电子质量2018年第05期总第374期 太赫兹技术在农产品质量安全检测的应用研究进展 Research Advances in Terahertz Spectroscopy Detection of Harmful Substances in Agriculture Products 任方张元何商工业大学信科学与工程河南州40 45000 滴要：太林波在电磁波谱中位于红外波与微波之间，由于其独特的特性和潜在的运用价值，对其的研穷 益成为当今时代的 个研究热点。该文首先介绍太赫被的特性，重点介绍太赫兹时域光谱技 品检 与安全方面的研究进展情况进行速，最后再结合当代太赫兹技术的运用简要 业道 中图分类号：1S207.3 女音地，1001.0107D005.0027.05 Abstract:The Tehetated beten ared wave and microwave e ectromatwave spee um.In view of the characteristics ofterahertz wave and its potential applcation vale,the topic of the researc or the terahertz is heating up in a way extr mely.This paper first ntroduces the characters tics of terahertz ar of cont Key words:THZ-TDS:detection:safety:agricuhure produces CLC number:TS207.3 Document code:A Article ID:1003.0107201805.0027.0S 0前言 检测与分析方面也有长足讲展回 科研工作者对于太赫兹技术的研究己经有很多每 太赫兹波具有许多独特的特性如下 了，随着近些年来太赫兹技术的不断进步，我们对于俗 透视性：很多介电材料和非极性的液体有良好的穿 称电碰波谱的一段不为人知的”空白·了解日渐清脚 透性，太赫兹波可以借助这一特性对一些不透明物体进 所谓的太赫兹 段频率范围是指0.1-10TZ,其波段介 行成像 于微波和红外辐射之间。太赫兹长波方向是电磁学领 安全性：太赫兹辐射的光子能量很低，只有毫电子 域，它的短波方向是光学的研究领域，因为在这两个领 伏，再者水对太赫兹有非常强烈的吸收，人体内由于含 域中电磁波波源的工作方式和操作电磁波所应用的元 有大量水分，因此在对人体以及一些生活用品检测时有 件不相同的，只有学据两方面的知识，研穷出一些 “定安全性。 新技术以适应和满足太赫兹波独特的性质。由于超快》 光谱分辨本领：由于每种生物分子都具有能级跃迁 电子学技术的发展，其他种类技术也得到一些进步，到 的机会，在这个过程中主要表现对电磁波的强烈吸收和 目前为止发展了多种太赫兹技术如太赫兹时域光谱与 色散特性。采用太赫兹技术获得该物质的时域和频域谱 成像技术、太赫兹波三维成像技术、太赫兹波近场显微 图，我们可以分析其光谱信息 技术等等。太赫兹技术不仅在安全检查、化学和生物 瞬态性：太赫兹脉冲的脉宽在皮秒数量级，可以方 剂的检测、质量控制、医疗诊断有所进步，在农产品质量 便的对各种物质包括固体、液体、气体等各种有机分子 甚金项目：河南省高等学校面点科研项日计18A510003 作者筒介：任方海1992-，男.项士研究生.研究方向为电破探测技术，z波探测技术，粮食信息处理，E-mr心mn21504562c0m 张元1%1-.男.博士，教授，研究方向为电磁波探测技术、也被探测技术、粮食信息处理，通讯作者，E-miut@163.cm。 27 1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
电子质量 2018 年第 05 期(总 第 374 期) 太赫兹技术在农产品质量安全检测的应用研究进展 Research Advances in Terahertz Spectroscopy Detection of Harmful Substances in Agriculture Products 任方涛,张元（河南工业大学信息科学与工程学院,河南 郑州 450001） Ren Fan g - tao,Zh an g Yu an (College of information Science and Technology,Henan university of technology,Henan Zhengzhou 450001） 摘 要：太赫兹波在电磁波谱中位于红外波与微波之间，由于其独特的特性和潜在的运用价值，对其的研究 日益成为当今时代的一个研究热点。该文首先介绍太赫兹波的特性，重点介绍太赫兹时域光谱技术 (THZ- TDS)在农产品检测与安全方面的研究进展情况进行综述，最后再结合当代太赫兹技术的运用简要分 析一下太赫兹技术的不足之处。 