基于THz技术的农产品品质无损检测研究

农产品品质备受关注,而由品质变化引发的农产品安全事故频繁,开发农产品品质的快速无损检测技术成为研究热点。太赫兹波(THz)是介于微波与红外之间的电磁辐射,由于其独特的优势,具有重要的科学研究价值。近年来,随着THz辐射源和探测器研究的不断突破,大大丰富了THz的应用研究。与其他检测技术相比,作为一种新型检测技术,THz辐射具有安全和高信噪比等重要特征,能获得传统检测方法无法获得的物理、化学和生物等信息,在质量安全检测与控制、生物医学和通信等领域的应用前景广阔。首先介绍了THz波的概念和主要性质,接着对THz技术在农产品品质检测应用上的研究进展进行综述,分析THz探测技术存在的问题,对THz技术的应用潜力进行展望,最后提出THz技术在储粮品质检测中新的应用和广阔前景。     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0.3~2.1 THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0．3～2．1THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

茶叶夹杂昆虫异物THz光谱检测研究

中国红茶因其悠远的文化底蕴和多种保健功效而广受推崇。红茶经杀青、揉捻、晒干、筛选、干燥制成成品。但复杂的加工工艺也增加了物理污染的风险,在加工过程中难免会夹杂非茶类异物。物理污染属于随机事件,占食品安全投诉事件的19.8%。降低食品污染是未来造成厂家与消费者、进出口贸易双方争议的关键。昆虫等有机异物尚属于X射线不可检测范畴的食品异物,但昆虫异物混入频率较高,容易造成消费投诉,迫切需要开发相应的无损检测方法。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术作为一种新兴的检测技术,在农产品、食品以及药品无损检测方面均具有良好的应用潜力。THz具有良好的低能透射和指纹光谱特性、且无电离辐射损伤,能透过食品基质获取潜藏异物的光谱和图像信息,是农产品、食品无损检测的较佳选择。为了实现茶叶夹杂低密度有机异物的高效检测,本文基于THz光谱技术,探索红茶夹杂昆虫异物的无损检测新方法。在0.2～3.0 THz范围内,采集了红茶基质、昆虫异物以及夹杂昆虫异物红茶的THz光谱。分析了茶叶基质和昆虫异物的THz吸收系数和介电损耗响应特性,从频谱图可以看出茶叶基质与昆虫异物的THz吸收系数和介电损耗存在显著的差异,主要由昆虫异物的蛋白质和脂肪成分引起,这奠定了红茶夹杂昆虫异物的THz光谱检测基础。但茶叶与昆虫异物吸收系数均无明显的特征峰,且在2.0～3.0 THz高频波段内存在较为明显的噪声。采用主成分分析方法分别对吸收系数和介电损耗进行降维处理,通过得分图可以判断出红茶基质与夹杂昆虫异物的红茶之间存在明显的区别,且吸收系数的聚类效果优于介电损耗系数。分别选取0.5～1.0 THz范围的THz吸收系数和介电损耗为输入向量,建立了支持向量机（SVM）和线性判别分析（LDA）判别模型。实验结果表明,基于THz吸收系数的LDA判别模型精度最高,新样品的正确识别率为73.68%。这说明应用THz时域光谱无损检测红茶夹杂的昆虫异物具有可行性,同时THz光谱结合模式识别算法为茶叶夹杂昆虫异物无损检测提供了新方法,也可为其他农产品和食品检测提供参考。     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹（Terahertz,THz）波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱（超声、X射线、红外等）检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

