食品檢測中太赫茲時域光譜技術的應用

肖敏　丁燕　魏彥梅　韓立群

摘 要：在當今的食品檢測過程中，太赫茲時域光譜技術發(fā)揮著至關重要的作用。為實現(xiàn)此項技術的良好應用，本文特以紅薯淀粉中的明礬添加劑檢測為例，對太赫茲時域光譜技術的具體應用進行分析。希望通過本次的分析，可以為太赫茲時域光譜技術的應用與食品檢測質量的提升提供一定參考。

關鍵詞：太赫茲時域光譜技術，食品檢測，原理

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.16.027

在通過太赫茲時域光譜技術進行食品檢測的過程中，相關單位和技術人員一定要明確此項技術的主要原理，然后以此為依據(jù)，通過合理的方式來進行食品檢測。這樣才可以充分發(fā)揮出此項技術的應用優(yōu)勢，確保食品檢測效果。

1 太赫茲時域光譜技術主要原理概述

太赫茲區(qū)域屬于電磁領域中的一個組成部分，其頻域范圍在0.1～10 THz之間，波長在0.03～3.00 mm之間，屬于電磁頻域微波以及紅外之間的一個極小間隙，其主要優(yōu)點是穿透性強、低能性以及指紋譜性等[1]。在太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，主要的組成部分包括太赫茲發(fā)射器、超快脈沖激光器、時間遲延系統(tǒng)，以及太赫茲接收器等。具體應用時，超快脈沖激光器中發(fā)出的激光會從分束鏡中穿過，然后分為泵浦光以及探測光兩束。當泵浦光反射進入到延時裝置后，便會入射至GaAs發(fā)射天線表面，并在其表面上形成太赫茲脈沖，此脈沖會通過四個拋物面形式的反射鏡排列為一個8-F形式的共焦幾何結構。通過第一個反射鏡，可以對光束進行準直處理，使其成為平行光束，為了使太赫茲光束直徑被壓縮到樣本光束的大小，就需要進行第二面以及第三面拋物面反射鏡的設置，在光束離開了第三個反射鏡之后，會重新達到準直效果，并通過第四個反射鏡向太赫茲接收器聚集。此種8-F形式的共焦幾何結構可有效確保發(fā)射機和接收機的光束耦合效果，并實現(xiàn)太赫茲光束頻率的有效壓縮。在探測光從反射鏡通過并被其反射之后，也可以在太赫茲接收器上與泵浦光之間達到共同聚集效果。不斷調整延時裝置，便可實現(xiàn)太赫茲波形的完整獲得。

2 太赫茲時域光譜技術在食品檢測中的應用

為研究太赫茲時域光譜技術在食品檢測中的應用，本次主要對紅薯淀粉中的明礬添加劑檢測進行實驗。以下是本次食品檢測實驗中的太赫茲時域光譜技術具體應用分析。

本次實驗中，選擇的太赫茲時域光譜系統(tǒng)為Z3-XL系統(tǒng)。在通過該系統(tǒng)進行檢測的過程中，飛秒光脈沖會從半波片穿過，半透半反射分光束鏡會將該脈沖分為泵浦光以及探測光兩種；泵浦光會對大孔徑光導天線起到激發(fā)作用，從而形成太赫茲脈沖；在兩個拋物面鏡對其進行反射之后，太赫茲脈沖將會穿過被測樣品，將樣品信息加載其中，樣品的太赫茲信號也將由此形成[2]。借助于電光采樣原理，探測光可對太赫茲脈沖所具有的電場強度進行探測，提取其中的吸收系數(shù)、折射率等物理參數(shù)。表1為Z3-XL太赫茲時域光譜系統(tǒng)主要技術參數(shù)。

本次實驗中，選擇的紅薯淀粉以及明礬都是在上海阿拉丁試劑有限公司購進的固體粉末。將這兩種樣品混合后，通過太赫茲時域光譜系統(tǒng)進行紅薯淀粉中的明礬添加劑檢測。

2.1 實驗操作

實驗檢測中，需要按照設計好的比例分別稱取紅薯淀粉以及明礬，通過瑪瑙研體對其實施進一步的研磨，以此來降低顆粒所導致的散射效應。然后通過漩渦振蕩器將研磨好的紅薯淀粉和明礬混合均勻，將其放置到壓片機上，在6 t壓力下壓5 min，使其形成一個厚度約1 mm、直徑是13 mm的圓形均勻薄片，其表面應光滑、透明，兩個端面要保持平行，且不可出現(xiàn)裂隙。按照Dornry等的研究結論，在對樣品進行太赫茲波段光學參數(shù)模型獲取時，如果樣品比較厚，在太赫茲時域光譜中，主波峰值便可與第一個回波峰值達到良好的分離效果，在這樣的情況下，僅僅通過主波峰信息，便可實現(xiàn)所需光學參數(shù)的獲得。本次實驗中，假設太赫茲波束在樣品表面垂直入射，檢測中，首先需要對樣品沒有放置時的太赫茲波形R（t）進行掃描，并將其用作參考信號波形；然后將樣品放上，再對測得的樣品信號波形S（t）進行掃描；再分別通過傅里葉變換來實現(xiàn)相應頻域波形R（ω）以及S（ω）的獲得；最后通過以下公式來進行計算：

