太赫兹技术及其在食品检测中的应用

邓晓娟

【摘要】太赫兹辐射的频率范围为0.1～10THz之间，处于光学和电子学的交界处，其具有携带丰富的信息量，低光子能量特性，高时空相干性等特性，太赫兹具有潜在的研究和使用价值。近年来，太赫兹技术正从多个实验室研究转向实际应用中，包括航空航天、爆炸物检测、医学检测，同时也在农产品及食品质量检测中得以应用，并取得良好的研究成果。本文从太赫兹光谱简介，太赫兹光谱的特性及关键技术，并以食品检测的取得成果为例，分析总结了太赫兹技术，从而得出了太赫兹技术具有潜在的研究价值也可以在现实中得以应用。

【关键词]太赫兹技术；特性；食品质量；无损检测

太赫兹波属于电磁波谱中红外波和微波之间的波段，通常被称为远红外波段，位于电子和光子能量之间，因此属于电子学和光学的交叉学科。

之前太赫兹的产生和探测设备不够成熟，造成20世纪八十年代对太赫兹的探测和研究具有局限性。然而，电磁波端中，位于太赫兹两端的红外波和微波技术已相当成熟，对于太赫兹波段的研究仍是一个“空白”，这就是科学家所谓的“太赫兹空隙”。近年来，超快的激光技术迅速发展，也使得太赫兹技术取得突破性的进展，太赫兹技术和设备的完善，使得太赫兹技术和应用领域更加广泛，太赫兹技术及其应用领域成为太赫兹光谱研究的热点，被列为未来改变世界的十大技术之一，被称为“21世纪为太赫兹时代”。

由于太赫兹波段的特殊性，其具有诸多不同的特性，这使得太赫兹技术在傅里叶远红外光谱技术和微波技术得到互补作用。太赫兹很多领域军事及工业领域有相当重要的作用，经过不断地拓展研究将会在生物学、医药学、农业方面取得突破性的进展。

1太赫兹技术及其发展

太赫兹技术主要包括太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术，太赫兹光谱技术富有丰富的化学和物理信息，因此研究太赫兹光谱对于物理学的研究具有非常重大的意义。太赫兹成像技术包括近场成像、太赫兹连续波成像技术等，可应用于生物学、医学领域。太赫兹光谱技术是利用飞秒超快激光来获取太赫兹的相干探测，通过太赫兹脉冲在样品上的投射或反射，直接获取样品的时域信息，然后进行傅里叶变换得出频域分布波形，通过分析和计算与频谱有关的数据得出被检测样本的光学参数（如吸收系数和折射率）。

太赫兹所处的特殊位置，使其具有非常重要作用，在学术和应用领域备受各个国家的重视。在美国有十所大学在研究太赫兹，特别是美国国家实验室也在投入对太赫兹的研究。美国国家基金会、能源部和国家卫生协会等从90年代就开始投入对太赫兹的研究工作；日本于2005年1月8日，公布了日本十年的科学战略计划，将太赫兹技术列为十大项目之首；在英国的剑桥大学、里兹大学等十几所大学以及德国的若干所大学都积极开展对太赫兹的研究工作。欧洲国家还利用欧盟资金组织了一个跨国家的学科参加的大型合作项目；在亚洲国家和地区，国立新加坡大学、台湾大学、台湾“清华大学”都开展对太赫兹的研究，并发表了多篇论文。

由中国科学家自主研发的国内首台高平均功率太赫兹自由激光装置（CTFEL）在四川成都首次亮相，经检验，实验真实可靠且稳定运行。我国太赫兹技术从此进入了自由电子激光时代。此装置可以在太赫兹频率为1.99THz、2.41THz和2.92THz三个频率点正常运行，平均功率可超过10W，最大值可达到17.9W；微脉冲峰值功率超过0.5mW，最高实现0.84mW。通过调节电子束和磁场强度可以实现输出激光连续可调。CTFEL装置是依托科技部支持的国家重大仪器设备开发专项“相干太赫兹源科学仪器设备开发”项目。作为一种新型的相干太赫兹源，此装置在材料学、生物学、医学等领域有广泛的应用前景。

2太赫兹波的特性

太赫兹是一种具有优势的辐射源，该技术领域是一个具有重要的交叉领域，对于技术创新、国家安全等提供了一个极大的机遇。这源自太赫兹的独特性质。

（1）瞬态性。太赫兹脉冲的脉宽在皮秒量级，有利于对各种物质进行时间的辨别研究，如液体、半导体、超导体、生物品。还能够有效的抑制背景噪声，提高信噪比远高于傅里叶变换红外光谱技术，且具有良好的稳定性。

