太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在毒品檢測(cè)中的研究進(jìn)展及應(yīng)用價(jià)值*

欒 藝，詹新宇，靳偉東 綜述，府偉靈，張 陽(yáng),3△ 審校

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院檢驗(yàn)科，重慶 400038；2.中山大學(xué)附屬佛山醫(yī)院檢驗(yàn)科，廣東佛山 528000；3.重慶市人民醫(yī)院檢驗(yàn)科，重慶 400013)

20世紀(jì)六十至七十年代，全球毒品非法交易額已僅次于軍火，毒品與毒品犯罪已然成為一個(gè)全球性的社會(huì)問(wèn)題，為此聯(lián)合國(guó)專(zhuān)門(mén)設(shè)立了毒品和犯罪問(wèn)題辦公室(UNODC)。最新公布的世界毒品報(bào)告顯示，過(guò)去1年里全球約有2.75億人至少使用過(guò)一種毒品，約45萬(wàn)人因?yàn)槲径劳?。廣東地區(qū)是我國(guó)毒品生產(chǎn)和販?zhǔn)鄣闹貫?zāi)區(qū)(僅次于我國(guó)毗鄰“金三角”的云南地區(qū))，84.60%的冰毒生產(chǎn)來(lái)源于此，且已逐漸形成了產(chǎn)、供、銷(xiāo)一體化的職業(yè)販毒體系。其中毒品的運(yùn)輸又分為人體藏毒(體內(nèi)或體表)和物流包裹[1]。可見(jiàn)在人流物流、交通運(yùn)輸?shù)劝矙z環(huán)節(jié)加大對(duì)毒品的檢查力度具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的毒品檢驗(yàn)方法主要包括：(1)用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢驗(yàn)的安檢門(mén)(X射線透射透視設(shè)備)、警犬等；(2)用于實(shí)驗(yàn)室定性定量的化學(xué)法、免疫法、光譜法、質(zhì)譜法、色譜法等[2]。當(dāng)發(fā)生人體藏毒等較為特殊的案件時(shí)，權(quán)力機(jī)關(guān)會(huì)選擇和當(dāng)?shù)蒯t(yī)院合作對(duì)嫌疑人進(jìn)行腹部平片、CT等影像學(xué)檢查，再進(jìn)一步采集嫌疑人血液或尿液等進(jìn)行檢驗(yàn)。但這種“有損”的強(qiáng)制檢查存在一些爭(zhēng)議。

目前，市面上投產(chǎn)應(yīng)用的篩查試劑種類(lèi)繁多，今年本院檢驗(yàn)科開(kāi)展了“嗎啡/甲基安非他明/氯胺酮/亞甲二氧基甲基安非他明/四氫大麻酚酸”五聯(lián)檢(膠體金法)，可對(duì)人體尿樣中常見(jiàn)毒品類(lèi)型及其代謝物或結(jié)構(gòu)類(lèi)似物實(shí)現(xiàn)初篩。但是實(shí)驗(yàn)室檢查方法往往都存在相同的局限性，例如：(1)只能完成定性檢查，無(wú)法定量；(2)檢測(cè)陽(yáng)性的結(jié)果除了可能為吸食毒品所致外，還有很多臨床用藥所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，有可能會(huì)出現(xiàn)與預(yù)期事實(shí)不符的假陽(yáng)性結(jié)果[3]。

近年來(lái)，太赫茲(THz)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因其獨(dú)特的安全性、透視性、指紋譜性等特征逐漸進(jìn)入了人們的視野，不僅可以對(duì)毒品進(jìn)行成像，而且可以進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，在安檢領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。本文將圍繞THz技術(shù)用于毒品檢測(cè)的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用范例及未來(lái)展望展開(kāi)介紹。

1 THz波簡(jiǎn)介及其用于毒品檢驗(yàn)的理論基礎(chǔ)

THz波通常是指頻率在0.1～10.0 THz，波長(zhǎng)在3.0 mm至30.0 μm范圍內(nèi)的電磁波(1 THz=1 012 Hz)。它的頻率介于毫米波和紅外波之間如圖1所示，從能量角度劃分，它又恰好位于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域，其所處位置較為特殊。20世紀(jì)八十年代以前，由于缺乏高效的THz輻射源和檢測(cè)器，其一度成為電磁波譜中最后一段未被全面研究的內(nèi)容，稱(chēng)為“太赫茲空隙(THz Gap)”，隨后的八十年代中期，伴隨飛秒脈沖激光器等研究的飛速發(fā)展，THz光譜技術(shù)(如：THz時(shí)域光譜技術(shù)，THz-TDS)和成像技術(shù)逐漸被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域(安全檢查、醫(yī)療衛(wèi)生、食品檢測(cè)等)[6]。

圖1 電磁波譜示意圖

一方面包括毒品在內(nèi)的有機(jī)大分子，其分子間(或分子內(nèi))的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能級(jí)恰好處于在THz波段內(nèi)，從而在該頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生特征吸收光譜和結(jié)構(gòu)信息，可用以識(shí)別。另一方面，THz的光子能量低于各種化學(xué)鍵的鍵能，不會(huì)引起輻射傷害，即“無(wú)損”。同時(shí)，又對(duì)大部分電介質(zhì)材料和非極性物質(zhì)有較好的穿透性，能實(shí)現(xiàn)透視成像。綜上所述，基于THz波特性的時(shí)域光譜和成像的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，為毒品檢驗(yàn)提供了新的思路[4]。

