毒品檢測中的“新武器”——太赫茲技術

蘭州市公安局刑事科學技術研究所 王 靜

毒品檢測中的“新武器”
——太赫茲技術

蘭州市公安局刑事科學技術研究所 王 靜

THz輻射是電磁波譜上新開發的最后一個頻率窗口，具有獨特的性質，在物理、化學、生物醫學、通信、雷達、安全檢查等各方面都有廣闊的應用前景。由于許多毒品及其相關材料在THz波段具有特征吸收，許多非金屬、非極性材料對THz波時透明的，且THz波具有低能性，THz技術在安檢中具有巨大的應用潛力。本文重點介紹了THz時域光譜技術和成像技術在毒品檢測和識別方面的研究應用，初步探討了該技術在毒品識別領域應用中的可行性、有效性及今后的發展方向。

太赫茲輻射；太赫茲時域光譜；太赫茲成像技術；毒品；檢測

太赫茲“Terahertz”一詞是1974年由弗萊明(Fleming)首次提出來的，用來描述邁克爾遜干涉儀的光譜頻率范圍。太赫茲(THz,1 THz=10Hz)輻射在電磁波譜上位于微波和紅外之間，屬于遠紅外波段。通常所研究的THz輻射指的是頻率在0.1～10THz，波長在30μm～3mm，波數在3.3～330cm-1之間的電磁波。在電磁頻譜上，THz波在電磁波譜中的位置特殊，處于電子學向光子學的過渡區域，長期以來，由于缺乏有效的THz輻射產生方法和檢測途徑，對于該波段的了解有限，使得THz成為電磁波譜中最后一個還未被全面研究的頻率窗口——電磁波譜中的“太赫茲空隙(THz Gap)”。近幾十年來，超快光電子技術迅速發展，為THz脈沖的產生提供了可靠、穩定的激發光源，促進了對THz輻射機理研究、檢測技術和應用技術的蓬勃發展。例如在醫學成像、無標記檢測、軍事安全、材料的無損探測等方面，特別是對炸藥、毒品等相關材料的檢測研究成為熱點。本文前半部分介紹了THz輻射的產生、探測方法、性質以及THz時域光譜技術和THz成像技術，后半部分主要介紹了THz技術在毒品檢驗方面的研究進展。

1.應用THz技術進行毒品檢測的研究進展

1.1 概述

毒品不僅危害人們的身心健康，而且會引發一系列的社會問題，例如犯罪率上升，性病和艾滋病蔓延等等，嚴重威脅著許多國家和地區的社會穩定和經濟發展。跨國、跨區域乃致國際化的毒品犯罪愈發頻繁，國際社會所面臨的毒品問題日益嚴峻。由于缺乏準確無損的探測技術，使得藏匿在郵件等包裹中的毒品仍然能夠在國內乃至國際間傳遞。

在毒品檢測和毒品分析方面，國內外學者都嘗試研究了很多方法，其中應用比較廣泛的有色譜、質譜、紫外光譜、毛細管電泳、紅外光譜、X射線、拉曼光譜、生化及生物檢測法、離子遷移譜技術及其他物理方法等。但是這些方法自身都有一定的局限性，例如化學分析、紫外光譜、紅外光譜及X射線對樣品都有一定程度的破壞，屬于有損檢測；X射線及紫外光譜對人體會有輻射危害，紅外光譜和拉曼光譜都存在著較強的吸收和散射問題。在成像方面，X射線穿透力太強，只能分辨出包裝材料下樣品的形狀，但是不能確定它們的具體類別；警犬識別和痕跡識別要求包裝材料外面有毒品的痕跡殘留；紅外波段對包裝材料具有高吸收和高散射，使得測量結果不精確甚至是不可靠的。

THz技術的興起，為緝毒檢查工作提供了一種全新的探測和檢驗手段。國內外大量學者的研究結果都表明毒品分子在THz波段存在特征吸收，因此應用THz技術對毒品進行檢測成為熱點。我們首先針對已知標準樣品進行THz輻射掃描，建立一個毒品在THz波段的特征吸收光譜庫——“指紋譜庫”，然后對被探測樣品進行THz輻射掃描，通過對特征吸收光譜的識別比對，就可以快速準確的確定隱藏物的形狀及種類。相對于X射線來說，THz波的能量低，可以真正實現無損探測。目前，THz技術在毒品檢測方面的研究已經取得了許多樂觀的成果，國內外學者對其在毒品檢測領域的應用前景表示出極高的關注。目前，THz光譜技術和THz成像技術就構成了THz波應用的兩個主要關鍵技術。

1.2 THz-TDS技術應用于毒品檢測

從微觀上看，大多數毒品都屬于結構有所不同的生物有機大分子，而THz輻射對于結構的微小差異是非常敏感的，許多生物大分子的振動和轉動能級建的間距，分子之間的弱相互作用及大分子的骨架振動、偶極子的轉動和振動躍遷以及晶體中晶格的低頻振動所對應的吸收頻率均位于THz波段。這就成為利用THz輻射進行毒品檢測的前提。不同種類的毒品在THz波段存在指紋光譜即特征光譜，通過識別各自的特征光譜我們就可以快速有效的對毒品進行檢測定性。文獻報道中的實驗和理論計算結果都表明：應用THz光譜進行毒品的探測是可行的。

