太赫茲光譜技術(shù)在林業(yè)研究中的應(yīng)用

孫海軍, 徐　莉, 蔣　玲, 宣　艷, 高步紅, 杜麗婷, 唐　穎,閔輝華

(1. 南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析測試中心，江蘇　南京　210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，

江蘇　南京　210037；3. 南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇　南京　210037)

太赫茲光譜技術(shù)在林業(yè)研究中的應(yīng)用

孫海軍1, 2, 徐莉1, 蔣玲3*, 宣艷1, 高步紅1, 杜麗婷1, 唐穎1,閔輝華1

(1. 南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析測試中心，江蘇南京210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，

江蘇南京210037；3. 南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210037)

摘要：綜述了太赫茲(THz)光譜技術(shù)在林產(chǎn)品品質(zhì)鑒定、木材加工業(yè)及林木生理研究等林業(yè)科學(xué)相關(guān)方向的最新研究成果，并展望了THz光譜技術(shù)及其與其他技術(shù)相結(jié)合在林木種質(zhì)、種苗質(zhì)量檢測、森林病蟲害預(yù)警及珍貴名木鑒定與分類等領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：太赫茲光譜；林業(yè)研究；品質(zhì)；病蟲害

文章編號(hào)：1001-7380(2015)05-0050-04

收稿日期：2015-07-13;修回日期:2015-07-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于松木葉綠素太赫茲指紋譜的松材線蟲病監(jiān)測研究”(31200541)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

作者簡介：孫海軍(1987-)，男，山東濰坊人，實(shí)驗(yàn)師，博士，研究方向：光譜學(xué)儀器應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)。E-mail：ww018150@163.com。

通信作者:*蔣玲(1978-),女,副教授,博士,主要從事太赫茲光譜學(xué)研究工作。E-mail:lingjiang 616@hotmail.com。

中圖分類號(hào)：S712；TH744.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-7380.2015.05.014

Application of terahertz spectroscopy technique

in forestry research

SUN Hai-jun1, 2, XU Li1, JIANG Ling3*, XUAN Yan1, GAO Bu-hong1, DU Li-ting1,

TANG Ying1, MIN Hui-hua1

(1. Advanced Analysis and Testing Center, Nanjing Forestry University,Nanjing 210037, China; 2. Collaborative

Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China of Jiangsu Province, Nanjing Forestry University,

Nanjing 210037, China; 3. College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Abstract：In this paper, we reviewed the application progress of terahertz(THz) spectroscopy technology in the research related to forestry science, i.e. quality identification of forestry products, wood-processing industry and physiology of forest tree. And we also suggested the potential application of THz technology on quality detection of tree germplasm and germchit, prewarning of forest diseases and insect pests, and identification and classification of precious trees.

Key words：THz spectroscopy; Forestry research; Quality; Diseases and insect pests

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1~10 THz(波長為3 000~30 μm)范圍內(nèi)的電磁波(1 THz=1012Hz)。其長波段方向與毫米波(亞毫米波)相重合，短波方向與紅外線相重合[1]。該波段的光譜包含豐富的物理和化學(xué)信息，因?yàn)樵S多分子間或分子內(nèi)的弱相互作用、偶極子的旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)躍遷及核酸大分子的骨架振動(dòng)等都與THz波頻率相對應(yīng)，其光譜和成像技術(shù)可以提供微波、紅外等光譜技術(shù)所不能提供的信息[2]。研究THz波與物質(zhì)的相互作用一般采用里得伯原子模型[3]，其基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生THz電場，通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，進(jìn)而通過特征頻率對物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和鑒定。THz光譜技術(shù)還可以成像，即將樣品的透射譜與反射譜所記錄的信息(包括振幅和相位的二維信息)進(jìn)行處理和分析，從而獲得樣品的THz圖像。