太赫兹技术在农产品品质检测中的研究进展

农产品质量安全日益受到关注。由于传统检测方法存在耗时长、操作复杂、消耗大量溶剂、成本高等问题,因而迫切需要开发快速无损检测技术。在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的太赫兹波,因其所处波段的特殊性,使其具有了瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等一系列特性,太赫兹技术可以有效反映有机生物分子的结构和性质,作为物质“指纹”谱,该技术逐渐应用于有机生物分子的定性、定量分析,在近红外光谱、拉曼光谱、X射线等众多光谱类快速无损检测技术中成为一种极具竞争力的新兴检测技术。首先介绍了太赫兹波特点,太赫兹光谱及其成像技术原理;其次,在其基础上总结了太赫兹数据处理一般流程及其主要步骤中的常用分析方法,着重对定量、定性分析步骤中模型搭建方法、评估方法、评估指标进行了阐述;再次,讨论了近几年来太赫兹技术在农产品品质检测中的几个关键领域应用和研究进展,具体包括农药残留、抗生素、毒素等微量有害物质检测,掺假、转基因和外源异物的鉴别以及农产品内部营养成分含量预测等;最后,系统探讨了太赫兹技术在农产品品质检测领域尚需解决的问题,以此为导向总结需要进一步加强的研究方向,并对太赫兹技术在农产品品质领域未来发展作出展望。已有研究文献表明太赫兹技术在农产品品质检测领域的有效性。尤其,对非极性物质不敏感的特性,使其对已包装农产品的品质检测与评估具有得天独厚的优势。随着机器学习、强化学习等信息科学技术发展,一方面进一步加强太赫兹数据分析技术研究,通过数据自主学习,从数据角度揭示科学规律,构建精度更高、运算开销更小、实时性更强、泛化能力更好的分析模型;另一方面从分子振动理论出发,结合化学、物理学知识,研究太赫兹光谱特性的形成机理,并将获取的先验知识应用于分析模型的构建,通过数据与机理二者有机结合,提高太赫兹光谱分析软实力。未来硬件系统开发上以便携、低成本、灵敏度高为目标,最终实现太赫兹技术应用从实验室研究阶段逐渐走向商用工程化应用。     

多种糖混合物的太赫兹时域光谱定性及定量分析研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术研究了D-(-)-核糖、D-葡萄糖、α-乳糖一水合物及β-乳糖在0.3～1.6 THz波段的光谱特性。结果显示THz波对几种糖结构的变化有灵敏响应,在测量波段内有各自特征的THz指纹吸收光谱。利用线性回归技术对含两至四组分混合体系的THz光谱进行定性及定量解析,获得了混合物中各组分含量,相对误差小于7.2%,并就误差产生的原因做了简要分析。实验结果表明THz-TDS技术能够用于材料的定性及定量分析研究,在生物医药的无损检测和质量控制等方面有重要的应用前景。     

水合TiO2的太赫兹特性和介电动力学研究

用太赫兹时域光谱技术研究不同加热时间后水合TiO₂在0.2～1 THz波段的THz时域谱、频域谱、吸收谱、折射率谱和复介电常数。结果表明水合TiO₂在THz波段出现明显吸收峰,随加热时间增加,含水量降低,吸收系数减小;样品折射率变化位置与吸收峰位置相对应。水合TiO₂在太赫兹波中的电极化响应与频率不存在明显的关系,介电损耗随频率的升高先降低后趋于稳定,介电响应均随加热时间延长而减弱。     

太赫兹波通信技术研究进展

太赫兹波段位于红外和微波之间,在空间通信、近程战术通信等国防领域有巨大的应用前景。总结了太赫兹通信技术的特点、类别、方案及太赫兹波通信系统涉及的关键技术。介绍了近几年国内外太赫兹通信技术研究现状及取得的成果,在0.14 THz频段通信距离达到20 km,0.3 THz处通信传输速率高达105 Gb/s。分析了全电子学方法、光电子方法、量子级联激光通信等几种通信技术路线,并比较了各系统的优缺点。展望了太赫兹通信技术的发展趋势和应用前景。     

太赫兹半导体器件与应用——纪念刘惠春教授

文章是以作者和刘惠春教授多年合作的研究工作为基础写成的,主要内容为太赫兹(THz)半导体器件及其通信和成像应用,以此深切缅怀刘惠春教授。近十年来,THz科学与技术已取得了长足进步,它在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防安全等多个领域的应用也已初现端倪。在这些应用中,半导体THz器件的发展起着举足轻重的作用。文章着重介绍了作者近年来在半导体THz器件与应用方面的研究进展,主要内容包括基于负有效质量的电子学THz振荡器、飞秒激光泵浦半导体THz辐射源、基于量子阱子带间跃迁的THz量子级联激光器和THz量子阱探测器,以及基于这些器件的THz无线通信和成像应用研究。此外,文章还对未来THz技术的发展进行了简要的探讨。     

Development of terahertz wave microscopes

Terahertz (THz) radiation has tremendous potential for inspection applications. However, due to the diffraction restriction, its spatial resolution is limited by its long wavelength. Near-field technology improves the spatial resolution of THz imaging. Recent developments of near-field THz wave microscopes are highlighted.     