圖1 三種樣品的特征光譜

2003年10月，Kodo Kawase等人[1,2]利用THz參量振蕩器對甲基苯丙胺(MA)和3,4-亞甲二氧基安非他命(MDA)進行了成像研究，他們在1.0-2.0THz頻率范圍內利用可調頻率THz源選用了7個頻率，以阿司匹林(Aspirin，1.4，2.24THz)作為參照進行成像研究；2005年，B Fischer等人[3]研究了嗎啡、可卡因、乳糖、阿司匹林、蔗糖5種樣品的THz吸收光譜，并應用特征峰成像的方法對乳糖、蔗糖、阿司匹林、酒石酸進行識別。Sun等[4]測得MA、MDA、MDMA在0.2-2.5THz范圍內的反射式THz-TDS的特征光譜，如圖1所示。這些指紋譜圖的建立為利用THz-TDS對毒品進行無損檢測打下了基礎。2005年，Li等[5]利用THz-TDS對MA進行了詳細的研究，測得了MA在0.2-2.6THz的THz特征吸收譜(1.23,1.67,1.84,2.43THz)并運用DFT計算了該物質的振動頻率，其結果與實驗值基本相符，進一步證實了THz-TDS實驗結果的可靠性。

圖2 MA,MDA和MDMA的吸收系數曲線

在國內方面，首都師范大學與公安部第一研究所合作，對38種純度在90%以上的毒品進行了THz-TDS探測，得到了各自的指紋譜圖，建立并豐富了毒品THz光譜數據庫，并以此為基礎將THz毒品檢測和識別研究在實際工作中進行嘗試應用，取得了一系列有意義的成果。

首先，賈燕等[6]利用THz-TDS技術對苯丙胺類毒品MA、MDA和3,4-亞甲二氧基甲基安非他命(MDMA)在0.2-2.6THz頻率范圍內的特征光譜進行研究，得到了3種毒品在THz波段的吸收譜。如圖2所示。從圖2可以看出，3種樣品都存在特征吸收峰，而且不同樣品的吸收峰出現的位置不同，因此樣品的THz頻域譜也就是樣品的指紋譜，通過樣品的吸收峰位置，可以識別樣品的種類。同時，樣品的折射率曲線也可以作為毒品鑒別中的附加參考信息，3種樣品吸收峰的位置在折射率曲線上對應于反常色散。同時，他們采用Gaussion03軟件包，應用密度泛函理論，對MA的遠紅外振動模式進行了探討[7]，進一步證實了THz波段是大分子集體振動模式對應的波段。他們檢測了粉末狀MA和MDMA的THz吸收光譜，想要驗證樣品的不同形態對指紋譜的影響，發現粉末狀毒品和片狀毒品的吸收光譜基本一致，幾個主要吸收峰位置沒有發生變化，只有個別峰出現偏移，峰的強度有所減弱。因此在實際探測中，不論目標探測物是粉末狀的還是片狀的，都可以根據指紋譜庫中已有的數據進行判斷和鑒別。

沈京玲等[7]探討了用THz波是否可以檢測出隱藏在郵件中的毒品。他們將兩種毒品MA和MDMA樣品分別置于兩個厚度不同(分別為0.28mm和0.22mm)的常用信封中，用THz波進行掃描檢測，發現信封對THz波的確有一定的吸收，但是兩種毒品的特征吸收峰并沒有被淹沒，通過與指紋譜庫中已有的標準品數據進行對比，它們各自的特征吸收峰基本不變，結果表明，THz波可以檢測和識別隱藏在信封中的毒品。

蔡禾等[8]在初步研究了“自然毒品”的光譜特征和對隱藏毒品利用特征峰識別、成像識別等方法的基礎上，研究利用人工神經網絡、支持向量機(SVM)，二次求導等方法實現計算機自動識別研究。他們通過自組織特征映射(Self Organization Feature Mapping，SOM)神經網絡對6中常見毒品的60個光譜進行成功聚類，實現了對不同毒品的分類。而且，他們以訓練好的SOM對12個待識別的60個光譜進行分類，結果表明訓練好的SOM網絡可以對不同毒品的THz光譜進行分類，即可以用神經網絡來鑒定毒品的種類。支持向量機(SVM)是V.Vapnik提出的一種機器學習方法相比于神經網絡在參數設定和識別過程要節省很多時間。該研究小組用歸一化預處理后的9種常見毒品和面粉的THz吸收光譜訓練libsvm模型，將通過THz-TDS技術得到的9種常見毒品純品和3種混合物的特征吸收光譜作為檢測光譜，用SVM對毒品純品和混合物進行了識別分類，識別率達100%。識別結果表明，用SVM可以實現對不同種類毒品的識別和鑒定，也就是說THz光譜技術的計算機自動識別同樣是十分有效的方法。

