太赫茲技術及其在食品檢測中的應用

鄧曉娟

【摘要】太赫茲輻射的頻率范圍為0.1～10THz之間，處于光學和電子學的交界處，其具有攜帶豐富的信息量，低光子能量特性，高時空相干性等特性，太赫茲具有潛在的研究和使用價值。近年來，太赫茲技術正從多個實驗室研究轉向實際應用中，包括航空航天、爆炸物檢測、醫學檢測，同時也在農產品及食品質量檢測中得以應用，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鍵技術，并以食品檢測的取得成果為例，分析總結了太赫茲技術，從而得出了太赫茲技術具有潛在的研究價值也可以在現實中得以應用。

【關鍵詞]太赫茲技術；特性；食品質量；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，通常被稱為遠紅外波段，位于電子和光子能量之間，因此屬于電子學和光學的交叉學科。

之前太赫茲的產生和探測設備不夠成熟，造成20世紀八十年代對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已相當成熟，對于太赫茲波段的研究仍是一個“空白”，這就是科學家所謂的“太赫茲空隙”。近年來，超快的激光技術迅速發展，也使得太赫茲技術取得突破性的進展，太赫茲技術和設備的完善，使得太赫茲技術和應用領域更加廣泛，太赫茲技術及其應用領域成為太赫茲光譜研究的熱點，被列為未來改變世界的十大技術之一，被稱為“21世紀為太赫茲時代”。

由于太赫茲波段的特殊性，其具有諸多不同的特性，這使得太赫茲技術在傅里葉遠紅外光譜技術和微波技術得到互補作用。太赫茲很多領域軍事及工業領域有相當重要的作用，經過不斷地拓展研究將會在生物學、醫藥學、農業方面取得突破性的進展。

1太赫茲技術及其發展

太赫茲技術主要包括太赫茲光譜技術和太赫茲成像技術，太赫茲光譜技術富有豐富的化學和物理信息，因此研究太赫茲光譜對于物理學的研究具有非常重大的意義。太赫茲成像技術包括近場成像、太赫茲連續波成像技術等，可應用于生物學、醫學領域。太赫茲光譜技術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，直接獲取樣品的時域信息，然后進行傅里葉變換得出頻域分布波形，通過分析和計算與頻譜有關的數據得出被檢測樣本的光學參數（如吸收系數和折射率）。

太赫茲所處的特殊位置，使其具有非常重要作用，在學術和應用領域備受各個國家的重視。在美國有十所大學在研究太赫茲，特別是美國國家實驗室也在投入對太赫茲的研究。美國國家基金會、能源部和國家衛生協會等從90年代就開始投入對太赫茲的研究工作；日本于2005年1月8日，公布了日本十年的科學戰略計劃，將太赫茲技術列為十大項目之首；在英國的劍橋大學、里茲大學等十幾所大學以及德國的若干所大學都積極開展對太赫茲的研究工作。歐洲國家還利用歐盟資金組織了一個跨國家的學科參加的大型合作項目；在亞洲國家和地區，國立新加坡大學、臺灣大學、臺灣“清華大學”都開展對太赫茲的研究，并發表了多篇論文。

由中國科學家自主研發的國內首臺高平均功率太赫茲自由激光裝置（CTFEL）在四川成都首次亮相，經檢驗，實驗真實可靠且穩定運行。我國太赫茲技術從此進入了自由電子激光時代。此裝置可以在太赫茲頻率為1.99THz、2.41THz和2.92THz三個頻率點正常運行，平均功率可超過10W，最大值可達到17.9W；微脈沖峰值功率超過0.5mW，最高實現0.84mW。通過調節電子束和磁場強度可以實現輸出激光連續可調。CTFEL裝置是依托科技部支持的國家重大儀器設備開發專項“相干太赫茲源科學儀器設備開發”項目。作為一種新型的相干太赫茲源，此裝置在材料學、生物學、醫學等領域有廣泛的應用前景。

2太赫茲波的特性

太赫茲是一種具有優勢的輻射源，該技術領域是一個具有重要的交叉領域，對于技術創新、國家安全等提供了一個極大的機遇。這源自太赫茲的獨特性質。

（1）瞬態性。太赫茲脈沖的脈寬在皮秒量級，有利于對各種物質進行時間的辨別研究，如液體、半導體、超導體、生物品。還能夠有效的抑制背景噪聲，提高信噪比遠高于傅里葉變換紅外光譜技術，且具有良好的穩定性。

（2）吸收性和諧振性。很多極性分子如水分子、氨分子等的振動和旋轉頻率在太赫茲波段內轉，因此太赫茲波表現出較強的吸收和諧振性。通過它們的特征分析可以得出物質成分或者進行產品質量控制，太赫茲光譜技術在研究極性分子方面有廣闊的應用前景。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，還可以無損穿透墻壁、布料，用來對已經包裝過的物品進行質量檢測和安全檢查。

（3）相干性。太赫茲相干測量技術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可以大大簡化運算過程，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周期電磁振蕩，但單個的脈沖頻帶范圍比較寬，可以在較大范圍內分析光譜特性。

（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部水分的含量，發現并確定異常的位置。

（7）指紋譜性。太赫茲光譜技術富有豐富的化學和物理信息，很多極性分子的振動和旋轉頻率在太赫茲波段內，所以根據太赫茲的指紋譜，太赫茲光譜成像技術可以辨別物體的形貌，分析物體的物理和化學性質，為反恐、排爆、緝毒提供了理論依據和相關技術支持。