关键词：太赫兹时域光谱；检测；安全；农产品 中图分类号：TS207.3 文献标识码：A 文章编号：1003- 0107(2018)05- 0027- 05 Ab st ract: The Te ra he rtz is locate d betwee n infra re d wa ve a nd mic rowa ve in the electroma g netic wa ve s pec - trum.In view of the c ha racte ristic s of te ra he rtz wa ve a nd its p ote ntial a p plication value,the topic of the re sea rc h for the te ra he rtz is heating up in a wa y e xtremely.This pa pe r first introd uce s the c ha racte ristic s of te ra he rtz a nd then focus on the Te rahe rtz Technology (THZ- TDS) reviewed on the resea rch p rog ress in the detection of ag ric ulture p rod uc e s a nd s a fety,finally a b rie f a nalysis of the us e of c ontemp ora ry te ra he rtz te c hnolog y a b out te ra he rtz tec hnolog y de ficie ncie s. Ke y w o rd s: THZ- TDS;detection;sa fety;a g ric ulture p rod uce s CLC n um be r: TS207.3 Docum e nt co de: A Article ID：1003- 0107(2018)05- 0027- 05 0 前言 科研工作者对于太赫兹技术的研究已经有很多年 了，随着近些年来太赫兹技术的不断进步，我们对于俗 称电磁波谱的一段不为人知的 " 空白 " 了解日渐清晰。 所谓的太赫兹波段频率范围是指 0.1~10THZ，其波段介 于微波和红外辐射之间[1]。太赫兹长波方向是电磁学领 域，它的短波方向是光学的研究领域，因为在这两个领 域中电磁波波源的工作方式和操作电磁波所应用的元 器件是不相同的，只有掌握两方面的知识，研究出一些 新技术以适应和满足太赫兹波独特的性质。由于超快光 电子学技术的发展，其他种类技术也得到一些进步，到 目前为止发展了多种太赫兹技术如太赫兹时域光谱与 成像技术、太赫兹波三维成像技术、太赫兹波近场显微 技术等等。太赫兹技术不仅在安全检查、化学和生物制 剂的检测、质量控制、医疗诊断有所进步，在农产品质量 检测与分析方面也有长足进展[2]。 太赫兹波具有许多独特的特性如下[3- 5]： 透视性：很多介电材料和非极性的液体有良好的穿 透性，太赫兹波可以借助这一特性对一些不透明物体进 行成像。 安全性：太赫兹辐射的光子能量很低，只有毫电子 伏，再者水对太赫兹有非常强烈的吸收，人体内由于含 有大量水分，因此在对人体以及一些生活用品检测时有 一定安全性。 光谱分辨本领：由于每种生物分子都具有能级跃迁 的机会，在这个过程中主要表现对电磁波的强烈吸收和 色散特性。采用太赫兹技术获得该物质的时域和频域谱 图，我们可以分析其光谱信息。 瞬态性：太赫兹脉冲的脉宽在皮秒数量级，可以方 便的对各种物质包括固体、液体、气体等各种有机分子 基金项目：河南省高等学校重点科研项目计划(18A510003) 作者简介：任方涛(1992- )，男，硕士研究生，研究方向为电磁波探测技术、THz 波探测技术、粮食信息处理，E- mail:renfangtao215045@162.com； 张元(1961- )，男，博士，教授，研究方向为电磁波探测技术、THz 波探测技术、粮食信息处理，通讯作者，E- mail:zy_haut@163.com。 27
太赫兹技术在农产品质量安全检测的应用研究进展任方海，等 进行时间分辨光谱的研究。 Site.BS和垃因的探测光Probe light两路.泵光用 信噪比高：太袜兹波具有相当高的信喝比，在同样 来激发太袜兹发射器发射太林兹耿冲，发射的太林兹秒 的噪声干扰情况下，能够有效排除一些不相关的因素于 冲被超半球硅透镜聚焦在太赫兹探测器上。探测光用 扰试验结果，进而提高实验果的精确度，可靠性进 探测太赫兹脉冲和检测太赫兹脉冲的场强。泵浦光经 步提高。 锁相环和透镜之后打在碑化镓(GaAs)光电导天线上，进 相干性：太赫兹被的相干性主要来源于其相干产生 而产生THZ波，HZ波经过一系列离轴抛物面镜( 机制，通过太赫兹技术可以得到物质的时域谱、频域谐， PM1-4被最终聚焦在被测样品上，然后携带样品一定信 再经过数学处理得到折射率、吸收系数、介电常数等相 关光学参数 体上，被TH 正是由于以上太赫兹波独特的特性，科学家发展了 多种技术来填补太赫兹间隙，未来随着这一技术的不断 等装置处理后将信号传递到计算机中。样品通过 创新与运用，相信太赫兹技术将会为人类的生活带来很 THZ-TDS装置后得到时域图谱，通过傅里叶变换得到 大便利。 频域图谱，然后在Dornev等人提出的光学参数提取模 型基础上，通过一定处理得到样品的折射率和吸收系 1太赫兹技术 数，对得到的这些样品数据通过人 Neural Network)、支持向量机(SVM、聚类分析(Cluste 1.1太赫兹时域光谱THZ-TDS) Analysis等等算法结合分析实验影据，进而得出结论。