其中， （ω）代表樣品折射率； （ω）代表樣品吸收系數(shù)； （ω）代表樣品信號與參考信號之間的相位差；ρ（ω）代表樣品信號與參考信號之間的振幅比；d代表樣品厚度；c代表光速；ω代表角傾率。

2.2 實驗結果與討論

本次實驗中，為提升測量精度，降低誤差，特對樣品信號以及參考信號分別進行了三次時域信號測量，然后將三次測量結果的平均值用作實驗結果。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，在純淀粉厚度為1.426 mm、純明礬厚度為1.331 mm時，其太赫茲波均具有顯著衰減的幅度，主要衰減來源是樣品內(nèi)部吸收以及表面反射，且淀粉與明礬的太赫茲時域信號在時間上的延時都較參考信號顯著，之所以出現(xiàn)這樣的情況，是由于兩者的折射率均比空氣折射率大。而厚度較小的明礬樣品反而具有比淀粉樣品更大的信號延時，這是由于明礬具有更大的折射率。在0.3～1.2 THz頻段范圍內(nèi)，淀粉以及明礬對于太赫茲波都具有較大的吸收率，且在高頻部分，明礬比淀粉具有更大的吸收率，從而導致兩者頻譜出現(xiàn)交叉，在從樣品透射過之后，所有在1.0 THz以上的太赫茲信號幅度幾乎都衰減至零。根據(jù)給出的公式，可對淀粉以及明礬的吸收系數(shù)譜以及折射率譜做出科學計算。而通過兩者的吸收系數(shù)譜可知，在0. 3～1. 2 THz頻段范圍內(nèi)，明礬的顯著吸收峰有三個，其對應頻率分別為0.951 THz、1.043 THz以及1.115 THz。這些可用作太赫茲波段中對明礬進行定性識別的“指紋”信息，但是在該頻段范圍內(nèi)，淀粉對于太赫茲波并沒有較高的吸收率，其吸收峰也并不明顯。通過明礬與淀粉的折射率譜發(fā)現(xiàn)，在0.2～0.9 THz這一頻段范圍內(nèi)，明礬折射率并未出現(xiàn)顯著變化，基本保持在2.1左右，淀粉折射率則約為1.8。明礬比淀粉折射率大，這一情況可對明礬在時域圖中的延時比淀粉大做出進一步驗證[3]。

為定量分析淀粉中的明礬含量，實驗中分別稱取了一定量的淀粉以及明礬，并進行淀粉與明礬的混合物壓片制作，其中的明礬含量分別設置為10%、20%、30%以及40%，然后按照上述方式進行實驗。經(jīng)實驗獲得的吸收系數(shù)譜發(fā)現(xiàn)，明礬的吸收峰值有三個，其對應的太赫茲頻率分別為0.951 THz、1.043 THz以及1.115 THz，且在明礬含量的增加中，其吸收峰的位置并不改變，只有吸收峰幅度隨之增加，因此，在具體檢測中，可通過明礬吸收峰幅度來判斷其含量。經(jīng)實驗獲得的折射率譜發(fā)現(xiàn)，明礬比淀粉折射率大，在明礬含量逐漸增加時，其折射率曲線呈現(xiàn)出逐漸上移趨勢，因此，在具體檢測中，可通過混合物折射率來定量計算明礬含量[4]。

3 結論

綜上，太赫茲時域光譜技術是當今食品檢測中的一種常用技術。在通過此項技術進行食品檢測時，相關單位與技術人員需要根據(jù)實際情況與實際檢測需求，對檢測設備加以合理選擇，并做好待測樣品的制備，然后對此項檢測技術加以合理應用。通過這樣的方式，才可以實現(xiàn)食品檢測結果的科學獲取，為食品安全提供良好保障。

參考文獻

[1]賈一凡，孟哲，宋亞娟.超聲波技術在食品檢測中的應用[J].食品安全導刊，2022（29）：162-164.

[2]鄭麗源.食品安全檢測技術在食品質量安全中的應用研究[J].食品安全導刊，2022（29）：181-183.

[3]吳靜珠，李曉琪，孫麗娟，等.太赫茲時域光譜及成像技術在農(nóng)作物品質檢測中的應用研究進展[J].光譜學與光譜分析，2022，42（2）：358-367.

[4]成立， 夏彥衛(wèi)， 高樹國，等.太赫茲時域光譜技術在絕緣紙板微水含量檢測中的應用分析[J] .智慧電力，2020，48（8）：104-109.

作者簡介

肖敏，碩士，講師，主要從事生物學教學及研究工作。

（責任編輯：張佩玉）