成化、高效率、低能耗的实用液晶 THz 元器件方向上迈出了关键的一步。实现了液晶材料与 THz 技术的完美结合，在 THz 通信、传感探测、分析、成像等领域具有广泛的应用前景。 该工作得到了液晶界著名学者UCF S. T. Wu教授的高度评价, “Great progress and exciting results. ……You have solved very important problems in polarizer, transparent electrodes, LC materials and LC alignment. These are all very crucial to this emerging field.”审稿过程中也得到了三位审稿专家的一致好评：“In this manuscript, the authors demonstrated a clever approach to solve a tough problem of liquid crystal-based Terahertz phase shifter. ……Overall speaking, this paper is not only scientifically exciting but also practically useful.” “A nice literature review was given on the LC and graphene based terahertz devices.” “……UVO-treated graphene film……together with the high-quality liquid crystal developed by the authors, leads to a practical terahertz waveplate with the desired compactness, high efficiency and wide tuning range. This work is thus of general interest and practical significance.” 本论文王磊同学和林晓雯同学为共同第一作者，胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者，南京大学作为第一单位与南京工业大学、清华大学合作完成。该研究得益于国家自然科学基金和 973 项目的资助，同时离不开人工微结构科学与技术协同创新中心、太赫兹科学协同创新中心、学校 985 工程、江苏省优势学科建设工程（材料科学与工程）等的支持。 * Light: Science Applications 是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与 Nature 出版集团合作出版的光学期刊（双周刊）。于 2012 年 3 月创刊，致力于推动全球范围内的光学研究，刊载光学领域基础、应用基础以及工程技术研究及应用方面的高质量、高影响力的原创性学术论文和综述文章。已获创刊首个影响因子 8.476 （ 2013 ）。 2014 年 IF 目前已超过 14 ，在近百种光学类期刊中紧随 Nature Photonics 排名第 2 。 图 1 THz 液晶波片示意图及电极透过率 图 2 THz 液晶可调波片测试及偏振转换的验证
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各国围绕“太赫兹”的技术竞赛
热度 1 wangxiaog04 2012-9-12 14:46
各国围绕“太赫兹”的技术竞赛
各国围绕“太赫兹”的技术竞赛 九十年代初 ， 第一届国际太赫兹电子学会议在欧洲召开，这是学术界把太赫兹作为一种独立的科学的开始，至今也不过二十年左右。因此 ， 它是一门很年轻的跨学科、交叉性很强的科学前沿。 由于太赫兹在电磁波谱中所处的位置，即处于宏观电子学向微观光子学的过渡区，它的发展单纯依靠宏观电子学是难以做到的，单纯依靠微观光子学也是很困难的，以至于在电磁波谱上太赫兹仍是至今留下来的一个有待发展的频段，所以它具有丰富的科学内涵。 