太赫茲技術(shù)及其在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

鄧曉娟

【摘要】太赫茲輻射的頻率范圍為0.1～10THz之間，處于光學(xué)和電子學(xué)的交界處，其具有攜帶豐富的信息量，低光子能量特性，高時(shí)空相干性等特性，太赫茲具有潛在的研究和使用價(jià)值。近年來(lái)，太赫茲技術(shù)正從多個(gè)實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用中，包括航空航天、爆炸物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)檢測(cè)，同時(shí)也在農(nóng)產(chǎn)品及食品質(zhì)量檢測(cè)中得以應(yīng)用，并取得良好的研究成果。本文從太赫茲光譜簡(jiǎn)介，太赫茲光譜的特性及關(guān)鍵技術(shù)，并以食品檢測(cè)的取得成果為例，分析總結(jié)了太赫茲技術(shù)，從而得出了太赫茲技術(shù)具有潛在的研究?jī)r(jià)值也可以在現(xiàn)實(shí)中得以應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞]太赫茲技術(shù)；特性；食品質(zhì)量；無(wú)損檢測(cè)

太赫茲波屬于電磁波譜中紅外波和微波之間的波段，通常被稱為遠(yuǎn)紅外波段，位于電子和光子能量之間，因此屬于電子學(xué)和光學(xué)的交叉學(xué)科。

之前太赫茲的產(chǎn)生和探測(cè)設(shè)備不夠成熟，造成20世紀(jì)八十年代對(duì)太赫茲的探測(cè)和研究具有局限性。然而，電磁波端中，位于太赫茲兩端的紅外波和微波技術(shù)已相當(dāng)成熟，對(duì)于太赫茲波段的研究仍是一個(gè)“空白”，這就是科學(xué)家所謂的“太赫茲空隙”。近年來(lái)，超快的激光技術(shù)迅速發(fā)展，也使得太赫茲技術(shù)取得突破性的進(jìn)展，太赫茲技術(shù)和設(shè)備的完善，使得太赫茲技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域成為太赫茲光譜研究的熱點(diǎn)，被列為未來(lái)改變世界的十大技術(shù)之一，被稱為“21世紀(jì)為太赫茲時(shí)代”。

由于太赫茲波段的特殊性，其具有諸多不同的特性，這使得太赫茲技術(shù)在傅里葉遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)和微波技術(shù)得到互補(bǔ)作用。太赫茲很多領(lǐng)域軍事及工業(yè)領(lǐng)域有相當(dāng)重要的作用，經(jīng)過(guò)不斷地拓展研究將會(huì)在生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、農(nóng)業(yè)方面取得突破性的進(jìn)展。

1太赫茲技術(shù)及其發(fā)展

太赫茲技術(shù)主要包括太赫茲光譜技術(shù)和太赫茲成像技術(shù)，太赫茲光譜技術(shù)富有豐富的化學(xué)和物理信息，因此研究太赫茲光譜對(duì)于物理學(xué)的研究具有非常重大的意義。太赫茲成像技術(shù)包括近場(chǎng)成像、太赫茲連續(xù)波成像技術(shù)等，可應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。太赫茲光譜技術(shù)是利用飛秒超快激光來(lái)獲取太赫茲的相干探測(cè)，通過(guò)太赫茲脈沖在樣品上的投射或反射，直接獲取樣品的時(shí)域信息，然后進(jìn)行傅里葉變換得出頻域分布波形，通過(guò)分析和計(jì)算與頻譜有關(guān)的數(shù)據(jù)得出被檢測(cè)樣本的光學(xué)參數(shù)（如吸收系數(shù)和折射率）。

太赫茲所處的特殊位置，使其具有非常重要作用，在學(xué)術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域備受各個(gè)國(guó)家的重視。在美國(guó)有十所大學(xué)在研究太赫茲，特別是美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在投入對(duì)太赫茲的研究。美國(guó)國(guó)家基金會(huì)、能源部和國(guó)家衛(wèi)生協(xié)會(huì)等從90年代就開(kāi)始投入對(duì)太赫茲的研究工作；日本于2005年1月8日，公布了日本十年的科學(xué)戰(zhàn)略計(jì)劃，將太赫茲技術(shù)列為十大項(xiàng)目之首；在英國(guó)的劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)等十幾所大學(xué)以及德國(guó)的若干所大學(xué)都積極開(kāi)展對(duì)太赫茲的研究工作。歐洲國(guó)家還利用歐盟資金組織了一個(gè)跨國(guó)家的學(xué)科參加的大型合作項(xiàng)目；在亞洲國(guó)家和地區(qū)，國(guó)立新加坡大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣“清華大學(xué)”都開(kāi)展對(duì)太赫茲的研究，并發(fā)表了多篇論文。