在 太赫兹时域光谱系统的基本装冒加图1所示 实验中由于同一束光束被分为泵浦脉冲和探测脉冲，所 [HZ-TDS系统的典型光路主要有四种长八：透射型光路 以一之间且右固定的时间关系，本转图延识线的作用 反射型光路、差异型光路和明啾展宽型光路，其中透 是延迟这两个脉冲的相对时间关系。 于水对太赫兹波 型光路运用最广，其工作原理是：利用钛蓝宝石飞秒 具有很大的吸收能力，整个实验装置最好在干燥的环域 模激光器产生脉冲宽度为10Oms,中心波长为800nm的 下进行，并且充满氮气气体对于降低干扰因素具有一定 激光，激光泵浦功率为4.0W,输出功率为500mW,脉冲 作用，环境温度保持在298K以上，相对湿度保持在4% 宽度约806，重复频率80Hz。飞秒激光在经过半波片 以下 82 HalfWave Plate,HWP)被分束片分为较强的泵浦光(Beam 大赫共时域光潜系统理图 2太赫兹技术在农产品方面检测的运用 峰在1.27、1.37、1.48THz处，麻油吸收峰在1.25、1.35 2.1油脂检测 1.46THz处，橄榄油吸收峰在1.29、1.39Tz处，进而通 过吸收峰和折射率的差异可以判别三种植物油。田其立 中国是粮食生产大国，油脂为人类新陈代谢提供 等利用不同油脂位能团之间的弟异，桶过获取三种油 所需的能量，油脂代指油和脂肪的总称，利用太赫蕊技 即正规油（全新采购）、类地沟油（炸处理）、地沟油（回收 术拾测油脂且有重要的应用价值。李注等采用太 处理)的时域和频域光谱，提取并且分析每种油脂的 兹技术获得山茶油、麻油、橄榄油在频段0.315H的 射率、吸收系数、吸收峰位置、延迟时间等光学参数进而 时域谱，通过选代算法计算获得三种油脂的折射率和吸 获取不同种类油脂的特有光谱信息，为鉴别油脂的种类 收系数，折射率依次是1.458、1468、1.452，山茶油吸收 提供有效方法。宝日玛等利用不同种类油脂在0.16 20 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
太赫兹技术在农产品质量安全检测的应用研究进展 任方涛，等 进行时间分辨光谱的研究。 信噪比高：太赫兹波具有相当高的信噪比，在同样 的噪声干扰情况下，能够有效排除一些不相关的因素干 扰试验结果，进而提高实验结果的精确度，可靠性进一 步提高。 相干性：太赫兹波的相干性主要来源于其相干产生 机制，通过太赫兹技术可以得到物质的时域谱、频域谱， 再经过数学处理得到折射率、吸收系数、介电常数等相 关光学参数。 正是由于以上太赫兹波独特的特性，科学家发展了 多种技术来填补太赫兹间隙，未来随着这一技术的不断 创新与运用，相信太赫兹技术将会为人类的生活带来很 大便利。 1 太赫兹技术 1.1 太赫兹时域光谱(THZ- TDS ) 太赫兹时域光谱系统的基本装置如图 1 所示， THZ- TDS 系统的典型光路主要有四种[6- 7]：透射型光路、 反射型光路、差异型光路和啁啾展宽型光路，其中透射 型光路运用最广，其工作原理是：利用钛蓝宝石飞秒锁 模激光器产生脉冲宽度为 100ms，中心波长为 800nm 的 激光，激光泵浦功率为 4.0W，输出功率为 500mW，脉冲 宽度约 80fs，重复频率 80MHz。飞秒激光在经过半波片 (HalfWave Plate，HWP)被分束片分为较强的泵浦光(Beam Splitter，BS)和较弱的探测光(Probe Light)两路，泵浦光用 来激发太赫兹发射器发射太赫兹脉冲，发射的太赫兹秒 冲被超半球硅透镜聚焦在太赫兹探测器上。探测光用来 探测太赫兹脉冲和检测太赫兹脉冲的场强。泵浦光经过 锁相环和透镜之后打在砷化镓(GaAs)光电导天线上，进 而 产 生 THZ 波 ，THZ 波经过一系列离轴抛物面镜( PM1- 4)被最终聚焦在被测样品上，然后携带样品一定信 息量的太赫兹波与探测光再次被聚焦在碲化锌(ZnTe)晶 体上，被 THZ 波调制的探测光先后经过 1/4 玻片(QWP)、 沃拉斯顿棱镜(PBS)、差分探测器(detector)、锁相放大器 等装置处理后将信号传递到计算机中。样 品 通 过 THZ- TDS 装置后得到时域图谱，通过傅里叶变换得到 频域图谱，然后在 Dorney[8]等人提出的光学参数提取模 型基础上，通过一定处理得到样品的折射率和吸收系 数，对得到的这些样品数据通过人工神经网络(Artificial Neural Network)、支持向量机 (SVM)、聚类分析(Cluster Analysis)等等算法结合分析实验数据，进而得出结论。在 实验中由于同一束光束被分为泵浦脉冲和探测脉冲，所 以二者之间具有固定的时间关系，本装置延迟线的作用 是延迟这两个脉冲的相对时间关系。由于水对太赫兹波 具有很大的吸收能力，整个实验装置最好在干燥的环境 下进行，并且充满氮气气体对于降低干扰因素具有一定 作用，环境温度保持在 298K 以上，相对湿度保持在 4% 以下。 图 1 太赫兹时域光谱系统原理图 2 太赫兹技术在农产品方面检测的运用 2.1 油脂检测 中国是粮食生产大国，油脂为人类新陈代谢提供 所需的能量，油脂代指油和脂肪的总称，利用太赫兹技 术检测油脂具有重要的应用价值。李建蕊[9]等采用太赫 兹技术获得山茶油、麻油、橄榄油在频段 0.3- 1.5THz 的 时域谱，通过迭代算法计算获得三种油脂的折射率和吸 收系数，折射率依次是 1.458、1.468、1.452，山茶油吸收 峰在 1.27、1.37、1.48THz 处，麻油吸收峰在 1.25、1.35、 1.46THz 处，橄榄油吸收峰在 1.29、1.39THz 处，进而通 过吸收峰和折射率的差异可以判别三种植物油。田其立 [10]等利用不同油脂官能团之间的差异，通过获取三种油 即正规油(全新采购)、类地沟油(煎炸处理)、地沟油(回收 处理)的时域和频域光谱，提取并且分析每种油脂的折 射率、吸收系数、吸收峰位置、延迟时间等光学参数进而 获取不同种类油脂的特有光谱信息，为鉴别油脂的种类 提供有效方法。宝日玛[11]等利用不同种类油脂在 0.16- 28