（2）吸收性和谐振性。很多极性分子如水分子、氨分子等的振动和旋转频率在太赫兹波段内转，因此太赫兹波表现出较强的吸收和谐振性。通过它们的特征分析可以得出物质成分或者进行产品质量控制，太赫兹光谱技术在研究极性分子方面有广阔的应用前景。太赫兹辐射能用较低的损耗穿透如陶瓷、塑料、脂肪、布料等非极性物质，还可以无损穿透墙壁、布料，用来对已经包装过的物品進行质量检测和安全检查。

（3）相干性。太赫兹相干测量技术测量出电场的振幅和相位，可以方便提取样品的折射率和吸收系数可以大大简化运算过程，提高可靠性和精确度。

（4）宽带性。太赫兹脉冲通常只包含若干个周期电磁振荡，但单个的脉冲频带范围比较宽，可以在较大范围内分析光谱特性。

（5）低能性。太赫兹光子能量比较低只有毫电子伏特，与x射线相比它不会破坏被检测物，因此可以被用来做无损检测。

（6）吸水性。太赫兹辐射容易被水吸收，因此可以通过检测生物体内部水分的含量，发现并确定异常的位置。

（7）指纹谱性。太赫兹光谱技术富有丰富的化学和物理信息，很多极性分子的振动和旋转频率在太赫兹波段内，所以根据太赫兹的指纹谱，太赫兹光谱成像技术可以辨别物体的形貌，分析物体的物理和化学性质，为反恐、排爆、缉毒提供了理论依据和相关技术支持。

3太赫兹技术在食品质量检测方面的应用

随着科技的飞速发展，人们的生活水平也有了显著的提升，人们对日常生活的要求及食品质量的关注度也越来越高。因此，保证食品的质量是必要的，这就需要技术来支持食品的质量检测。当下，备受科学界瞩目的太赫兹技术，其完善的理论成果和技术支持能很好运用于食品质量检测，如对油的质量（未使用油和地沟油的区分）、肉类、农药残留、食品添加剂的检测。本文使用太赫兹技术检测，其结果说明太赫兹技术在食品质量检测方面的应用是可行的。

3.1太赫兹技术在肉制品检测中的应用

在日常生活当中，辨别肉品质的优劣通过观察肉的颜色、亮度、大理石纹来确定肉的好坏，这是最直观的判断。符合人们的要求的肉制品才具有良好使用价值。

太赫兹成像技术通过透射谱和反射谱来实现对样品信息记录并对其进行分析和处理，最终获得样品的太赫兹图像。太赫兹成像具有较强的穿透力，光子能量低，可区分样品的结构和种类，对水分子的吸收比较敏感，可得到高分辨率的图像。

根据太赫兹波成像系统，太赫兹的信号对猪肉样本来说是非常小的，这样的信号很容易受自身携带的太赫茲脉冲中的噪声干扰，锁相放大器的信息不能正确接受和放大，而搭建的太赫兹差异光谱系统可以直接测量参考脉冲和信号脉冲之间的不同，从而获得光谱太赫兹成像样品不是固定的。锁相放大器可以直接测量样品和参考样品的差异来获得太赫兹光谱的样品。

利用太赫兹技术对肉制品进行质量检测，由于瘦肉相对于肥肉而言，对太赫兹射线吸收几乎是透明的，可利用此特性对使用太赫兹装置来区分肉的肥瘦。太赫兹辐射的光子能量一般只有几毫伏特，可以对人体和其它生物进行无损检测。太赫兹辐射对水的穿透力很差，可以利用此特性确定含水量，对于已包装好的食品可以确定水的含量来判断其新鲜程度。不仅可以获得样品的光谱强度，也可以获得相位信息，实现对密封包装的三维成像。

3.2太赫兹技术在食用油检测中的应用

近年来，在食品安全事件中，地沟油对人体的危害是相当严重的，因此遏制地沟油重返餐桌对人体造成危害，不仅是政府部门的责任，我们每个人都应该提高警惕。近年来对地沟油的检测有多种方法，简单的方法不够全面，而复杂的方法对与高度提纯的地沟油，缺乏精确的检测，不能作为地沟油检测的有效手段。截至2012年1月，政府部门征集到了300多种地沟油检测的方法，经评估这些方法均不能完全精确地检测地沟油，其成功率最多在75%以上。