由中國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高平均功率太赫茲自由激光裝置（CTFEL）在四川成都首次亮相，經(jīng)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)真實(shí)可靠且穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)太赫茲技術(shù)從此進(jìn)入了自由電子激光時(shí)代。此裝置可以在太赫茲頻率為1.99THz、2.41THz和2.92THz三個(gè)頻率點(diǎn)正常運(yùn)行，平均功率可超過(guò)10W，最大值可達(dá)到17.9W；微脈沖峰值功率超過(guò)0.5mW，最高實(shí)現(xiàn)0.84mW。通過(guò)調(diào)節(jié)電子束和磁場(chǎng)強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)輸出激光連續(xù)可調(diào)。CTFEL裝置是依托科技部支持的國(guó)家重大儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“相干太赫茲源科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目。作為一種新型的相干太赫茲源，此裝置在材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

2太赫茲波的特性

太赫茲是一種具有優(yōu)勢(shì)的輻射源，該技術(shù)領(lǐng)域是一個(gè)具有重要的交叉領(lǐng)域，對(duì)于技術(shù)創(chuàng)新、國(guó)家安全等提供了一個(gè)極大的機(jī)遇。這源自太赫茲的獨(dú)特性質(zhì)。

（1）瞬態(tài)性。太赫茲脈沖的脈寬在皮秒量級(jí)，有利于對(duì)各種物質(zhì)進(jìn)行時(shí)間的辨別研究，如液體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、生物品。還能夠有效的抑制背景噪聲，提高信噪比遠(yuǎn)高于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，且具有良好的穩(wěn)定性。

（2）吸收性和諧振性。很多極性分子如水分子、氨分子等的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率在太赫茲波段內(nèi)轉(zhuǎn)，因此太赫茲波表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收和諧振性。通過(guò)它們的特征分析可以得出物質(zhì)成分或者進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，太赫茲光譜技術(shù)在研究極性分子方面有廣闊的應(yīng)用前景。太赫茲輻射能用較低的損耗穿透如陶瓷、塑料、脂肪、布料等非極性物質(zhì)，還可以無(wú)損穿透墻壁、布料，用來(lái)對(duì)已經(jīng)包裝過(guò)的物品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和安全檢查。

（3）相干性。太赫茲相干測(cè)量技術(shù)測(cè)量出電場(chǎng)的振幅和相位，可以方便提取樣品的折射率和吸收系數(shù)可以大大簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程，提高可靠性和精確度。

（4）寬帶性。太赫茲脈沖通常只包含若干個(gè)周期電磁振蕩，但單個(gè)的脈沖頻帶范圍比較寬，可以在較大范圍內(nèi)分析光譜特性。

（5）低能性。太赫茲光子能量比較低只有毫電子伏特，與x射線相比它不會(huì)破壞被檢測(cè)物，因此可以被用來(lái)做無(wú)損檢測(cè)。

（6）吸水性。太赫茲輻射容易被水吸收，因此可以通過(guò)檢測(cè)生物體內(nèi)部水分的含量，發(fā)現(xiàn)并確定異常的位置。

（7）指紋譜性。太赫茲光譜技術(shù)富有豐富的化學(xué)和物理信息，很多極性分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率在太赫茲波段內(nèi)，所以根據(jù)太赫茲的指紋譜，太赫茲光譜成像技術(shù)可以辨別物體的形貌，分析物體的物理和化學(xué)性質(zhì)，為反恐、排爆、緝毒提供了理論依據(jù)和相關(guān)技術(shù)支持。

3太赫茲技術(shù)在食品質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用

隨著科技的飛速發(fā)展，人們的生活水平也有了顯著的提升，人們對(duì)日常生活的要求及食品質(zhì)量的關(guān)注度也越來(lái)越高。因此，保證食品的質(zhì)量是必要的，這就需要技術(shù)來(lái)支持食品的質(zhì)量檢測(cè)。當(dāng)下，備受科學(xué)界矚目的太赫茲技術(shù)，其完善的理論成果和技術(shù)支持能很好運(yùn)用于食品質(zhì)量檢測(cè)，如對(duì)油的質(zhì)量（未使用油和地溝油的區(qū)分）、肉類、農(nóng)藥殘留、食品添加劑的檢測(cè)。本文使用太赫茲技術(shù)檢測(cè)，其結(jié)果說(shuō)明太赫茲技術(shù)在食品質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用是可行的。