电子质量2018年第05期（总第374期刷 1.30THZ的频谱图数据进行聚类分析，再结合概率神 博·比尔定律结合太赫兹技术对舍尔牌和特普宁牌到 网络法成功鉴别两种地沟油实验样品。梁川等通过太 品中抗生素主成分含量的分析，如表1所示，显示测 赫兹技术测得不同玉米不同部位的光学参数图谱如折 相对误弟都小于5%，所以可以采用太赫兹技术分析药 射率、吸收系数、时域图谱等，分析玉米籽粒测定部位 品中主成分含量具有一定可行性。李晗等采用HZ 平滑度、品种的所得谱图的影响，进而得出结论玉米油 IDS技术得到六种将糖类药物在0.3-3.0Tz范围内的 集中在种胚部分而淀粉主要集中在胚乳部分，为将来 太赫兹吸收系数谱 然后利用支持向量机的方法选耳 测玉米播种后产量预测提供一定理论依据。 1.5-2.0Tz范围内的分类特征数据进行鉴别将糖类药 2.2抗生素检测 物。吉特等采用太赫兹技术对DL、DL、青莓胺的 吸收光蓝研究发现其光谱存在品芸差异，利用纯D,L 潘用抗生素表现为不良反应增多和药物费用增加 吉胺湿合样品的吸收光普讲行拟合，据此证明了可以 因此加大对于抗生素的研究对人类生活有一定价值，利 利用太赫兹技术鉴别青霉胺的相对含量，这为检测药物 用太赫兹技术对抗生素研究具有一定可靠性、可观性 分子提供了新的方法 。李宁等 采用太赫兹技术得 通过太赫兹技术获得抗生素的折射率、吸收系数等光学 种阿莫西林样品的吸收系数谐和折射率谱，对比发现吸 参数，为进 ·步研究其药物特性 丁下基础。就 收锋位置在0.201.601H2基本审合，但是所时察有很大 用太赫兹时域光谱技术(THZ-TDS)得6种常用抗生素 差异。这在一定程度上可以为鉴别出种药物提供依据 药物的吸收光谱，采用量子化学的计算方法，对青霉素 志刚网采用HTDS技术测定了核黄素和细酸在 钠分子的振动光曹进行了识别和确认，实验结果表明， 0.2-2.0T的吸收谱和折射率谱核黄素的吸收峰分别 即使分子结构相识的物质，利用太林兹时域光谱技术比 位于1.03T2.1.16THz、1.49Tz、1.89TH2 烟酸的吸 能识别这种微小差异，可以很好地用于药物检测与分析 峰位置位于139THz、1.72Hz、1.85Hz,此外二者的平 网等采用 太赫兹技术获得4种头孢类抗生 均折射率依次是170、165。得出二者的吸收峰位留和 在0.21.5THz频段的吸收谱和折射率谱，这些抗生素利 折射率存在显著差异，据此可以分析与研究该类维生素 类中部分存在明显的特征吸收峰，对于没有特征吸收峰 类药物。 的抗生素可以根据折射率的差异进行鉴别，最后采用朗 表1头孢克污含量对比结果 包装上标定含量/% 实验测定含量% 绝对误差/% 相对误差% 舍尔牌 21 22.97 197 938 特普宁牌 28 282 0.26 0.92 2.3水分检测 量0.01%~0.25%W以及吸收系数请图，实验结果表 水分对于太赫兹波有很大的吸收能力，特别是液态 明原油乳状液太赫兹吸收系数与含水率呈线性关系，这 水1nHZ的吸收系数是230cm。干整整第利用太# 表明太赫兹波在确定原油含水浓度和钻井液识别方面 兹时域光警技术拾测水和氯化钠溶液。袒到介电普图 的潜力 随着领率的增加，介电函数的实部和虚部在不断减小 利用双德拜模型做为理论模型对此参数进行模拟，模村 2.4 违禁添加物检测 结果与实验结果基木相似，由此得出了水和氯化钠溶液 食品安全与人们的生活安全息息相关，对于违禁添 分子快速移动的特征时间分别为9.6ps和10.7ps。马品四 加物的检测要严守把关，采用太赫兹时域光谱技术 等采用太赫兹技术获得了不同含水量的时域波形，对其 THZ TDS9分析混合物中有无惨杂物有一定研究意义 处理得到吸收系数曲线，经过分析得到吸收系数随着含 管爱红四等采用太赫兹时域光谱技术对红薯淀粉中的 水量的增大而增大，且含水量越高，吸收越 。龙园P 添加剂进行研究，通过二者的时域光谱和频域光谱计算 用太赫兹技术通过提取光学参数以及特性频谱来对 得到吸收系数普和折射率普，发现明矾在太赫兹波段 物叶片图像进行重构，得到结论绿萝离体叶片的二维图 有明显的特征吸收峰，然后通过对红薯中添加一定量明 像随若频率的变化而有所不同，叶肉与叶脉由于含水量 矾依次配置不同质量比的 二者混合物，得到吸收系数 差异，对太抹兹波的吸收也不同。lin Wu Jun等采用太 和折射率谱，进一步发现随着明巩含量的增加，混合物 赫兹时域光谱法测量在20℃条件下原油乳状液的含水 淀粉吸收峰位置不变幅度依次变大，折射率逐渐变大， 1994-2018 China Academic lournal Electronic c Publishing House.All rights reserved