THz光譜技術(shù)之所以引起研究者的興趣，重要的原因是其具有透視性、安全性、空間分辨率高、指紋譜性等獨(dú)有的性質(zhì)[4-6]。由于生物分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷能級落在THz頻段，且THz波能量低，對生物分子來說屬于安全射線，不會(huì)造成生物分子的結(jié)構(gòu)與活性破壞，因此THz技術(shù)廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。水分子為極性分子，對THz波吸收強(qiáng)烈[7]。此外，THz波光譜技術(shù)還可以用來鑒別和區(qū)分有機(jī)分子的不同構(gòu)型和構(gòu)象[8]。這些性質(zhì)使得THz光譜技術(shù)在林業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景?；赥Hz光譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)和其獨(dú)有性質(zhì)，并結(jié)合林業(yè)科學(xué)研究特點(diǎn)，本文綜述了THz光譜技術(shù)在林產(chǎn)品品質(zhì)鑒定、木材加工業(yè)及林木生理等方面的研究進(jìn)展，并展望了THz光譜技術(shù)應(yīng)用于林木種質(zhì)、種苗無損檢測及與其他技術(shù)結(jié)合檢測森林病蟲害入侵及珍貴名木等方面的應(yīng)用。

1THz光譜技術(shù)在林產(chǎn)品品質(zhì)鑒定中的應(yīng)用

核桃、橙子、植物油等林產(chǎn)品富含人體必需的微量元素，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，因此對林產(chǎn)品品質(zhì)(如是否有病蟲害、農(nóng)藥殘留等)的無損檢測至關(guān)重要。李斌等[9]利用THz光譜對水等極性分子的強(qiáng)吸收特性，初步進(jìn)行了山核桃蟲害檢測。結(jié)果表明：與無蟲害山核桃切片相比，由于活體害蟲含水量較高，感染蟲害的山核桃切片具有明顯的THz光譜吸收。該研究表明THz光譜技術(shù)在檢測山核桃內(nèi)部蟲害方面具有較好的應(yīng)用潛力。戚淑葉等[10]同樣以山核桃為研究對象，探討了THz光譜技術(shù)應(yīng)用于山核桃變質(zhì)情況及殼厚測量等的研究，分別從山核桃的物理、化學(xué)指標(biāo)的THz光譜響應(yīng)特征差異入手，實(shí)現(xiàn)了核桃品質(zhì)的無損檢測，并將其應(yīng)用于山核桃無損分級。此外，植物油的脂類有機(jī)大分子對THz輻射具有特異性吸收，具備在THz波段的識(shí)別基礎(chǔ)，可通過THz技術(shù)進(jìn)行鑒別和定性分析[11]。李建蕊等[12]利用THz光譜技術(shù)研究了山茶油、麻油與橄欖油在0.3~1.5 THz波段的吸收特性，然后利用迭代算法計(jì)算，獲得其折射率和吸收系數(shù)。該研究成果為植物油的成分分析及質(zhì)量評價(jià)提供了依據(jù)。

在食品安全必須嚴(yán)重關(guān)注的今天，快速、準(zhǔn)確、可靠的農(nóng)藥檢測及成分識(shí)別具有重要的意義。THz光譜技術(shù)具有能量低、頻譜寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來在農(nóng)藥檢測方面的應(yīng)用越來越多。王強(qiáng)等[13]對橙子、香蕉和蘋果3種水果及其與殺菌劑噻菌靈農(nóng)藥的混合樣品進(jìn)行了THz光譜測試，獲得了其在0.2~1.5 THz波段的折射率和吸收譜圖。結(jié)果表明，THz吸收譜中吸收峰的位置和幅值與樣品種類和農(nóng)藥含量不同顯著相關(guān)。以3種水果樣品的THz吸收光譜的一階導(dǎo)數(shù)作為特征分類數(shù)據(jù)，用主成分分析方法進(jìn)行鑒別，樣品分類鑒別正確率達(dá)100%。此外，謝正文等[14]利用THz光譜技術(shù)檢測獲得橙子和多菌靈混合樣品在0.3~1.5 THz波段的吸收譜，利用多元線性回歸技術(shù)對混合物吸收光譜進(jìn)行分析，可以計(jì)算出混合物中多菌靈的含量。

樟腦是一種理想的防蟲、防蛀、防霉與防腐劑，已廣泛應(yīng)用于衣物、標(biāo)本、檔案與圖書等的貯存保護(hù)。天然樟腦是從樟樹的枝椏、木片、根部、樟葉等部位提取和從樟油中提煉制得，而劣質(zhì)的樟腦丸都不同程度地?fù)接袑Χ缺胶洼粒湮：Σ谎远?。朱守明等[15]采用THz光譜技術(shù)分析了樟腦、對二氯苯和萘3種防蛀劑及其混合物的光學(xué)性質(zhì)及光譜特性，根據(jù)其折射率和吸收譜，從新的角度了解它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而使判斷樟腦丸的質(zhì)量優(yōu)劣成為可能。這也為進(jìn)一步利用THz時(shí)域光譜技術(shù)來研究林產(chǎn)品與其他有機(jī)化工產(chǎn)品之間的弱相互作用提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。