近年来太赫兹光谱技术的发展日，结合其对生物分子的相应具有特异性的特点，为地沟油的检测提供了有效的途径。宝日玛等测量了普通的食用油和多种地沟油的太赫兹光谱得出了试验样品在0.16～0.96THz的折射谱和吸收谱，定性分析地沟油和植物油在不同频率上的光谱差异。詹洪磊等利用宝日玛得到的光谱信息进一步结合统计的方法来鉴别地沟油和植物油，利用0.16～1.3THz的频域吸收谱进行聚类分析。随机选择两种地沟油作为验证，其余的样品进行聚类，采用概率神经网络方法对验证样品进行判定，并成功将两种油判定为地沟油。廉飞宇等做了两组检测地沟油的实验：（1）将反复烹炸过的熟油（地沟油）和未使用过的植物油（大豆油）对比，发现两种油在太赫兹波段的折射率和吸收率有明显的差异，它们的吸收率明显不同，熟油（地沟油）有两个吸收峰分别在1.33THz和1.47THz处，植物油（大豆油）没有吸收峰，变化比较平稳。由于熟油（地沟油）的特殊成分，使其折射率和吸收率不稳定，由此差异可以检测出地沟油。（2）对未使用过的花生油、轻微烹炸过的花生油、多次烹炸过的花生油进行了时域谱的分析，得出花生油烹炸的次数越多，其时域谱时延越大，幅度逐渐变小。最后将花生油的时域谱进行傅里叶变换，得出的太赫兹频域普不同，随着烹炸次数的增加，太赫兹频谱成降低趋势。

由此实验得出利用太赫兹光谱技术的不同性质来区分出地沟油的方法是可行的。太赫兹技术检测地沟油将是一种有效的方法，未来使用这种方法可以快速实现检测地沟油。

3.3太赫兹技术在食品添加剂检测中的应用

根据我国卫生法（1995年）的规定，食品添加剂是为了改善食品的色、香、味等品质，以及为防腐和加工工艺的需，在食品中加入人工合成或天然物质。但是很多商家为了保证食物的口感和保存时间，过量加入食品添加剂，实现其盈利的目的。人们长期使用这种含有过量食品添加剂的物质，身体健康将会受到严重的威胁。因此，需要开发操作简单、检测时间短、可以实现快速无损检测来完成食品质量安全的检测技术。

太赫兹技术在添加剂领域的应用检测是近几年研究的热点。Zhao等研究了羟基苯甲酸甲酯的透射光谱对羟基苯甲酸甲酯在7.8K时能够发现太赫兹的吸收峰，并根据函数密度理论模拟太赫兹光谱。张曼等针对“麦乐鸡”添加剂中有一种化学成分特丁基对苯二酚（TBHQ）含量超标，应用太赫兹无损检测技术对其做定性识别。测得该化学成分在0.2～2.2THz的吸收率和折射率曲线，并将其不同比例与面粉均匀混合，测得混合物和面粉在0.2～2.2THz的吸收谱，同时对TBHQ进行理论的模拟对比。通过该实验说明太赫兹波检测TBHQ是可行的，为检测食品添加剂提供了一种新型手段。夏焱等利用THz-TDs技术分别对吊白块，增白剂及其混合物进行光谱检测，并获得了三者在0.2～1.5THz的吸收谱和折射谱。由分析可知，增白剂在太赫兹波段存在特征吸收峰，这可以用太赫兹波段的指纹特征用于进行物质识别；另外随着混合物中吊白块含量的增加，吸收系数逐渐下降，折射率逐渐增加；采用最小二乘（PLS）法对增白剂中吊白块的含量进行了定量分析。这些研究结果表明太赫兹技术在食品添加剂中的应用会越来越广泛。

4总结

随着太赫兹技术的快速发展，其在食品检测检测领域也取得了进展。但是要实现未来对食品中微量有害物质的快速无损检测和相似物的检测，太赫兹技术需要进一步得到发展，主要表现在：太赫兹技术的日渐成熟，系统设备逐渐稳定，成本降低；检测技术逐渐成熟能实现快速检测；进一步提高检测技术，使其技术走出实验室真正应用于现实中。在未来不断地对太赫兹光谱技术进行研究，充分利用其特殊性来实现太赫兹光谱技术的价值，更好的应用于生物学、医学以及航空航天、军事事业中。在不久的将来太赫兹技术将会对人类做出巨大贡献。