电子质量 2018 年第 05 期(总 第 374 期) 1.30THZ 的频谱图数据进行聚类分析，再结合概率神经 网络法成功鉴别两种地沟油实验样品。梁川[12]等通过太 赫兹技术测得不同玉米不同部位的光学参数图谱如折 射率、吸收系数、时域图谱等，分析玉米籽粒测定部位、 平滑度、品种的所得谱图的影响，进而得出结论玉米油 集中在种胚部分而淀粉主要集中在胚乳部分，为将来预 测玉米播种后产量预测提供一定理论依据。 2.2 抗生素检测 滥用抗生素表现为不良反应增多和药物费用增加， 因此加大对于抗生素的研究对人类生活有一定价值，利 用太赫兹技术对抗生素研究具有一定可靠性、可观性， 通过太赫兹技术获得抗生素的折射率、吸收系数等光学 参数，为进一步研究其药物特性打下基础。戴浩[13]等利 用太赫兹时域光谱技术(THZ- TDS)获得 6 种常用抗生素 药物的吸收光谱，采用量子化学的计算方法，对青霉素 钠分子的振动光谱进行了识别和确认，实验结果表明， 即使分子结构相识的物质，利用太赫兹时域光谱技术也 能识别这种微小差异，可以很好地用于药物检测与分析。 张曼[14]等采用太赫兹技术获得 14 种头孢类抗生素纯品 在 0.2- 1.5THz 频段的吸收谱和折射率谱，这些抗生素种 类中部分存在明显的特征吸收峰，对于没有特征吸收峰 的抗生素可以根据折射率的差异进行鉴别，最后采用朗 博 - 比尔定律结合太赫兹技术对舍尔牌和特普宁牌药 品中抗生素主成分含量的分析，如表 1 所示，显示测量 相对误差都小于 5%，所以可以采用太赫兹技术分析药 品中主成分含量具有一定可行性。李晗[15]等采用 THZTDS 技术得到六种将糖类药物在 0.3- 3.0Thz 范围内的 太赫兹吸收系数谱，然后利用支持向量机的方法选取 1.5- 2.0Thz 范围内的分类特征数据进行鉴别将糖类药 物。吉特[16]等采用太赫兹技术对 D- 、L- 、DL- 、青霉胺的 吸收光谱研究发现其光谱存在显著差异，利用纯 D- 、L- 青霉胺混合样品的吸收光谱进行拟合，据此证明了可以 利用太赫兹技术鉴别青霉胺的相对含量，这为检测药物 分子提供了新的方法。李宁[17]等采用太赫兹技术得到三 种阿莫西林样品的吸收系数谱和折射率谱，对比发现吸 收峰位置在 0.20- 1.60THz 基本重合，但是折射率有很大 差异，这在一定程度上可以为鉴别此种药物提供依据。 颜志刚[18]等采用 THz- TDS 技术测定了核黄素和烟酸在 0.2- 2.0THz 的吸收谱和折射率谱核黄素的吸收峰分别 位于 1.03THz、1.16 THz、1.49THz、1.89THz，烟酸的吸收 峰位置位于 1.39THz、1.72THz、1.85THz，此外二者的平 均折射率依次是 1.70、1.65，得出二者的吸收峰位置和 折射率存在显著差异，据此可以分析与研究该类维生素 类药物。 表 1 头孢克圬含量对比结果 2.3 水分检测 水分对于太赫兹波有很大的吸收能力，特别是液态 水(1THZ 的吸收系数是 230cm- 1)。王萃萃[19]等利用太赫 兹时域光谱技术检测水和氯化钠溶液，得到介电谱图， 随着频率的增加，介电函数的实部和虚部在不断减小， 利用双德拜模型做为理论模型对此参数进行模拟，模拟 结果与实验结果基本相似，由此得出了水和氯化钠溶液 分子快速移动的特征时间分别为 9.6ps 和 10.7ps。马品[20 ] 等采用太赫兹技术获得了不同含水量的时域波形，对其 处理得到吸收系数曲线，经过分析得到吸收系数随着含 水量的增大而增大，且含水量越高，吸收越大。龙园[21]采 用太赫兹技术通过提取光学参数以及特性频谱来对植 物叶片图像进行重构，得到结论绿萝离体叶片的二维图 像随着频率的变化而有所不同，叶肉与叶脉由于含水量 差异，对太赫兹波的吸收也不同。Jin Wu Jun[22]等采用太 赫兹时域光谱法测量在 20℃条件下原油乳状液的含水 量(0.01%～0.25% W/w)以及吸收系数谱图，实验结果表 明原油乳状液太赫兹吸收系数与含水率呈线性关系，这 表明太赫兹波在确定原油含水浓度和钻井液识别方面 的潜力。 2.4 违禁添加物检测 食品安全与人们的生活安全息息相关，对于违禁添 加物的检测要严守把关，采用太赫兹时域光谱技术( THZ- TDS) 分析混合物中有无惨杂物有一定研究意义。 管爱红[23]等采用太赫兹时域光谱技术对红薯淀粉中的 添加剂进行研究，通过二者的时域光谱和频域光谱计算 得到吸收系数谱和折射率谱，发现明矾在太赫兹波段没 有明显的特征吸收峰，然后通过对红薯中添加一定量明 矾依次配置不同质量比的二者混合物，得到吸收系数谱 和折射率谱，进一步发现随着明矾含量的增加，混合物 淀粉吸收峰位置不变幅度依次变大，折射率逐渐变大， 29