事实正是这样，近二三十年来出现的所有学科前沿和热点都被太赫兹所深深地吸引，诸如光子晶体、亚波长孔阵列、微纳光学、量子光学、等离子体科学（ Plasmonics ）、人工电磁媒质（ Metamaterial ）以及 2010 年获诺贝尔奖的石墨烯等都希望在太赫兹领域寻找自身发展的机遇。 太赫兹 简介 太赫兹又广为利用和吸收这些新兴学科前沿和热点来发展和丰富自己。这种科学现象在科学发展历史上还是不多见的。另一方面太赫兹具有非常优秀的独特性质，在很多方面，它既优于 X 射线，又优于光波和微波毫米波，被称为 T 射线，所以太赫兹在推动其他科学发展上具有不可替代的作用，为其他学科的发展创造了很好的条件，提供了很好的机遇。 例如：在太赫兹的推动下，近年来出现了一些新的前沿学科，太赫兹生物学（ THz-Bio ）、太赫兹表面等离子体学（ THz-Plasmonics ）、太赫兹人工电磁媒质（ THz-Metamaterial ）、太赫兹强场物理学（ THz-Intensefieldphysics ）、太赫兹自旋电子学（ THz-SpinElectronics ）等。 耶鲁大学著名科学家 Schmuttenmaer 教授在 2004 年 IRMMW-THz （国际红外毫米波 - 太赫兹会议）大会特邀报告做了题为 “LearningNewChemistryandPhysicswithTHzLight” （利用 THz 科学更深入的研究新的化学和物理学）。可见太赫兹在国际科学家们心目中的重要地位。 由此可见太赫兹是一门新兴的具有重要特色的交叉学科，所以太赫兹在科学上、国民经济和国防建设上有着极其重要的作用。已成为世界各大国竞相抢占的学术制高点。例如 美国、欧洲各国、俄罗斯、日本甚至韩国都有全国性长期执行的统一的规划、统一的重大项目。在美国国家科学基金（ NSF ）、国防部、 DARPA 、能源部、卫生部等，以及很多大型企业都给予大量的投入，在美国所有的国家实验室以及六十个以上的大学都在大力进行太赫兹科学研究并且做出了重要的成绩。 由于认识到太赫兹的特殊重要性，美国要求本领域最重要的和最权威的国际会议 - 国际红外毫米波太赫兹会议（ IRMMW-THz ）会议每三年必须在美国召开一次，然而它还不满足，干脆把国际红外毫米波 - 太赫兹会议依法注册成为美国的一个学会，即 AmericanIRMMW-THzSociety （和 AmericanPhysicalSociety 等地位相同），这个注册已于去年通过，并且新创办了 IEEETransactiononTHz 杂志。由此可见美国对本领域的重视程度。 我国政府对太赫兹研究也很重视。 2005 年以前，国家 863 计划首先给予支持，国家自然科学基金给出了一个重大项目和很多面上项目。 2005 年在科技部、教育部、中国科学院、中国工程院、国家自然科学基金委等大力支持下召开了以太赫兹为主题的第 270 次香山科学会议，这次会议起到了非常重要的作用，从此以后我国太赫兹科学蓬勃发展，所以第 270 次香山科学会议被认为是我国太赫兹发展的重要里程碑。 但是与国外相比，我国在太赫兹研究方面的发展还有较大的差距，第一，基础研究不够集中，国际一流的成果还很少。第二，可以实用的元器件还远远不能满足国家的急需。第三，系统集成更少，虽然国际上已有 6-7 部太赫兹雷达在运行，德国和日本等在太赫兹无线通信方面也已进入实用试验阶段，但我国在这些方面相对还比较薄弱。第四，重要的测试设备和加工平台等在我国还非常缺乏，在这种条件下，创建一个新概念引导下的太赫兹科学协同创新中心就显得非常必要和非常迫切。
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基于Citespace II 的国际太赫兹技术知识图谱研究
热度 2 terahertz 2012-7-20 17:54
（本文发表在《图书情报研究》2012年第3期） 摘要： 利用CiteSpace软件信息可视化方法，对1990-2010年间来自Web of Science (SCIE)数据库的太赫兹技术领域研究的文献数据进行统计和可视化分析。绘制该领域的机构分布、学科分布、期刊共被引、作者共被引、文献共被引和关键词的可视化图谱。揭示该领域的领军人物、知识基础和研究前沿，为科研用户快速了解学科领域研究全景图提供重要参考。 关键词 ： 信息可视化；太赫兹；CiteSpace；知识图谱；研究前沿 Cited by： 1， 国内知识图谱应用研究综述 . 图书情报工作, 2013, 57(3): 131-137,84.