在通常的緝毒工作中，繳獲的毒品大都是摻有其他物質或多種毒品混合的混合物，而且毒品含量的確定也是法律量刑的一個重要依據，所以毒品的純度或含量進行檢驗鑒定也是很重要的。逯美紅等人[9]通過實驗測定了VB1、VC和二者混合物的THz吸收光譜，采用線性回歸技術進行分析，得到樣品中各個混合成分的相對含量。結果表明，實際查獲的毒品混合物，其成分和含量都可以基于純樣品的吸收譜比對得到。這種方法的建立將進一步開拓THz技術的應用領域，對于實際工作中毒品混合物的鑒定定性和定量量刑意義更為重大，具有良好的應用前景。

1.3 THz成像技術應用于毒品識別

電磁波最重要的應用之一是成像。太赫茲輻射對于大多數非透明的電介質材料都具有很好的穿透效果，因此太赫茲成像技術引起了國內外學者的廣泛關注。太赫茲光源的光子能量極低，不具有電離性質，不會對材料(尤其是活性材料)造成破壞，可以對生物體或物品進行無損成像，極大地彌補了X射線檢測及其他檢測技術的缺陷。因此，各種THz成像技術也就成為THz波應用技術中最重要也最為活躍的研究方向[10]。

2003年，日本的Kodo Kawase等[2]將成像技術與指紋光譜相結合，對信封內包在聚乙烯袋里的三種樣品進行研究，不僅準確檢測出包裝袋的形狀和樣品的位置，而且還得到了樣品濃度等相關信息。研究表明：利用THz成像技術，在能夠得到毒品特征光譜數據的同時，還可以從多種物質的混合物中分離并獲得各組分的空間分辨。因此，利用THz技術進行郵件檢測，將會在極大程度上遏制了將毒品藏匿在信封中以合法的途徑進行運輸。

圖3 MDMA,海洛因,嗎啡和乙酰可待因的吸收譜圖

國內對于THz成像技術在毒品識別方面的應用研究還處于初步階段。逯美紅等人在空氣中進行了毒品成像識別的研究。該小組選用安定和維他命樣品作為參考，對六種常見的毒品樣品(氯胺酮、嗎啡、海洛因、乙酰可待因、MDA、MDMA)進行測量。如圖3與圖4所示，第一組為四種不同樣品之間的鑒定及識別，第二組是毒品與其他化學藥品之間的鑒定及識別。由于水蒸氣的影響，兩組樣品在空氣中的測量得到的吸收譜中有些特征峰被湮沒或是不可信的。也就是說，THz成像技術在實際應用中還存在著一定的缺陷，它的特征指紋譜鑒定識別方法必須依賴于樣品的特征峰及干燥的測量環境。同時，在對毒品混合物進行成分分析時，發現結果只能定性的確定混合物中含有某一種成分以及所占比例的大小與已知一致，但對具體的百分含量的確定，結果很不理想，仍需進一步的深入研究。

圖4 氯胺酮,MDA,維他命和安定的吸收譜圖

2.結論和展望

展望未來，THz技術的產生和發展為我們開創了一個豐富的光譜研究新層面，也給光譜學研究者提供了新的挑戰和機遇。隨著研究工作的進一步開展，在不久的將來，THz技術在化學基礎研究、材料科學、生物學、醫學疾病診斷以及軍事等許多領域都會展現出其巨大的應用潛力，并且該技術與多種學科之間的交叉將會更深入更廣泛。

近幾年來，THz技術在實驗室檢驗階段取得了一定進展，但離實際操作應用尚存在一定的距離。總體來講，目前利用THz技術對毒品無損檢測的研究仍舊處于探索階段，仍然存在許多問題亟待解決。但是在過去的大量實驗及理論研究中，THz波科學技術已經向世人展現了誘人的應用前景。相信隨著研究水平的進一步深入和提高，THz光譜技術將會憑借它快速、有效的極大優勢應用于毒品的檢查和探測，給安全檢測領域帶來新的突破，THz技術必將在更廣泛的實際領域發揮重大作用。

[1]Kawase K,Ogawa Y,Watamabe Y,et al.Opt.Express,2003,11(20):2549-2544.

[2]Kawase K.Opt.Photo.News,2004,15:34.

[3]B Fischer,M Hoffmann,H Helm,et al.,Semicond.Sci.Technol.,2005,20:246-253.

[4]Sun J H,Shen J L,Liang L S,et al.Chin.Phys.Lett.,2005,13(18):6750.

[5]Li N,Shen J L,Sun J H,et al.Opt.Express,2005,13(18):6750.

[6]賈燕,李寧,沈京玲,等.現代科學儀器,2006,2:41-44.

[7]沈京玲,李寧,等,光學技術,2006,32(5):747-749.

[8]蔡禾,郭雪嬌,沈京玲,等.中國光學與應用光學,2010,3(3):209-222.

[9]逯美紅.太赫茲技術在毒品及玉米種子鑒定識別中的應用[D].北京:首都師范大學物理系,2006.

[10]B B Hu and M C Nuss,Opt.Lett.,1995,20:1916-1724.

王靜（1985—），女，碩士研究生，助理工程師，科員，研究方向：毒品及毒物的理化檢驗。