3太赫茲技術在食品質量檢測方面的應用

隨著科技的飛速發展，人們的生活水平也有了顯著的提升，人們對日常生活的要求及食品質量的關注度也越來越高。因此，保證食品的質量是必要的，這就需要技術來支持食品的質量檢測。當下，備受科學界矚目的太赫茲技術，其完善的理論成果和技術支持能很好運用于食品質量檢測，如對油的質量（未使用油和地溝油的區分）、肉類、農藥殘留、食品添加劑的檢測。本文使用太赫茲技術檢測，其結果說明太赫茲技術在食品質量檢測方面的應用是可行的。

3.1太赫茲技術在肉制品檢測中的應用

在日常生活當中，辨別肉品質的優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值。

太赫茲成像技術通過透射譜和反射譜來實現對樣品信息記錄并對其進行分析和處理，最終獲得樣品的太赫茲圖像。太赫茲成像具有較強的穿透力，光子能量低，可區分樣品的結構和種類，對水分子的吸收比較敏感，可得到高分辨率的圖像。

根據太赫茲波成像系統，太赫茲的信號對豬肉樣本來說是非常小的，這樣的信號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可以直接測量參考脈沖和信號脈沖之間的不同，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。

利用太赫茲技術對肉制品進行質量檢測，由于瘦肉相對于肥肉而言，對太赫茲射線吸收幾乎是透明的，可利用此特性對使用太赫茲裝置來區分肉的肥瘦。太赫茲輻射的光子能量一般只有幾毫伏特，可以對人體和其它生物進行無損檢測。太赫茲輻射對水的穿透力很差，可以利用此特性確定含水量，對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度，也可以獲得相位信息，實現對密封包裝的三維成像。

3.2太赫茲技術在食用油檢測中的應用

近年來，在食品安全事件中，地溝油對人體的危害是相當嚴重的，因此遏制地溝油重返餐桌對人體造成危害，不僅是政府部門的責任，我們每個人都應該提高警惕。近年來對地溝油的檢測有多種方法，簡單的方法不夠全面，而復雜的方法對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，經評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的發展日，結合其對生物分子的相應具有特異性的特點，為地溝油的檢測提供了有效的途徑。寶日瑪等測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得到的光譜信息進一步結合統計的方法來鑒別地溝油和植物油，利用0.16～1.3THz的頻域吸收譜進行聚類分析。隨機選擇兩種地溝油作為驗證，其余的樣品進行聚類，采用概率神經網絡方法對驗證樣品進行判定，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驗：（1）將反復烹炸過的熟油（地溝油）和未使用過的植物油（大豆油）對比，發現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。由于熟油（地溝油）的特殊成分，使其折射率和吸收率不穩定，由此差異可以檢測出地溝油。（2）對未使用過的花生油、輕微烹炸過的花生油、多次烹炸過的花生油進行了時域譜的分析，得出花生油烹炸的次數越多，其時域譜時延越大，幅度逐漸變小。最后將花生油的時域譜進行傅里葉變換，得出的太赫茲頻域普不同，隨著烹炸次數的增加，太赫茲頻譜成降低趨勢。

由此實驗得出利用太赫茲光譜技術的不同性質來區分出地溝油的方法是可行的。太赫茲技術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現檢測地溝油。

3.3太赫茲技術在食品添加劑檢測中的應用

根據我國衛生法（1995年）的規定，食品添加劑是為了改善食品的色、香、味等品質，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。但是很多商家為了保證食物的口感和保存時間，過量加入食品添加劑，實現其盈利的目的。人們長期使用這種含有過量食品添加劑的物質，身體健康將會受到嚴重的威脅。因此，需要開發操作簡單、檢測時間短、可以實現快速無損檢測來完成食品質量安全的檢測技術。

太赫茲技術在添加劑領域的應用檢測是近幾年研究的熱點。Zhao等研究了羥基苯甲酸甲酯的透射光譜對羥基苯甲酸甲酯在7.8K時能夠發現太赫茲的吸收峰，并根據函數密度理論模擬太赫茲光譜。張曼等針對“麥樂雞”添加劑中有一種化學成分特丁基對苯二酚（TBHQ）含量超標，應用太赫茲無損檢測技術對其做定性識別。測得該化學成分在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，同時對TBHQ進行理論的模擬對比。通過該實驗說明太赫茲波檢測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技術分別對吊白塊，增白劑及其混合物進行光譜檢測，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行物質識別；另外隨著混合物中吊白塊含量的增加，吸收系數逐漸下降，折射率逐漸增加；采用最小二乘（PLS）法對增白劑中吊白塊的含量進行了定量分析。這些研究結果表明太赫茲技術在食品添加劑中的應用會越來越廣泛。

4總結

隨著太赫茲技術的快速發展，其在食品檢測檢測領域也取得了進展。但是要實現未來對食品中微量有害物質的快速無損檢測和相似物的檢測，太赫茲技術需要進一步得到發展，主要表現在：太赫茲技術的日漸成熟，系統設備逐漸穩定，成本降低；檢測技術逐漸成熟能實現快速檢測；進一步提高檢測技術，使其技術走出實驗室真正應用于現實中。在未來不斷地對太赫茲光譜技術進行研究，充分利用其特殊性來實現太赫茲光譜技術的價值，更好的應用于生物學、醫學以及航空航天、軍事事業中。在不久的將來太赫茲技術將會對人類做出巨大貢獻。