太赫兹技术在农产品质量安全检测的应用研究进展任方海，等 进而得出太赫兹技术可以用于红薯淀粉中明矾的定性 4随着科技的不断进步，太赫兹间隙”尽管已 与定量检测。周小P等采用H2DS测量了室温条 填补了，但是能量的转换效率低下等等问题还没真正得 件下三聚氨胺和三聚氧酸在0325THz频段下的吸收 到解决。为了解决一些实际问题，需要研究一些性能较 普和折射率普，结果发现三聚氯胺吸收峰位置在198 高、能在一般环境下工作的太赫兹系统装置，相信这是 24Tz处，三聚氟酸吸收峰在127、1.37Tz处，这为鉴 当代太赫兹技术将要努力的方向。即使太赫兹技术理论 别乳粉中是否含有三聚氰胺提供一定理论基础， 很成熟， 但是很多技术并没有投入到实际应用阶段，加 上太赫效技术运用所需要的很多器件品贵，很多方面限 2.5转基因品种检测 生了太林兹技术难以多方面施展 随若1983年第一例转基因植物构速成功，转基因 的研究日益得到大家的关注，特别是农产品的一些转 因品种，因此采用 定的检测技术来验证转基因产品白 参考文献： 安全性具有必要性。 沈晓晨等采用太赫兹时域光谱 []许景周，张希成太赫兹科学技术和应用北京：北京 大学出折补2007,1-6 术获得三种转基因棉花种子和一种常规育种棉花种子 的光普参数图谱，发现在吸收系数谱中，三种转基因棉 2王少宏，许景周，汪力，等.z技术的应用及展望物 花种子在频率1.21,1.23和1.41H2处对太赫兹波表现 理2001,3010612-615 明显吸收，而常规有种没有这种特 ,这种差异可以表 [3浏盛纲，姚建铨，张杰，等太赫兹科学技术的新发现C 香山科学会议第270次学术讨论会，2005 现为对转基因棉花种子的有效鉴别。张文涛阿等利用大 赫兹技术间接由时域光谱获取油脂的吸光度谱，然后将 [4Zhang X CTerahertz wave imaging horizons and hurdles IPhysics in Medicine Bioloy.2002 47(2113667-77. 其数据导入建立的PCA-SVM模型中，通过别除冗余数 Gl Martin MCMekinne 据，降低数据维数鉴别油脂。 rahe on i om relativistic electrons[Nature,2002 3 太赫兹技术(THZ.TDS)的研究现状 4206912)153-156 太赫兹技术是近些年来新兴的一种运用范围较 [6JBaxter J B.Guglietta G W.Terahertz spectroscopy[Analy 的光谱技术，世界各国的很多研究学者都在从事本方面 tieal Chemistry 2011 8301214342-4368 的研究与探索，相信在不久的将来太赫兹技术将会在人 [7Ferguson B.Zhang XC.Materials for ter ahertz scienc and 们的生产与生活中粉演电多的角色。由于太林兹波独精 ogy[].N re M erials,.2002,1026-32 的特性，其被广泛运用在农产品检训与分析方面，并且 [8Domey TD.Baraniuk R GMittleman DMMaterial para 取得一定研究成果，通过太赫兹技术对待检测物质的物 me-ter estimation with terahertz time-domain spectros 理特性进行光分析是握太赫技术的提，虽然太 copy[JJoural of the Optical Society of America A Optics 赫兹技术在农产品品质检测与分析方面取得 Imaoe Science Vision 2001 18(7r1562.71 定研究 成果，但是面临的客观问题依旧有待解决，太赫兹技术 9例李建，李九生植物油的太赫兹时域谱分析中国 有待改善的方面如下 10,256112-11 太赫兹技术虽然在过去的多年里有很大的长足 [10]其立，尉鹏飞，金丽芬，等基于太赫兹时域光谐技术 进展，但是由于水等强极性液体对太赫兹的吸收，导致 的地沟油检测与识别0山东科学，2015,28384-89 在采用太赫兹技术进行试验时水分对于仪器或者样品 「111詹洪磊，宝日玛，戈立娜，等.利用太赫兹技术和统计方 都有极大影响。 法整别地沟油中国油脂2015.40452-54. (2)当代采用太赫兹技术进行的研究范围有限，大多 [12噪川威淑叶，李 ，等.太赫兹时域光带检测高油王 数都是一些比较热的领域，同样的课题多人研究等，并 米油分初探食品安全质量检测学报，2014,5673( 且绝大部分都集中在纯品的研究，对于一些混合物的研 735 究相对较少，并且混合物的种类 般都集中在两利 13]咸浩，徐开俊，金飚兵，等.β·内酰胺类抗生素药物的 (太赫兹仪器现在大多数都是在室内，并且昂贵 太赫兹光谱円红外与激光工程2013.42(190-95. 只在一定有科研经费的高校或者国家机构才能从事此 「14张朱思原李庆梅等太林兹技术对孢菌素类抗 方面的研究。实验设备所在的环境指标达不到要求，对 主素的研究0光谱学与光谱分析，2013,332330-33 实验结果的准确度有一定影响，即使是同样的实验在同 15李晗，董弹，王家泰，等基于时域太赫兹波谱法的降 样的设备多次测量、实验，所得结果有一定区分度。 类药物分类与分析)医用生物力学，2011,26(6)555 559 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publis ing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