3.1太赫茲技術(shù)在肉制品檢測(cè)中的應(yīng)用

在日常生活當(dāng)中，辨別肉品質(zhì)的優(yōu)劣通過(guò)觀察肉的顏色、亮度、大理石紋來(lái)確定肉的好壞，這是最直觀的判斷。符合人們的要求的肉制品才具有良好使用價(jià)值。

太赫茲成像技術(shù)通過(guò)透射譜和反射譜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品信息記錄并對(duì)其進(jìn)行分析和處理，最終獲得樣品的太赫茲圖像。太赫茲成像具有較強(qiáng)的穿透力，光子能量低，可區(qū)分樣品的結(jié)構(gòu)和種類，對(duì)水分子的吸收比較敏感，可得到高分辨率的圖像。

根據(jù)太赫茲波成像系統(tǒng)，太赫茲的信號(hào)對(duì)豬肉樣本來(lái)說(shuō)是非常小的，這樣的信號(hào)很容易受自身攜帶的太赫茲脈沖中的噪聲干擾，鎖相放大器的信息不能正確接受和放大，而搭建的太赫茲差異光譜系統(tǒng)可以直接測(cè)量參考脈沖和信號(hào)脈沖之間的不同，從而獲得光譜太赫茲成像樣品不是固定的。鎖相放大器可以直接測(cè)量樣品和參考樣品的差異來(lái)獲得太赫茲光譜的樣品。

利用太赫茲技術(shù)對(duì)肉制品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，由于瘦肉相對(duì)于肥肉而言，對(duì)太赫茲射線吸收幾乎是透明的，可利用此特性對(duì)使用太赫茲裝置來(lái)區(qū)分肉的肥瘦。太赫茲輻射的光子能量一般只有幾毫伏特，可以對(duì)人體和其它生物進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。太赫茲輻射對(duì)水的穿透力很差，可以利用此特性確定含水量，對(duì)于已包裝好的食品可以確定水的含量來(lái)判斷其新鮮程度。不僅可以獲得樣品的光譜強(qiáng)度，也可以獲得相位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封包裝的三維成像。

3.2太赫茲技術(shù)在食用油檢測(cè)中的應(yīng)用

近年來(lái)，在食品安全事件中，地溝油對(duì)人體的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的，因此遏制地溝油重返餐桌對(duì)人體造成危害，不僅是政府部門的責(zé)任，我們每個(gè)人都應(yīng)該提高警惕。近年來(lái)對(duì)地溝油的檢測(cè)有多種方法，簡(jiǎn)單的方法不夠全面，而復(fù)雜的方法對(duì)與高度提純的地溝油，缺乏精確的檢測(cè)，不能作為地溝油檢測(cè)的有效手段。截至2012年1月，政府部門征集到了300多種地溝油檢測(cè)的方法，經(jīng)評(píng)估這些方法均不能完全精確地檢測(cè)地溝油，其成功率最多在75%以上。

近年來(lái)太赫茲光譜技術(shù)的發(fā)展日，結(jié)合其對(duì)生物分子的相應(yīng)具有特異性的特點(diǎn)，為地溝油的檢測(cè)提供了有效的途徑。寶日瑪?shù)葴y(cè)量了普通的食用油和多種地溝油的太赫茲光譜得出了試驗(yàn)樣品在0.16～0.96THz的折射譜和吸收譜，定性分析地溝油和植物油在不同頻率上的光譜差異。詹洪磊等利用寶日瑪?shù)玫降墓庾V信息進(jìn)一步結(jié)合統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)鑒別地溝油和植物油，利用0.16～1.3THz的頻域吸收譜進(jìn)行聚類分析。隨機(jī)選擇兩種地溝油作為驗(yàn)證，其余的樣品進(jìn)行聚類，采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)驗(yàn)證樣品進(jìn)行判定，并成功將兩種油判定為地溝油。廉飛宇等做了兩組檢測(cè)地溝油的實(shí)驗(yàn)：（1）將反復(fù)烹炸過(guò)的熟油（地溝油）和未使用過(guò)的植物油（大豆油）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種油在太赫茲波段的折射率和吸收率有明顯的差異，它們的吸收率明顯不同，熟油（地溝油）有兩個(gè)吸收峰分別在1.33THz和1.47THz處，植物油（大豆油）沒(méi)有吸收峰，變化比較平穩(wěn)。由于熟油（地溝油）的特殊成分，使其折射率和吸收率不穩(wěn)定，由此差異可以檢測(cè)出地溝油。（2）對(duì)未使用過(guò)的花生油、輕微烹炸過(guò)的花生油、多次烹炸過(guò)的花生油進(jìn)行了時(shí)域譜的分析，得出花生油烹炸的次數(shù)越多，其時(shí)域譜時(shí)延越大，幅度逐漸變小。最后將花生油的時(shí)域譜進(jìn)行傅里葉變換，得出的太赫茲頻域普不同，隨著烹炸次數(shù)的增加，太赫茲頻譜成降低趨勢(shì)。