2THz光譜技術(shù)在木材工業(yè)中的應(yīng)用

木材是一種非極性的非金屬材料，在光學(xué)頻段是不透明的，但其在THz波段是透明的。利用THz波的透視性及空間分辨率高的優(yōu)勢，通過分析THz脈沖透過木材前后光譜特性的變化或通過THz成像可以實(shí)現(xiàn)木材的無損檢測。水分對THz波有較大吸收率，水?dāng)U散到裂縫中，木材的纖維結(jié)構(gòu)與節(jié)子會(huì)明顯地顯示出來，因此采用THz波斷層成像技術(shù)可以判斷木材內(nèi)部是否腐朽、空洞以及木節(jié)子的分布情況，但對其內(nèi)部微小缺陷無法檢測[16]。岳楨干[17]利用THz成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了木材密度與厚度的無損檢測。張旭等[18]采用改進(jìn)的THz光譜系統(tǒng)，基于應(yīng)力光學(xué)定律，利用THz波技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對木材等材料內(nèi)部應(yīng)力的探測。此外，馬欣然等[19]綜合介紹了THz光譜技術(shù)在木材光學(xué)特性、含水率測定及木結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱藏缺陷的無損檢測等方向的系列研究成果。

目前利用THz光譜技術(shù)進(jìn)行木材光學(xué)特性的研究主要包括THz波與木材介質(zhì)的相互作用機(jī)理，THz波在木材中的傳播特性與木材組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和雙折射等。加拿大Alberta大學(xué)以云杉為例，利用THz光譜技術(shù)測量其雙折射特性，實(shí)現(xiàn)了對木制品內(nèi)纖維取向的測定[20]。德國Koch等[21]利用THz成像技術(shù)建立了山毛櫸亞年輪空間分辨率的密度圖，根據(jù)投射數(shù)據(jù)和重量體積法得到的數(shù)據(jù)，通過線性擬合校正，得到密度(n)和吸收率(αd)之間的關(guān)系：n=0.145 g/cm3×αd。利用這個(gè)關(guān)系，可以直接將THz投射圖像轉(zhuǎn)換為木材樣品的密度圖。Jackson等[22]也通過THz成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了木材年輪的分析。UNBC(北英屬哥倫比亞大學(xué))的物理學(xué)家Reid等[23]基于THz波可以檢測木材內(nèi)部的纖維素構(gòu)造，通過THz波透視木材，認(rèn)為在伐木時(shí)即可觀察到原木中被甲蟲等破壞的地方，從而減少木材加工過程中的時(shí)間與成本。

THz光譜技術(shù)還可以作為木質(zhì)素檢測的工具之一。木質(zhì)素廣泛存在于木材體內(nèi)，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。目前對于木質(zhì)素的生物活性與結(jié)構(gòu)、功能之間的關(guān)系還不是十分清楚。因此加強(qiáng)對木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的研究，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。THz光譜具有瞬態(tài)性的特點(diǎn)，而且THz脈沖的典型脈寬在Ps級，利用THz射線檢測木質(zhì)素，會(huì)大大提高時(shí)間和空間分辨率，可以實(shí)現(xiàn)對組織內(nèi)的木質(zhì)素進(jìn)行微損或無損探測[24]。

3THz光譜技術(shù)在林木生理研究中的應(yīng)用

THz射線與X-射線等相比，具有低能性的優(yōu)點(diǎn)，利用THz射線探測生物組織不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷。因此，THz射線可以作為一種探針，研究生物體內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)、生物成分與波譜特性等信息。特別是THz波對水分吸收敏感，因此可以表征樹葉等生物組織的水分、葉綠素的含量和分布，據(jù)此推斷生物體或組織的生物活性。

