不同豬肉組織在太赫茲衰減全反射光譜中的特性差異

齊 亮

趙茂程1,3

趙 婕1,4

唐于維一1

(1.南京林業大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037；2.南京師范大學分析測試中心，江蘇 南京 210046；3.泰州學院，江蘇 泰州 225300；4.南京工業職業技術學院航空工程學院，江蘇 南京 210023)

豬肉是中國主要的肉類消費品種。隨著生活水平提高與科技進步，人們對豬肉品質的要求更加全面與精細。豬肉的品質包括營養成分、風味、嫩度、保水性和新鮮度等要素[1]71，不僅可以用有損檢測方法細致精確地獲得這些指標，還可以通過無損檢測方法快速在線獲取，其中光譜分析技術是一種重要的無損檢測手段。目前，紅外光譜分析技術比較成熟[2-3]，而太赫茲(Terahertz，THz)光譜分析技術才剛剛起步[4]。

豬肉的各類組織——肌肉、脂肪、皮膚都能體現豬肉的品質。為了探索THz無損檢測豬肉品質的可行性，需要首先觀察不同組織在THz波段是否有顯著區分，再進一步研究各組織的品質在THz波段的表達。

一般通過反射模式或透射模式測量肉組織的THz光學特性。但是水能強烈吸收THz波，使得含水豐富的鮮肉組織透射信號的信噪比低，影響THz光學參數的測量精確性。對于稍厚的組織樣品，幾乎無法探測到透射信號[5]。一般采用脫水[6]、冷凍切片[7]等方法，避免水對THz波的強烈吸收，但是這些預處理會影響新鮮組織的水合狀態及組織結構，難以實現新鮮組織的快速無損檢測。反射式雖然不需要復雜的預處理，對樣品厚度沒有要求，但是反射波的能量損失較多、信噪比低，需要通過試驗嘗試選擇適合樣本的特定反射角度，以獲得最大的信噪比[8-9]。此方法的調試時間長，缺乏通用性。本研究擬引入衰減全反射 (attenuated total reflectance，ATR)檢測模式，克服豬肉樣本中水分的干擾，獲取并分析豬肉的肌肉、脂肪和皮膚組織在ATR模式下的THz光譜，研究THz-ATR技術應用到組織類型鑒別的可行性以及在豬肉品質無損檢測中的應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

豬肉：宰后排酸12 h的豬通脊肉，南京市學衡路蘇果超市；

純水：用Milli-Q Academic超純水儀制備。

1.1.2 主要儀器設備

超純水儀：Milli-Q Academic型，美國Millipore公司；

THz光譜分析儀：TAS7500SP型，使用鈦寶石泵浦激光器，激光輸出功率為20 mW，中心波長1 550 nm，脈沖寬度約50 fs，重復頻率50 MHz，日本Advantest公司。

1.2 試驗原理

1.2.1 THz光譜分析儀工作原理 THz光譜分析儀采用電控光學取樣法(electronically controlled optical sampling，ECOPS)產生和探測THz脈沖信號[10-11]。如圖1所示，它使用2個激勵頻率稍有差異的飛秒激光器同時泵浦光電導天線，其中激光器1通過光纖將飛秒激光脈沖入射到THz發生器，在偏置電場作用下利用光電導天線產生THz脈沖，經拋物面鏡反射進入由硅晶體制成的ATR棱鏡并產生全反射。載有樣品信息的全反射波從棱鏡射入探測端的光電導天線，與激光器2泵浦的飛秒激光脈沖相調制，產生激發電流，通過探測電流可以獲得樣品的THz-ATR時域波形。

1.由光電導天線構成的THz發生器 2.拋物面鏡 3.偏置電壓 4.樣品 5.ATR晶體 6.由光電導天線構成的THz探測器 7.電流探測

圖1 THz光譜儀的工作原理
Figure 1 Working principle of THz spectrometer

1.2.2 ATR的光學參數 圖2是THz-ATR檢測附件的光路示意圖。THz波在ATR晶體與樣品的緊密接觸面發生了全反射，并產生隱失波(evanescent wave)穿入樣品內部，其振幅隨入射深度呈指數衰減，穿透深度dp為微米級[12]。

隱失波與樣品的相互作用使得全反射波出現了幅度衰減(ΔA)和相位延遲(Δφ)，可以用復折射率在頻域范圍綜合表達這些變化[13-14]。復折射率又可以用折射率和消光系數來表示[15]：

