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，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、醫(yī)學(xué)檢測，同時(shí)也在農(nóng)產(chǎn)品及食品質(zhì)量檢測中得以應(yīng)用，并取得良好的研究成果。本文從太赫茲光譜簡介，太赫茲光譜的特性及關(guān)鍵技術(shù)，并以食品檢測的取得成果為例，分析總結(jié)了太赫茲技術(shù)，從而得出了太赫茲技術(shù)具有潛在的研究價(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；無損檢測

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，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獲取太赫茲的相干探測，通過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，通過分析和計(jì)算與頻譜有關(guān)的數(shù)據(jù)得出被檢測樣本的光學(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)國家的重視。在美國有十所大學(xué)在研究太赫茲，特別是美國國家實(shí)驗(yàn)室也在投入對(duì)太赫茲的研究。美國國家基金會(huì)、能源部和國家衛(wèi)生協(xié)會(huì)等從90年代就開始投入對(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；在英國的劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)等十幾所大學(xué)以及德國的若干所大學(xué)都積極開展對(duì)太赫茲的研究工作。歐洲國家還利用歐盟資金組織了一個(gè)跨國家的學(xué)科參加的大型合作項(xiàng)目；在亞洲國家和地區(qū)，國立新加坡大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣“清華大學(xué)”都開展對(duì)太赫茲的研究，并發(fā)表了多篇論文。

由中國科學(xué)家自主研發(fā)的國內(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10W，最大值可達(dá)到17.9W；微脈沖峰值功率超過0.5mW，最高實(shí)現(xiàn)0.84mW。通過調(diào)節(jié)電子束和磁場強(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家重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“相干太赫茲源科學(xué)儀器設(shè)備開發(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)，還可以無損穿透墻壁、布料，用來對(duì)已經(jīng)包裝過的物品進(jìn)行質(zhì)量檢測和安全檢查。

（3）相干性。太赫茲相干測量技術(shù)測量出電場的振幅和相位，可以方便提取樣品的折射率和吸收系數(shù)可以大大簡化運(yùn)算過程，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)破壞被檢測物，因此可以被用來做無損檢測。

（6）吸水性。太赫茲輻射容易被水吸收，因此可以通過檢測生物體內(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)注度也越來越高。因此，保證食品的質(zhì)量是必要的，這就需要技術(shù)來支持食品的質(zhì)量檢測。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，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。本文使用太赫茲技術(shù)檢測，其結(jié)果說明太赫茲技術(shù)在食品質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用是可行的。

3.1太赫茲技術(shù)在肉制品檢測中的應(yīng)用

在日常生活當(dāng)中，辨別肉品質(zhì)的優(yōu)劣通過觀察肉的顏色、亮度、大理石紋來確定肉的好壞，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)通過透射譜和反射譜來實(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)豬肉樣本來說是非常小的，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量樣品和參考樣品的差異來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，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)行無損檢測。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)在食用油檢測中的應(yīng)用

近年來，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。近年來對(duì)地溝油的檢測有多種方法，簡單的方法不夠全面，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，不能作為地溝油檢測的有效手段。截至2012年1月，政府部門征集到了300多種地溝油檢測的方法，經(jīng)評(píng)估這些方法均不能完全精確地檢測地溝油，其成功率最多在75%以上。

近年來太赫茲光譜技術(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)，為地溝油的檢測提供了有效的途徑。寶日瑪?shù)葴y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地溝油的實(shí)驗(yàn)：（1）將反復(fù)烹炸過的熟油（地溝油）和未使用過的植物油（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，由此差異可以檢測出地溝油。（2）對(duì)未使用過的花生油、輕微烹炸過的花生油、多次烹炸過的花生油進(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)來區(qū)分出地溝油的方法是可行的。太赫茲技術(shù)檢測地溝油將是一種有效的方法，未來使用這種方法可以快速實(shí)現(xiàn)檢測地溝油。

3.3太赫茲技術(shù)在食品添加劑檢測中的應(yīng)用

根據(jù)我國衛(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，過量加入食品添加劑，實(shí)現(xiàn)其盈利的目的。人們長期使用這種含有過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，需要開發(fā)操作簡單、檢測時(shí)間短、可以實(shí)現(xiàn)快速無損檢測來完成食品質(zhì)量安全的檢測技術(shù)。

太赫茲技術(shù)在添加劑領(lǐng)域的應(yīng)用檢測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)用太赫茲無損檢測技術(shù)對(duì)其做定性識(shí)別。測得該化學(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。通過該實(shí)驗(yàn)說明太赫茲波檢測TBHQ是可行的，為檢測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，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，其在食品檢測檢測領(lǐng)域也取得了進(jìn)展。但是要實(shí)現(xiàn)未來對(duì)食品中微量有害物質(zhì)的快速無損檢測和相似物的檢測，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；檢測技術(shù)逐漸成熟能實(shí)現(xiàn)快速檢測；進(jìn)一步提高檢測技術(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。在不久的將來太赫茲技術(shù)將會(huì)對(duì)人類做出巨大貢獻(xiàn)。