THz Coherent Vavilov-Cherenkov Radiation in a Special Three-Mirror Cavity

In the modern science and technology a compact and having enough output power terahertz radiation source working in room temperature have earned great attention. This paper is devoted to utilize electron bunches stimulate Vavilov-Cherenkov Radiation (VCR) in a special three-mirror quasi-optical cavity to generate coherent THz waves. This novel three-mirror quasi-optical resonant cavity has the coaxial field pattern which enables field establish in this cavity effectively. The analytical theory of the radiation exited by a train of electron bunches in the special kind of three-mirror cavity has been carried out and the coherent VCR has been achieved by the computer simulation. All those shows that this method can be used to establish useful THz radiation source by the normal electron gun and the commonly used microwave devices.     

太赫兹光谱和成像技术在食品安全检测中的应用

随着超快激光技术的快速发展以及人们对太赫兹辐射与物质作用机理的进一步认识,太赫兹辐射作为一项新的、快速发展的技术在很多领域受到广泛关注,在安全检测、医学诊断、无线通信和制药等诸多领域预示着广泛的应用前景。由于食品安全问题的重要性,食品安全的检测技术面临着巨大的机遇与挑战。太赫兹光谱与成像技术提供了一种新型的食品安全检测手段。相比于其他技术,THz技术具有高信噪比和动态范围宽等诸多特点, 能够同时获得样品在THz波段的时域信息与频域信息,以及对应的物质物理结构和化学成分等重要信息,在食品安全检测领域具有独特的优势。文章简要介绍了太赫兹波的概念、特点和技术手段,太赫兹辐射技术在食品安全领域的最新应用进展,并讨论了THz技术应用的限制因素, 展望了THz技术的应用前景。     

太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测中的应用研究进展

太赫兹辐射以其独特的技术优势,如瞬时性、宽带性、相干性、低能量性、穿透性和吸收性,受到了全世界各国政府、高等院校、科研机构等的高度重视并日趋成为生物医学、材料科学和物理学等领域的新兴研究热点.农作物成分如水分、蛋白、脂肪、淀粉等理论上在太赫兹谱区有较为丰富的吸收;太赫兹波的低辐射特性对农业生物样本检测更为安全;太赫兹波...     

THz辐射在DNA光谱研究中的应用

太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来在不同的研究领域中得到了广泛的应用,许多研究表明THz脉冲光谱学在生物和医学方面具有潜在的应用前景。文章简要介绍了THz辐射产生和探测的基本原理和方法;阐述了THz辐射在生物学和DNA分子光谱学研究的物理基础;讨论应用THz辐射研究DNA取得的成果及最新进展,展望应用THz辐射研究DNA分子的前景。     

THz关键技术及其在生物医学中的应用

THz电磁辐射的关键技术就是THz的产生和检测.本文分别介绍了两种产生THz辐射的方法及其对应的检测方法,较为全面地论述了THz成像技术,详细分析了THz成像技术的成像装置、成像原理及成像过程,并对其在生物医学方面的应用前景进行了重点分析.     

THz光谱技术在炸药及其相关材料检测中的应用进展

太赫兹（THz）光谱技术近年来在航空航天、生命科学、安全检测等领域的应用进展迅速.由于许多炸药及其相关材料在THz波段具有特征吸收，许多非金属、非极性材料对THz波是透明的。且THz波具有低能性，THz光谱技术在安检中具有巨大的应用潜力．文章介绍了国际上THz光谱技术在炸药及其相关材料研究中的现状和进展及文章作者在炸药及其相关材料THz光谱研究方面的成果，讨论了THz技术应用于安全检测领域面临的挑战.