圖2 THz-ATR光學原理示意圖Figure 2 Schematic illustration of THz-ATR optics

(1)

式中：

n(ω)——被測樣品的折射率；

κ(ω)——被測樣品的消光系數。

折射率反映光在樣品中的傳播速率，消光系數表示樣品對光的吸收強度。復折射率能夠表征THz波對樣品成分的響應，是被測樣品固有的光學常數，由樣品微環境 (如溫度、成分、物質構象、水合狀態等)決定，同儀器的相關參數(如THz波的輻射強度以及隱失波的穿透深度)無關[16-17]。與透射、反射模式相比，ATR模式可以更加精確測得樣品的復折射率[13, 18]。本研究使用折射率n(ω)和消光系數κ(ω)的THz光譜圖來表達樣品的復折射率。

1.3 方法

1.3.1 樣本制備 樣本采購后用冷藏箱以較快速度運回實驗室。將樣本中不同的組織——肌肉、脂肪和皮膚切割成2.5 cm×2.5 cm方形薄片，其中肌肉和脂肪的薄片厚度為0.5 cm，而皮膚厚度在分割前已經較薄，且皮膚組織較為堅硬，難于切薄，故保留皮膚組織的原始厚度，不再切薄。

1.3.2 THz光譜采集 THz光譜分析儀工作的環境溫度為(25±1) ℃，相對濕度為50%～65%，頻率分辨率為7.6 GHz，檢測頻率范圍是0.1～2.0 THz，共250個采樣頻率點(波點)，樣品的譜線經2 048次自動掃描并平均后得到。該光譜儀自帶樣品腔，檢測過程中外接氣泵泵入干燥空氣對樣品腔除濕，以減少空氣中水汽吸收干擾THz波。

本研究用純水驗證THz光譜分析儀在25 ℃下THz-ATR光譜數據的可靠性與有效性，因此分別采集了純水和肉樣的THz光譜。純水的檢測方法：用吸管將適量純水滴入ATR檢測窗，測量其THz光譜，檢測完畢后用濾紙將殘留的水分吸干；肉樣的檢測方法：將樣本平整放入ATR檢測窗表面，每份樣品上下兩面分別采集3次，共重復測量6次，獲得6份THz光譜數據，算術平均后獲得該樣本的最終THz光譜數據。每檢測完一份樣品后，用純水擦拭ATR檢測窗表面，去除表面殘留的油脂等，并用濾紙將殘留的水分吸干。

2 結果與分析

2.1 純水的THz光譜

純水在0.2～2.0 THz下實測的折射率和消光系數與參考值[19]的比較結果見圖3。由圖3可知，兩者的實測值和參考值基本一致。可見，此設備能夠可靠、準確地獲得純水的THz光譜特性。

圖3 純水在0.2～2.0 THz的參考與實測折射率和消光系數Figure 3 The referenced and experimental refractive index and extinction coefficient of pure water in the 0.2～2.0 THz

2.2 不同豬肉組織的THz光譜

豬肉中不同的組織——肌肉、脂肪和皮膚的ATR時域波形圖見圖4。同空白樣以及純水的波形圖進行比較，圖4(a)中信號的峰值或者能量從高到低依次是：空白、脂肪、皮膚、肌肉、純水。肉中各組織水分的含量從高到低依次是肌肉(70%～80%)、皮膚(60%～70%)、脂肪(10%～30%)[1]58。可見，豬肉組織中的水會顯著吸收入射THz波的能量，使得ATR波能量出現不同程度的衰減，衰減程度和組織含水量呈顯著關系，含水量越高衰減越多[7,20]。從圖4(b)波峰在時間軸上的位置可以看出，脂肪、皮膚、肌肉、純水的ATR信號和空白信號有一個明顯的相位差，而這3種組織以及純水在相位上區別相對較小。可見，不同組織在THz-ATR條件下主要體現為ATR信號的振幅衰減程度不同。

根據1.2所述，可以融合時域中幅度與相位的差異，將ATR信號進行傅里葉變換，獲得豬肉組織在不同頻率下的折射率與消光系數，見圖5。其中，肌肉的折射率為1.9～2.5，脂肪的折射率為1.7～1.8，皮膚的折射率為1.7～2.1，與文獻[7～8]報道基本吻合，而3種組織的消光系數目前尚沒有研究報道。