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Visualization of patents and papers in terahertz technology
热度 2 terahertz 2012-6-19 10:06
（本文发表在《Scientometrics》 March 2013 , Volume 94 , Issue 3 , pp 1037-1056 ） Visualization of patents and papers in terahertz technology: a comparative study Guifeng LIU Abstract Terahertz technology is one of the most promising research areas in the 21st century. In this work, we intend to compare the research status quo on terahertz technology between 1990 and 2010 using knowledge domain visualization techniques. Our data consists of 633 patents retrieved from Aureka management platform and 10,344 journal articles indexed in the ISI web of knowledge. Our analysis is a combination of two information visualization tools for analysis, Aureka and CiteSpace. Aureka is allowed for the analysis of patents filed/granted each year, priority country, inventors, assignees, citation counting, and cluster analysis, while networks of co-authors, countries, institutions, document co-citation networks and document co-citation clusters, are performed by CiteSpace. This research provides a comprehensive domain visualization map of innovation and knowledge in the area of terahertz technology. Our result shows that Aureka and CiteSpace are two promising visualization approaches to analyze patents and papers in any given field. Keywords Scientometrics–CiteSpace–Aureka–Thomson innovation–Visualization–Patent–Terahertz 2013-Visualization of patents and papers in terahertz.pdf
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对苯醌和4,4’-联苯酚固态化学反应的太赫兹光谱研究
热度 1 terahertz 2011-4-18 18:53
利用太赫兹时域光谱手段详细的研究对苯醌和 4,4’- 联苯酚固态化学反应的进程。反应物和产物呈现不同的吸收峰特征。研磨对固态反应的动力学影响很大。利用不同的动力学模型来拟合反应的反应速率。结果显示该反应为扩散控制型，并且得到反应速率常数。其它的光谱手段用来佐证该固态反应。结果表明太赫兹光谱是研究固态反应的有力工具。 JOURNAL OF APPLIED SPECTROSCOPY 2011,78(3): 343-350
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太赫兹技术在药物化学研究领域中的应用进展
terahertz 2010-9-14 08:09
太赫兹 (THz)技术及其应用研究近些年发展迅速，许多研究表明该技术在国防安全、信息通信、材料、环境、化学和生物医学等领域有巨大的应用前景。本文就近年来利用太赫兹光谱和太赫兹成像技术在 药物化学 领域中的应用研究进行综述。介绍了太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）在药物活性成分（Active Pharmaceutical Ingredients, APIs）的检测、异构体的区分、药物的多晶型和假多晶型的鉴别以及混合物的定性与定量分析等方面取得的研究成果和进展；阐述了太赫兹 成像技术 在分析药物的物理化学性质和包衣膜厚度、密度、结构特性，以及监测产品的一致性和完整性方面的应用优势。此外，还介绍了太赫兹技术在 药物动力学 研究及药物生产过程分析中的创新性应用研究。 化学进展2010,22(11) 2191-2198 Cited by： 位组胺光稳定剂和抗生素的太赫兹光谱研究 . 南京大学 2011 太赫兹时域频谱信噪比分析与规范性研究 光谱学与光谱分析201232(03):606-609 扫描速度对于太赫兹时域光谱系统信号品质的影响 光谱学与光谱分析201232(05):1180-1183 周有志. 连续太赫兹波微振动无损探测的研究 . 华中科技大学 2010
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毒品的太赫兹时域光谱检测
terahertz 2010-8-31 08:27
在室温下，利用太赫兹时域光谱技术获得了一系列毒品（吗啡及其盐酸盐，可卡因，可待因，哌替啶，罂粟碱和蒂巴因）的低频振动光谱。利用密度泛函理论对吗啡进行结构优化和低频振动计算。结合理论计算，吗啡在太赫兹波段的吸收归结为分子间/分子内的集体或晶格振动模式。结果表明，不同的毒品在太赫兹波段呈现不同的吸收特征，因此可以利用该技术对毒品进行检测。 Nuclear Science and Techniques 21 (2010) 209–213 Cited by： 1， Investigation of solid-state reaction by terahertz time-domain spectroscopy Nuclear Science and Techniques 22(2011) 139–143 2, SOLID-STATE REACTION BETWEEN P-BENZOQUINONE AND 4,4 '-BIPHENOL: A THz TIME-DOMAIN SPECTROSCOPIC STUDY JOURNAL OF APPLIED SPECTROSCOPY78(2011) 318-325