首先，利用THz光譜技術(shù)可以查看植物體內(nèi)水分的分布和運(yùn)輸去向，了解樹葉內(nèi)部水分含量及不同時(shí)段的變化，觀測植物根莖水分動(dòng)態(tài)的變化[25]。Hadjiloucas 等[26]利用THz輻射技術(shù)研究了葉片水分在0.1~ 0.5 THz頻段之間的頻譜，獲得了不同葉片的水分含量情況及影響因素，并實(shí)現(xiàn)了對不同水分含量的葉片的分類。Hu等[27]分別對新鮮樹葉和采摘48 h后樹葉進(jìn)行THz成像，根據(jù)樹葉不同部位對入射THz波的吸收強(qiáng)弱變化，透射光束的強(qiáng)度與圖像的色深成比例，利用THz圖像觀測葉片內(nèi)水分含量與分布。Jeong等[28]利用銀杏葉片的THz電子激光成像獲得的圖像與可見光透射圖像進(jìn)行對比，結(jié)果表明2種成像方法的區(qū)別主要源自水在2種頻率光下吸收系數(shù)的不同。古樹名木多是樹齡較大的過熟林木，生長勢衰弱，并均有不同程度的損傷。張艷潔[29]研究發(fā)現(xiàn)，THz透過率及水分蒸發(fā)量均與樹齡成反比，樹齡越大銀杏葉片水分的蒸發(fā)速率越低。結(jié)合電鏡成像技術(shù)，該研究還成功地將THz成像技術(shù)用于不同樹齡的古樹葉片成像分析，為古樹衰弱診斷等提供了新的方法。

其次，官能團(tuán)的THz光譜特性研究也是THz技術(shù)的一個(gè)重要方向，具有重要的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值[30]。葉綠素是一種鎂卟啉大分子雜環(huán)化合物，劉一客等[31]觀測了不同棕樹葉的葉綠素及類胡蘿卜素的THz指紋譜峰，發(fā)現(xiàn)3種棕樹葉的THz吸收峰均主要出現(xiàn)在低波數(shù)30~170 cm-1范圍，并鑒定了THz指紋譜峰。在棕樹葉的主要化學(xué)成分中，葉綠素的THz響應(yīng)強(qiáng)于類胡蘿卜素。李春[32]利用THz光譜儀和傅里葉變換紅外光譜儀研究了葉綠素樣品的THz光譜，并采用密度泛函DFT理論計(jì)算了葉綠素分子的THz吸收譜，在穩(wěn)定構(gòu)型的基礎(chǔ)上得到其頻率振動(dòng)光譜，并將其與試驗(yàn)光譜進(jìn)行了比對。這些研究方法可以作為植物光學(xué)研究及THz光譜研究的新方法，有助于科研工作者更加深入地了解植物的相關(guān)生理行為及生長狀況等。

4研究展望

將THz光譜技術(shù)應(yīng)用于林木種質(zhì)、種苗質(zhì)量的無損、快速檢測。生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率位于THz波段。不同質(zhì)量的林木種質(zhì)、種苗的碳水化合物、蛋白質(zhì)等含量不同，在THz波段范圍內(nèi)的相應(yīng)吸收特性也不同。運(yùn)用THz探測林木種質(zhì)、種苗，使其與內(nèi)部大分子產(chǎn)生共振，在特定的頻率處出現(xiàn)吸收峰，從而區(qū)別不同質(zhì)量的林木種質(zhì)、種苗。該技術(shù)在農(nóng)業(yè)種質(zhì)(如小麥、玉米、棉花等)檢測領(lǐng)域已成熟運(yùn)用[33-35]。

將THz光譜技術(shù)與遙感技術(shù)等結(jié)合，可應(yīng)用于森林病蟲害入侵預(yù)警等研究領(lǐng)域。中國森林病蟲害共有8 000 種以上，面積大發(fā)生，危害極為嚴(yán)重。遙感技術(shù)是一種先進(jìn)的空間信息獲取技術(shù)，在森林病蟲害監(jiān)測及預(yù)警方面具有優(yōu)勢，將其與受害林木實(shí)測光譜相結(jié)合研究具有重要意義[36-37]。利用不同受害類型及不同受害程度林木的葉綠素和水分含量不同而導(dǎo)致THz波段反射率的差異及變化特征[37-39]，可以為應(yīng)用遙感技術(shù)研究森林資源松材線蟲病等入侵及動(dòng)態(tài)變化過程提供試驗(yàn)依據(jù)。

將THz光譜技術(shù)與紅外光譜等技術(shù)互為補(bǔ)充，應(yīng)用于珍貴名木如酸枝、紫檀與黃花梨木等的鑒定與分類。通過探究不同名木的紅外、THz頻段的特征譜圖，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用于木材質(zhì)量控制與檢測。

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