进而得出太赫兹技术可以用于红薯淀粉中明矾的定性 与定量检测。周小柳[24]等采用 THZ- TDS 测量了室温条 件下三聚氰胺和三聚氰酸在 0.3- 2.5THz 频段下的吸收 谱和折射率谱，结果发现三聚氰胺吸收峰位置在 1.98、2 .24THz 处，三聚氰酸吸收峰在 1.27、1.37THz 处，这为鉴 别乳粉中是否含有三聚氰胺提供一定理论基础。 2.5 转基因品种检测 随着 1983 年第一例转基因植物构建成功，转基因 的研究日益得到大家的关注，特别是农产品的一些转基 因品种，因此采用一定的检测技术来验证转基因产品的 安全性具有必要性。沈晓晨[25]等采用太赫兹时域光谱技 术获得三种转基因棉花种子和一种常规育种棉花种子 的光谱参数图谱，发现在吸收系数谱中，三种转基因棉 花种子在频率 1.21、1.23 和 1.41THZ 处对太赫兹波表现 明显吸收，而常规育种没有这种特性，这种差异可以表 现为对转基因棉花种子的有效鉴别。张文涛[26]等利用太 赫兹技术间接由时域光谱获取油脂的吸光度谱，然后将 其数据导入建立的 PCA- SVM模型中，通过剔除冗余数 据，降低数据维数鉴别油脂。 3 太赫兹技术(THZ- TDS )的研究现状 太赫兹技术是近些年来新兴的一种运用范围较广 的光谱技术，世界各国的很多研究学者都在从事本方面 的研究与探索，相信在不久的将来太赫兹技术将会在人 们的生产与生活中扮演更多的角色。由于太赫兹波独特 的特性，其被广泛运用在农产品检测与分析方面，并且 取得一定研究成果，通过太赫兹技术对待检测物质的物 理特性进行光谱分析是掌握太赫兹技术的前提，虽然太 赫兹技术在农产品品质检测与分析方面取得一定研究 成果，但是面临的客观问题依旧有待解决，太赫兹技术 有待改善的方面如下。 (1)太赫兹技术虽然在过去的多年里有很大的长足 进展，但是由于水等强极性液体对太赫兹的吸收，导致 在采用太赫兹技术进行试验时水分对于仪器或者样品 都有极大影响。 (2)当代采用太赫兹技术进行的研究范围有限，大多 数都是一些比较热的领域，同样的课题多人研究等，并 且绝大部分都集中在纯品的研究，对于一些混合物的研 究相对较少，并且混合物的种类一般都集中在两种。 (3)太赫兹仪器现在大多数都是在室内，并且昂贵， 只在一定有科研经费的高校或者国家机构才能从事此 方面的研究。实验设备所在的环境指标达不到要求，对 实验结果的准确度有一定影响，即使是同样的实验在同 样的设备多次测量、实验，所得结果有一定区分度。 4)随着科技的不断进步，太赫兹 " 间隙 " 尽管已经 填补了，但是能量的转换效率低下等等问题还没真正得 到解决。为了解决一些实际问题，需要研究一些性能较 高、能在一般环境下工作的太赫兹系统装置，相信这是 当代太赫兹技术将要努力的方向。即使太赫兹技术理论 很成熟，但是很多技术并没有投入到实际应用阶段，加 上太赫兹技术运用所需要的很多器件昂贵，很多方面限 制了太赫兹技术难以多方面施展。 参考文献： [1]许景周,张希成.太赫兹科学技术和应用[M].北京:北京 大学出版社,2007:1- 6. [2]王少宏,许景周,汪力,等.THz 技术的应用及展望[J].物 理,2001,30(10):612- 615. [3]刘盛纲,姚建铨,张杰,等.太赫兹科学技术的新发现[C]. 香山科学会议第 270 次学术讨论会,2005. [4]Zhang X C.Terahertz wave imaging: horizons and hurdles [J].Physics in Medicine & Biology,2002,47(21):3667- 77. [5]Carr G L,Martin MC,Mckinney W R,et al.High- power terahertz radiation from relativistic electrons[J].Nature,2002, 420(6912):153- 156. [6]Baxter J B,Guglietta G W.Terahertz spectroscopy[J].Analy tical Chemistry,2011,83(12):4342- 4368. [7]Ferguson B,Zhang X C.Materials for terahertz science and technology[J].Nature Materials,2002,1(1):26- 32. [8]Dorney T D,Baraniuk R G,Mittleman D M.Material parame- ter estimation with terahertz time- domain spectroscopy[J].Journal of the Optical Society of America A Optics Image Science & Vision,2001,18(7):1562- 71. [9]李建蕊,李九生.植物油的太赫兹时域谱分析[J].中国 粮油学报,2010,25(3):112- 114. [10]田其立,尉鹏飞,金丽芬,等.基于太赫兹时域光谱技术 的地沟油检测与识别[J].山东科学,2015,28(3):84- 89. [11]詹洪磊,宝日玛,戈立娜,等.利用太赫兹技术和统计方 法鉴别地沟油[J].中国油脂,2015,40(4):52- 54. [12]梁川,戚淑叶,李曦染,等.太赫兹时域光谱检测高油玉 米油分初探[J].食品安全质量检测学报,2014,5(3):730- 735. [13]戴浩,徐开俊,金飚兵,等.β- 内酰胺类抗生素药物的 太赫兹光谱[J].红外与激光工程,2013,42(1):90- 95. [14]张曼,朱思原,李庆梅,等.太赫兹技术对头孢菌素类抗 生素的研究[J].光谱学与光谱分析,2013,33(2):330- 333. [15]李晗,董萍,王家泰,等.基于时域太赫兹波谱法的降糖 类药物分类与分析[J].医用生物力学,2011,26(6):555- 559. 太赫兹技术在农产品质量安全检测的应用研究进展 任方涛，等 30