由此實(shí)驗(yàn)得出利用太赫茲光譜技術(shù)的不同性質(zhì)來(lái)區(qū)分出地溝油的方法是可行的。太赫茲技術(shù)檢測(cè)地溝油將是一種有效的方法，未來(lái)使用這種方法可以快速實(shí)現(xiàn)檢測(cè)地溝油。

3.3太赫茲技術(shù)在食品添加劑檢測(cè)中的應(yīng)用

根據(jù)我國(guó)衛(wèi)生法（1995年）的規(guī)定，食品添加劑是為了改善食品的色、香、味等品質(zhì)，以及為防腐和加工工藝的需，在食品中加入人工合成或天然物質(zhì)。但是很多商家為了保證食物的口感和保存時(shí)間，過(guò)量加入食品添加劑，實(shí)現(xiàn)其盈利的目的。人們長(zhǎng)期使用這種含有過(guò)量食品添加劑的物質(zhì)，身體健康將會(huì)受到嚴(yán)重的威脅。因此，需要開(kāi)發(fā)操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短、可以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè)來(lái)完成食品質(zhì)量安全的檢測(cè)技術(shù)。

太赫茲技術(shù)在添加劑領(lǐng)域的應(yīng)用檢測(cè)是近幾年研究的熱點(diǎn)。Zhao等研究了羥基苯甲酸甲酯的透射光譜對(duì)羥基苯甲酸甲酯在7.8K時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)太赫茲的吸收峰，并根據(jù)函數(shù)密度理論模擬太赫茲光譜。張曼等針對(duì)“麥樂(lè)雞”添加劑中有一種化學(xué)成分特丁基對(duì)苯二酚（TBHQ）含量超標(biāo)，應(yīng)用太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其做定性識(shí)別。測(cè)得該化學(xué)成分在0.2～2.2THz的吸收率和折射率曲線，并將其不同比例與面粉均勻混合，測(cè)得混合物和面粉在0.2～2.2THz的吸收譜，同時(shí)對(duì)TBHQ進(jìn)行理論的模擬對(duì)比。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明太赫茲波檢測(cè)TBHQ是可行的，為檢測(cè)食品添加劑提供了一種新型手段。夏焱等利用THz-TDs技術(shù)分別對(duì)吊白塊，增白劑及其混合物進(jìn)行光譜檢測(cè)，并獲得了三者在0.2～1.5THz的吸收譜和折射譜。由分析可知，增白劑在太赫茲波段存在特征吸收峰，這可以用太赫茲波段的指紋特征用于進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別；另外隨著混合物中吊白塊含量的增加，吸收系數(shù)逐漸下降，折射率逐漸增加；采用最小二乘（PLS）法對(duì)增白劑中吊白塊的含量進(jìn)行了定量分析。這些研究結(jié)果表明太赫茲技術(shù)在食品添加劑中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

4總結(jié)

隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展，其在食品檢測(cè)檢測(cè)領(lǐng)域也取得了進(jìn)展。但是要實(shí)現(xiàn)未來(lái)對(duì)食品中微量有害物質(zhì)的快速無(wú)損檢測(cè)和相似物的檢測(cè)，太赫茲技術(shù)需要進(jìn)一步得到發(fā)展，主要表現(xiàn)在：太赫茲技術(shù)的日漸成熟，系統(tǒng)設(shè)備逐漸穩(wěn)定，成本降低；檢測(cè)技術(shù)逐漸成熟能實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)；進(jìn)一步提高檢測(cè)技術(shù)，使其技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室真正應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中。在未來(lái)不斷地對(duì)太赫茲光譜技術(shù)進(jìn)行研究，充分利用其特殊性來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜技術(shù)的價(jià)值，更好的應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及航空航天、軍事事業(yè)中。在不久的將來(lái)太赫茲技術(shù)將會(huì)對(duì)人類做出巨大貢獻(xiàn)。