2 THz技術(shù)及其在毒品檢驗(yàn)中的應(yīng)用范例

THz技術(shù)包括THz成像和THz光譜技術(shù)。根據(jù)是否依靠主動(dòng)THz源，可將THz成像技術(shù)分為：主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式THz成像是由光源發(fā)射THz波，遇被檢人或物后反射回信號(hào)進(jìn)行成像，其特點(diǎn)是信噪比高，圖像分辨率也就高，但價(jià)格相對(duì)昂貴；被動(dòng)式THz成像依據(jù)普朗克黑體輻射定律，對(duì)被檢人或物表面發(fā)射的THz波進(jìn)行成像[5]，其信噪比較低，圖像清晰度較差，但成本相對(duì)低廉，檢測(cè)效率高[6]。

THz光譜技術(shù)通常是指THz時(shí)域光譜 (THz-TDS)技術(shù)，其采用脈沖式時(shí)域相干測(cè)量，具有光譜帶寬大的特性，可提供物質(zhì)在THz波段的豐富光譜信息。THz-TDS主要由飛秒激光源、光電導(dǎo)天線或光整流晶體發(fā)射器、電光采樣探測(cè)器、時(shí)域延遲裝置和計(jì)算機(jī)組成。通過(guò)分光器將飛秒激光分為兩束:一束為泵浦光束，其用于產(chǎn)生THz波；一束為探測(cè)光束，其經(jīng)過(guò)延遲裝置與透射或者反射樣本后的THz光束共同入射到電光采樣探測(cè)器中，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析提取延時(shí)函數(shù)，得到時(shí)域光譜圖形，通過(guò)傅里葉變換可得到頻域光譜[7]。

2.1THz成像技術(shù)在毒品查驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用 THz波對(duì)于多數(shù)非極性包裝材料具有較高的穿透性，使用THz成像技術(shù)可以對(duì)隱藏在紙張、塑料、衣物內(nèi)的毒品進(jìn)行檢測(cè)。2003年，有學(xué)者率先報(bào)道使用THz參量振蕩器實(shí)現(xiàn)了在不拆開(kāi)信封的情況下，提取信封內(nèi)可疑物指紋譜來(lái)識(shí)別信封內(nèi)的毒品，并采用不同THz頻率對(duì)毒品可疑物進(jìn)行多光譜成像并以此區(qū)分信封內(nèi)的毒品可疑物的種類(lèi)[8-9]，這些研究使得工作人員切斷毒品藏匿在信封的運(yùn)輸途徑成為可能，見(jiàn)圖2。2009年，由這些研究轉(zhuǎn)化而來(lái)的檢測(cè)設(shè)備投入日本郵局試用[10]。與此大約同期的2007年，英國(guó)機(jī)場(chǎng)開(kāi)始使用頻率范圍在50 GHz-1 THz的成像安檢儀[11]。2006年，有學(xué)者利用THz成像技術(shù)和空間圖樣成分分析，完成了信封中MA、MDA、海洛因、乙?？纱蚝蛦岱鹊目焖贆z驗(yàn)[12]。2007年，ZHANG等[13]利用THz時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)MA、MDA、MDMA 3種毒品進(jìn)行了表征，并利用密度泛函理論計(jì)算出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的結(jié)果，同時(shí)將其與THz成像系統(tǒng)相結(jié)合，將多種毒品進(jìn)行了區(qū)分。

圖2 信封內(nèi)的毒品成像示意圖

2.2THz時(shí)域光譜技術(shù)在毒品定性、定量檢驗(yàn)的應(yīng)用 早在2003年，TADA等[14]就對(duì)鹽酸雷尼替丁的不同晶型進(jìn)行過(guò)表征。最初的研究從毒品粉末的定性檢測(cè)開(kāi)始(相關(guān)研究報(bào)道整理見(jiàn)表1)[8,15-18]，逐步引入多元的運(yùn)算模型和統(tǒng)計(jì)分析方法，例如2005年NING等[16]報(bào)道的使用密度泛函理論計(jì)算MA特征吸收譜，并將理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)吻合，提示二者可相互印證，檢測(cè)結(jié)果可靠。隨著THz技術(shù)及其數(shù)據(jù)挖掘工作的不斷進(jìn)展，2013年和挺等[19]認(rèn)為除了使用密度泛函理論外，還應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)驗(yàn)中干涉及包裝物對(duì)光譜的影響，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法對(duì)毒品光譜進(jìn)行定性定量識(shí)別。此外，因毒品的運(yùn)輸過(guò)程充斥著各種藏匿手段，單從理想狀態(tài)下(粉末、片劑)實(shí)現(xiàn)查驗(yàn)顯然是不夠的。2013年P(guān)UC等[20]將酒石酸、檸檬酸等覆蓋或浸泡在聚乙烯、棉花、絲綢、黏膠、滌綸、信封上，利用THz技術(shù)能夠完成識(shí)別和區(qū)分，該試驗(yàn)為隱匿藏毒的檢測(cè)提供了新的研究思路和理論基礎(chǔ)。