电子质量2018年第05期总第374期 16吉特，赵红卫，张增艳，等DL和DL青霉胺的 ments of water terahert 赫兹时域光谱)物理化学学报，2006,22911591162 time-domain spectroscopyApplied Geophysics,2013,10 7李宁，沈京玲，贸燕，等阿莫西林的太赫兹光谱研究) (4506-509 光谱学与光普分析2007.27911692.1695. 23]管爱红，李智，葛宏义红薯淀粉中添加剂明矾的定性 18颜志列，侯油波，曹丙花，等核黄素和烟酸的太赫兹 和定量太赫兹时域光谱技术检测)光谱学与光谱分 (H2光谱研究红外与毫米波学报，2008,276326 折20183811267.270 329 24周小柳，唐忠锋，王继虎，等.三聚氰胺和三聚氰酸白 19E萃萃，刘尚建，赵晓品，等利用太赫兹时域光谱技术 太赫兹光谱研究安微农业科学，2009,376115120 检测水和氯化钠溶液)太赫兹科学与电子信息学报， 45122 2017.15(4548-552. 25沈晓悬，李斌李霞，等基于太赫兹时域光谱的转基因 20]马品，杨玉平运用太赫兹光谱技术检测天麻中的水 与非转基因棉花种子鉴别可农业工程学报，201733 分含量川.太赫兹科学与电子信良学报.2017.15(1上26 e1288.2g7 2853 [26张文涛，李跃文，占平平，等基于太赫兹时域光谱技术 21园，赵春江，李斌基于太赫兹技术的植物叶片水分 与PCA-SVM的转基因大豆油鉴别研究)红外与激 检测初步研究)光谱学与光谱分析，2017,3710)3027 光工程，2017,46(11159-164 -3031. 22Jin W J.Zhao K.Chen Y.et al.Experimental measure- 4-44-小4+44-4g4444-0g4444444444-4g44 博士案例答案 参考答案： 一、单项选择题 1.D2.C3.A4.B5.C6.A7.A 8.c 二、多项选择题 1.ABDE 2.ABCE 3.AD 4.ABC 99 31 ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
电子质量 2018 年第 05 期(总 第 374 期) [16]吉特,赵红卫,张增艳,等.D- 、L- 和 DL- 青霉胺的太 赫兹时域光谱[J].物理化学学报,2006,22(9):1159- 1162. [17]李宁,沈京玲,贾燕,等.阿莫西林的太赫兹光谱研究[J]. 光谱学与光谱分析,2007,27(9):1692- 1695. [18]颜志刚,侯迪波,曹丙花,等.核黄素和烟酸的太赫兹 (THz)光谱研究[J].红外与毫米波学报,2008,27(5):326- 329. [19]王萃萃,刘尚建,赵晓晶,等.利用太赫兹时域光谱技术 检测水和氯化钠溶液[J].太赫兹科学与电子信息学报, 2017,15(4):548- 552. [20]马品,杨玉平.运用太赫兹光谱技术检测天麻中的水 分含量[J].太赫兹科学与电子信息学报,2017,15(1):26- 28,53. [21]龙园,赵春江,李斌.基于太赫兹技术的植物叶片水分 检测初步研究[J].光谱学与光谱分析,2017,37(10):3027 - 3031. [22]Jin W J,Zhao K,Chen Y,et al.Experimental measurements of water content in crude oil emulsions by terahertz time- domain spectroscopy[J].Applied Geophysics,2013,10 (4):506- 509. [23]管爱红,李智,葛宏义.红薯淀粉中添加剂明矾的定性 和定量太赫兹时域光谱技术检测[J].光谱学与光谱分 析,2018,38(1):267- 270. [24]周小柳,唐忠锋,王继虎,等.三聚氰胺和三聚氰酸的 太赫兹光谱研究[J].安徽农业科学,2009,37(31):15120- 15122. [25]沈晓晨,李斌,李霞,等.基于太赫兹时域光谱的转基因 与非转基因棉花种子鉴别 [J]. 农业工程学报,2017,33 (s1):288- 292. [26]张文涛,李跃文,占平平,等.基于太赫兹时域光谱技术 与 PCA- SVM的转基因大豆油鉴别研究[J].红外与激 光工程,2017,46(11):159- 164. 参考答案： 一、单项选择题 1．D 2．C 3．A 4．B 5．C 6．A 7．A 8．C 二、多项选择题 1．ABDE 2．ABCE 3．AD 4．ABC 博士案例答案 “ “ 31