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还原型及氧化型谷胱甘肽的太赫兹时域光谱研究
terahertz 2010-8-21 11:28
利用太赫兹时域光谱技术研究了还原型及氧化型谷胱甘肽在0.2-1.4 THz波段的光谱特性,结果显示它们在测量波段表现出不同的吸收位置和吸收强度,同时折射率也表现出明显的差异,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。研究提示太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于多肽及蛋白质等生物大分子结构与功能研究的潜力。 石河子大学学报 ( 自然科 学版 ) , 2008,(03) :347-350 Cited by: 1， 太赫兹时域光谱技术及其在中药中的应用 中草药 2009,(09) :1508-1511 2， 有机磁性体“Ni（cyclam）”“Cu（tfadt） 2 ”及Co（N 3 ）（4-acetylpridine）的密度泛函研究 . 华中科技大学 2009 3， 偶氮染料中间体及几种纺织纤维的太赫兹光谱研究 . 浙江理工大学 2010
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多种糖混合物的太赫兹时域光谱定性及定量分析研究
terahertz 2010-3-23 21:46
利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术研究了D-(-)-核糖、D-葡萄糖、α-乳糖一水合物及β-乳糖在0.3-1.6 THz波段的光谱特性。结果显示THz波对几种糖结构的变化有灵敏响应，在测量波段内有各自特征的THz指纹吸收光谱。利用线性回归技术对含两至四组分混合体系的THz光谱进行定性及定量解析，获得了混合物中各组分含量，相对误差小于7.2%，并就误差产生的原因做了简要分析。实验结果表明THz-TDS技术能够用于材料的定性及定量分析研究，在生物医药的无损检测和质量控制等方面有重要的应用前景。 光谱学与光谱分析2009,29(11):2885-2888 Cited by： 1, Chemical components determination via terahertz spectroscopic statistical analysis using microgenetic algorithm， OPTICAL ENGINEERING 50 (3): Art. No. 034401 MAR 2011 2, Terahertz spectroscopic uncertainty analysis for explosive mixture components determination using multi-objective micro-genetic algorithm ADVANCES IN ENGINEERING SOFTWARE 2011, 42(9):649-659 3, 太赫兹波双路比较法葡萄糖溶液浓度测量研究 计量学报 2010,31(6):567-570 4, Quantitative analysis of terahertz spectra for illicit drugs using adaptive-range micro-genetic algorithm JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 2011,110(4): 044902 5， 位组胺光稳定剂和抗生素的太赫兹光谱研究 . 南京大学 2011 6， 低温下丙烯酸的太赫兹光谱研究 . 中国光学学会2010年光学大会论文集 . 2010
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次黄嘌呤及其核苷的THz光谱
terahertz 2010-3-21 12:59
利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy，简称THz-TDS)技术研究了次黄嘌呤及其核苷在0.3-1.6THz 波段的光谱特性。结果显示THz波对该碱基及核苷的结构变化有灵敏响应，其中次黄嘌呤在该波段无特征吸收，而其核苷在1.4THz 处有强的指纹特征吸收峰，根据Hartree-Fock模拟计算提示该低频振动来源于嘌呤环与戊糖环的扭摆振动。定量研究的结果表明，在一定浓度范围内所测化合物THz 吸收强度与浓度呈线性关系，符合朗伯-比尔定律。利用THz谱成分分析法对次黄嘌呤及其核苷的混合物进行了定量解析，获得了混合物中各成分的含量，相对误差不超过7%，并就误差产生的原因做了简要分析。 物理学报2008,57(6):3429-3434 Cited by: 太赫兹时域谱的动物皮革光学特性 . 中国计量学院学报,2008,19(4). 太赫兹时域谱技术快速定性检测奶粉中的三聚氰胺 . 中国计量学院学报,2009,20(2). 偶氮染料中间体及几种纺织纤维的太赫兹光谱研究 . 浙江理工大学, 2010. 基于太赫兹时域光谱技术的农药定性和定量分析 . 浙江大学. 2010 损宽频高双折射太赫兹光子带隙光纤 . 物理学报 . 2011年09期 GaP波导型发射器产生频率可调谐太赫兹脉冲 . 物理学报 . 2012(03) 菊酯农药的太赫兹时域光谱定性和定量检测 光谱学与光谱分析201232(05):1184-1188
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不同晶形呋喃苯胺酸的太赫兹光谱研究
terahertz 2009-12-28 20:47
药物的多晶型现象， 即同一物质具有两种或两种以上的空间排列和晶胞参数， 生成完全不同类型的晶体。 制备并测量了呋喃苯胺酸 五种不同的 同质多晶变体在 0.2-1.6 THz 频率范围内的吸收系数和折射指数的信息，并同直接购买的未处理的呋喃苯胺酸进行比较。 研究发现太赫兹光谱 技术具有鉴定 药物不同晶型的可能性，并且 在制药工业和质量控制领域的有潜在的应用前景。 Bull Korean Chem Soc 30 (10), (2009), 2265-2268 Cited by: 1, Conformational and Synthon Polymorphism in Furosemide (Lasix), CRYSTAL GROWTH DESIGN 10 (4): 1979-1989 APR 2010 2, Terahertz pulsed spectroscopy and imaging for pharmaceutical applications: A review INTERNATIONAL JOURNAL OF PHARMACEUTICS2011,417(1-2):48-60 3, Novel furosemide cocrystals and selection of high solubility drug forms JOURNAL OF PHARMACEUTICAL SCIENCES2012,101(2),664-680