基于THz光譜技術(shù)對(duì)混合毒品進(jìn)行定量檢驗(yàn)時(shí)，主要采用朗伯-比耳定律和線性回歸等方法[21-22]，但其使用前提是混合物中的各個(gè)組分已知，然而毒品查驗(yàn)的實(shí)際工作中，面對(duì)的往往是“未知”。雖然已有很多學(xué)者，例如ZEITLER等[23]結(jié)合微變化算法對(duì)含有海洛因、MA等5種成分的毒品混合物實(shí)現(xiàn)了定量檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室的研究工作中取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但具體到實(shí)際應(yīng)用仍有一段距離。這同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明，加快建立有關(guān)毒品的THz圖像數(shù)據(jù)庫(kù)尤為重要。

表1 THz時(shí)域光譜技術(shù)在毒品定性的應(yīng)用研究

注:-表示無(wú)數(shù)據(jù)。

2.3THz時(shí)域光譜毒品數(shù)據(jù)庫(kù)的建立 構(gòu)建和完善毒品的THz光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，是實(shí)現(xiàn)利用THz譜圖快速鑒別毒品的重要途徑，也是THz光譜技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的必由之路。在數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)工作中，他們通過(guò)比較同一個(gè)樣品在不同THz時(shí)域光譜儀、以及傅里葉紅外光譜儀上進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，并和國(guó)際上已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)作比較，得到較為一致的結(jié)果，認(rèn)定數(shù)據(jù)可靠。該數(shù)據(jù)庫(kù)于2013年報(bào)道收錄了包括甲基苯丙胺類(lèi)、海洛因、嗎啡、咖啡因等在內(nèi)的38種毒品的THz光譜數(shù)據(jù)，包括吸收譜和折射率譜，是當(dāng)時(shí)國(guó)際上報(bào)道毒品種類(lèi)最多的數(shù)據(jù)庫(kù)[19]。

由此可見(jiàn)，利用THz成像技術(shù)可以通過(guò)安全無(wú)損的快速成像解決安檢現(xiàn)場(chǎng)的毒品查驗(yàn)工作，結(jié)合THz時(shí)域光譜技術(shù)可以同時(shí)對(duì)毒品進(jìn)行定性、定量檢測(cè)。利用THz技術(shù)對(duì)未知混合物定量檢測(cè)雖存在一定困難，但伴隨毒品數(shù)據(jù)庫(kù)的逐漸完善有望突破該技術(shù)瓶頸。

3 小結(jié)與展望

THz波因其處在電磁波譜中較為特殊的區(qū)域，同時(shí)具有安全性、透視性、指紋譜性等特點(diǎn)，因而在毒品檢驗(yàn)領(lǐng)域有著較為誘人的應(yīng)用前景。除了上文中提到的可以利用THz成像技術(shù)完成安檢現(xiàn)場(chǎng)的快速查驗(yàn)(毒品等危險(xiǎn)品)外，又因THz波在空氣中傳播距離較遠(yuǎn)，所以使用THz成像技術(shù)的檢測(cè)者和被檢者可以在間隔較遠(yuǎn)的距離進(jìn)行操作，其安全性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的放射線檢測(cè)。THz光譜技術(shù)在定性、定量檢測(cè)方面更是顯示出優(yōu)于色譜等傳統(tǒng)檢測(cè)方法的特點(diǎn)：能夠區(qū)分同種毒品的堿型和鹽型，這是色譜法所不能比擬的，相關(guān)研究已有報(bào)道[24-25]。如圖4所示的可卡因游離堿和鹽酸可卡因，兩種分子結(jié)構(gòu)極為類(lèi)似，使用色譜法無(wú)法區(qū)分，但利用THz光譜技術(shù)則可以區(qū)分開(kāi)來(lái)[4]。但THz光譜技術(shù)在實(shí)際的毒品檢驗(yàn)工作中也存在一定局限性，例如基于THz成像技術(shù)的儀器設(shè)備暫無(wú)法穿透金屬材料，有關(guān)毒品的THz光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建仍處于初級(jí)階段等。

圖4 可卡因游離堿與鹽酸可卡因的THz時(shí)域光譜比較

綜上所述，近年來(lái)快速發(fā)展的THz光譜技術(shù)在實(shí)現(xiàn)毒品現(xiàn)場(chǎng)快速篩查，以及定性定量檢測(cè)方面都有良好的應(yīng)用前景。THz光譜技術(shù)具有無(wú)損檢測(cè)、原位檢測(cè)等不可忽視的優(yōu)勢(shì)，目前可作為毒品緝查傳統(tǒng)方法的延展補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)驗(yàn)證?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著該領(lǐng)域研究的不斷深化，THz光譜技術(shù)能夠完善優(yōu)化當(dāng)前毒品檢驗(yàn)領(lǐng)域的不足，為緝查工作提供更科學(xué)全面的判別，做出更重大的貢獻(xiàn)。