圖4 空白、豬肉組織以及純水的THz時域光譜圖Figure 4 THz time-domain wave forms of no sample,porcine tissue and pure water

圖5 脂肪組織、皮膚組織、肌肉組織和純水的折射率和消光系數Figure 5 The refractive index and extinction coefficient of adipose, skin, muscle and pure water

從圖5中各譜線的總體位置來看，折射率和消光系數從高到低依次是純水、肌肉、皮膚、脂肪，與圖4中各樣本THz脈沖的峰值大小排序相一致。可見，在0.2～2.0 THz測量范圍內，各組織的水分含量會極大地影響豬肉組織的折射率和消光系數，含水量越高，折射率以及消光系數就會越大。

2.3 不同組織的光譜差異

皮膚組織的主要成分為膠原蛋白，肌肉組織的基本成分為肌纖維蛋白。蛋白質的基本組成單位氨基酸在THz波段有特征吸收[21]，蛋白質結構中的疏水鍵、氫鍵和靜電力等一系列非共價鍵對THz波也比較敏感[22]，在生物組織內蛋白質借助分子表面分布的極性基團與水分子之間的靜電引力形成了水殼層結構[23]，這些因素使得肌肉和皮膚組織對THz波吸收較強。動物的脂肪主要由甘油三酯的混合物構成，甘油三酯以脂滴的形式儲存于脂肪細胞中。甘油三酯是非極性分子，表面沒有羥基或氨基等親水基團，分子周圍儲存的結合水很少，因此脂肪組織對THz波的吸收明顯弱于皮膚、肌肉組織[5]，主要組成分子及其結構的不同可能是除了含水量之外造成各組織光譜信號差異的另一個重要因素。

光譜中未見有明顯的吸收峰或者特征波段，一方面是因為豬肉組織富含水，而因水分子集體平移導致其對THz無特征吸收[24]，另一方面是因為豬肉成分十分復雜，生物大分子如氨基酸[21]、多肽[25]、DNA[26]等以及生物小分子如核苷酸[27]等都會對THz波有吸收，導致譜線相互重疊，無法分辨出特征峰。

不論從折射率還是消光系數來看，豬肉3種組織的譜線都具有較大區別。尤其在0.2～1.6 THz的低頻段區分更明顯。皮膚與脂肪的折射率在1.6～2.0 THz頻段出現了重合，但是各組織的消光系數THz譜都有較好的區分度。進一步在0.2～1.6 THz對各組織樣本的光譜數據做統計分析，結果(表1、2)表明，除了脂肪和皮膚組織的折射率最小值相同以外，各組織折射率和消光系數的統計值均有明顯差異。其中，3種組織的平均值和標準差從低至高依次是脂肪、皮膚和肌肉組織。

表1 豬肉組織折射率統計值Table 1 Statistical values of refractive index in pork tissues

表2 豬肉組織消光系數統計值Table 2 Statistical values of extinction coefficient in pork tissues

可見在低頻段，折射率或者消光系數可以作為鑒別組織類型的參數和指標。該方法可以推廣到各種家禽(如牛、羊、雞等)組織樣本的鑒別。這是因為這些家禽的同類組織具有相似的化學組成，所以其THz光譜也具有相似性[9, 20]。

因此，豬肉組織的THz光譜是其組成成分在THz波段的共同表達。豬肉的品質不同，決定品質的生物分子也不相同，其THz光譜也會不相同。雖然無法通過特征峰來區分品質，但是可以對光譜進行綜合分析，建立光譜數據與品質指標的數學關系模型，實現豬肉品質的快速無損檢測。由于不同豬肉組織的THz光譜特性有明顯差異，因此，需對同一種豬肉組織進行THz品質檢測。

3 結論

利用THz-ATR技術，不需要復雜的預處理，就能夠獲得豬肉不同組織在THz波段下的折射率和消光系數，從而無損檢測鮮豬的肌肉、皮膚和脂肪組織。本研究表明：含水量是影響新鮮組織對THz波吸收的主要因素，在0.2～1.6 THz 低頻段下，豬肉不同組織的THz光譜區分較明顯。雖然本研究的試驗樣本來自單一主體，要給出定量的結論尚需進一步的統計試驗，但仍然可以看出用THz-ATR技術無損鑒別組織類型是可行的；可以預見，在對同一種豬肉組織取樣的前提下，能夠通過建立各樣本的THz光譜與豬肉品質的關系數學模型，實現豬肉品質的無損檢測。

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