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8-羟基喹啉及其金属络合物的太赫兹光谱
terahertz 2009-12-24 09:23
室温下获得了8-羟基喹啉及喹啉铝，喹啉铜，喹啉锌在 0.3 到1.8 THz范围的太赫兹吸收光谱。实验结果表明， 8-羟基喹啉在1.02, 1.48, 和1.77 THz 处出现明显的吸收特征。同时我们利用密度泛函理论得到0-10 THz的低频振动频率，并对其太赫兹频谱进行了解析。金属络合物在太赫兹频域内的明显不同的吸收 特征，表明了其对太赫兹频谱的敏感反应，其 太赫兹频谱 可以作为 鉴别的依据。因此利用太赫兹时域光谱技术可以对 8-羟基喹啉及其金属络合物进行检测和鉴别。 J. Mol. Struct. 936, (2009), 56-59 Cited by: 1, EPR investigation of two Cu(II) complexes with low symmetry JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS2010, 12: 1799-1804 2, Preparation of 8-hydroxyquinoline wires by decomposition of tris(8-hydroxyquinoline) aluminium JOURNAL OF EXPERIMENTAL NANOSCIENCE2012, 7: 578-585
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混合物的太赫兹定量分析
terahertz 2009-12-23 09:10
首先对间氨基酚和间硝基苯胺不同比例（10%，30%，50%，70%，90%）混合体系在0.3-2.0THz波段进行定量分析，分析结果与实际结果相对误差为8%。利用该方法对其他的二元体系（ 对苯二酚和邻硝基苯胺，对氨基苯酚和邻苯二胺， α-萘酚和β-萘酚）进行研究，结果显示，该方法能较好的确定物质混合的比例。 方法简单有效而且对样品无损。有可能成为生化物质成分分析的一种新手段。 J. Chem. Sci. 121(4), (2009), 515-520 Cited by: 1, Differentiation of illicit drugs with THz time-domain spectroscopy Nuclear Science and Techniques 21 (2010) 209–213 2, Terahertz spectroscopic uncertainty analysis for explosive mixture components determination using multi-objective micro-genetic algorithm ADVANCES IN ENGINEERING SOFTWARE 2011,42(9):649-659 3， 菊酯农药的太赫兹时域光谱定性和定量检测， 光谱学与光谱分析 201232(05):1184-1188
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爆炸物2,4-DNT和 2,6-DNT太赫兹光谱鉴定
terahertz 2009-12-21 21:03
二硝基甲苯（ Dinitrotoluene, DNT ）有六种异构体，其中主要的是 2, 4-DNT 和 2, 6-DNT ，他们 都是浅黄色结晶。利用太赫兹时域光谱测得了2,4-DNT和 2,6-DNT在0.3-2.0THz频谱范围的吸收谱和折射谱。实验发现2,4-DNT在0.44, 0.65THz处有新的特征吸收。借助高斯03程序对2,6-DNT进行结构优化和频率计算。2,6-DNT在1.09, 1.36和1.55 THz有三个明显吸收并被归因于分子间的相互作用。 Chin. J. Chem. 26(7), (2008), 1257-1261 Cited by: 1, Reversible Conformational Changes of PsbO Protein Detected by Terahertz Time-Domain Spectroscopy Chin. Phys. Lett. 2009, 26, 084204 2, Quantitative measurement of mixtures by terahertz time-domain spectroscopy J. Chem. Sci. 2009, 121, 515-520 3, Polymorphic Forms of Furosemide Characterized by THz Time Domain Spectroscopy Bull. Korean Chem. Soc. 2009, 30, 2265- 2268 4, Terahertz absorption spectra of 8-hydroxyquinoline and its some metal complexes J. Mol. Stru. 2009, 936, 56-59 5, Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solid Samples: Principles, Applications, and Challenges APPLIED SPECTROSCOPY REVIEWS2011,46, 636-679 6, Noninvasive Detection of Concealed Explosives: Depth Profiling through Opaque Plastics by Time-Resolved Raman Spectroscopy ANALYTICAL CHEMISTRY2011,83,8517-8523 7, Identifying Radix Curcumae by using terahertz spectroscopy OPTIK 2012, 123(13): 1129-1132
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