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。     

Applications of Terahertz Spectroscopy in the Field of Construction and Building Materials

Abstract: In last two decades, rapid development in the field of terahertz (THz) technology has opened new possibilities for creating innovative imaging and sensing systems. Although the applications of THz technology in different sectors constantly increase, the construction industry lags behind them. The aim of this article is to review the current applications of THz spectroscopy in research and industry related to construction and building materials, along with the key drawbacks of technology and recommendations for future use. The review concludes that THz spectroscopy and imaging have promising potential and provide many opportunities for applications in construction and building materials characterization.     

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。     

太赫兹波谱技术在食品掺假检测中的研究进展

近年来食品掺假事件频繁发生,对食品安全领域产生巨大挑战,食品掺假问题已成为人们关注的焦点和讨论的热点,因此实现食品掺假的快速、准确以及无损检测对保障食品质量和安全具有重要意义。随着新食品原料、新添加剂以及新型食品加工技术不断涌现,使得食品掺假问题呈现技术化、隐形化、多样化等特征,食品中掺假对象的鉴别技术面临更严峻的挑战。目前一些现代检测技术可针对食品掺假问题进行有效检测,如高效液相色谱法、稳定碳同位素比值法等,然而由于需对样品进行复杂预处理、检测仪器操作技术要求较高等原因,使其针对现有的食品掺假检测存在一定的局限性,因此寻求一种新型的、灵敏度高的以及具有指纹特性的无损检测技术进行现有食品掺假检测成为关键。太赫兹（Terahertz,THz）波谱是指频率在0.1~10 THz之间的电磁波,具有微波和红外双重特性,其中包括指纹特性、相干性、安全性等。由于物质中大部分有机大分子之间弱相互作用、骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁频率与太赫兹波谱相对应,使得太赫兹技术在食品掺假检测应用领域蕴含着巨大的潜力。首先阐述了太赫兹波谱技术用于物质检测的原理;重点综述了太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面的最新研究进展,具体以转基因食品鉴别、食品原产地鉴别、乳制品掺假检测、蜂蜜掺假检测及其他食品掺假检测进行综述;其次分析了目前太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面所存在的问题,如水分吸收、散射效应等影响;最后展望了太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面的应用前景,如开发低成本的太赫兹源和探测器以促进太赫兹技术普及应用、将机器学习算法用于太赫兹波谱建模分析以提高模型精度和分析速度、与其他现代检测技术结合使用以实现检测技术间优势互补等;以期为开展太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面研究提供参考和指导。     

The Application of Terahertz Spectroscopy to Protein Detection: A Review

Abstract

Terahertz (THz) technology is a recent promising technology that plays an important role in various areas, including national defense, military, materials, chemistry, medicine, pharmaceutical, communications, and many other fields. In this article, the application of terahertz spectroscopy to protein detection is reviewed. The theoretical foundation of terahertz technology in protein detection is explained. In addition, research on protein conformational changes and molecular interactions is reviewed. Subsequently, the quantitative analysis of protein content is introduced. In addition, existing challenges and solutions are discussed.     

电场诱导水的太赫兹透射特性研究

许多生物分子自身的转动、振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内,因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级,不会对分子的内部结构造成破坏,所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。众所周知,绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性,所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。然而水分子的转动模式、振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段,从而对其产生强烈的吸收;另外,水分子为极性分子,而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收,这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时,最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。目前,减少水对太赫兹波吸收的主要方法有：在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收;通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收;利用微流控芯片技术,通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。另外,激光的激励、电场或磁场的处理,也能改变水对太赫兹波的吸收,将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中,研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。结果发现,太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强,当在电场中静置60 min时,太赫兹的频谱强度达到最大,与空气的频谱强度接近。由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化,从而对整体水分子的振动和转动产生了影响,并且改变了水中的氢键结构,导致了太赫兹透射光谱强度的增强。     

基于微流控技术的磁流体载基液的太赫兹透射特性研究

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10 THz的电磁波,其波长在30～3 000 μm范围内。由于自然界许多小分子的振动、转动等的频率均在太赫兹波段,并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、生物医学等领域。但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的,因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料：磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料,其打破了传统磁性材料的固体形态。磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应,而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率;另外,在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗,可作为靶向治疗的载药系统。由于磁流体的组成部分-载基液成本较高,因此在实验中运用了微流控技术。微流控技术对检测样品的消耗少、检测速度快,并且可以根据实验需求自行设计沟道,因此是一种便捷的、灵活性好的检测方式。采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片,再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式,形成2 cm×2 cm的方形区域,然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合,其沟道厚度为50 μm,可以用于对少量液体的探测,并且可以使载基液呈薄膜状。之后将太赫兹技术和微流控技术相结合,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性,通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现,装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片,这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。     

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...     

基于太赫兹时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展

光学参数是宏观上表征材料光学性质的物理量,间接反映了材料的微观特性,对光学参数准确的提取可以研究材料的微观性质和机理。近年来,太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析手段已经成为研究的热点。由于太赫兹辐射能量低并且脉冲宽度窄(皮秒量级),太赫兹时域光谱技术在提取光学参数方面具有无损伤和高时间分辨率的特点。本文总结了基于太赫兹透射和反射时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展,着重阐述了几种经典方法,分析了每种方法的优缺点,并讨论了太赫兹时域光谱技术用于提取材料光学参数的挑战。研究结果表明,透射法适用于对太赫兹波吸收较弱的物质,而反射法则适用于对太赫兹波有强烈吸收的材料。     

黑砷磷室温太赫兹探测器

由于太赫兹波与众多物质之间存在着丰富的相互作用,太赫兹技术在众多领域均有应用需求。因此,基于独特物理机制和优异材料特性的高灵敏度、便携式太赫兹探测器的研制刻不容缓。黑砷磷是一种新型二维材料,其带隙和输运特性随化学组分可调,在光电探测领域被广泛关注。目前基于黑砷磷的研究集中在红外探测方面,而对于太赫兹探测的应用未见报道。本文介绍了一种基于黑砷磷的天线耦合太赫兹探测器。实验结果表明,在探测过程中存在两种不同的探测机制,并且两者之间存在竞争关系。通过改变黑砷磷的化学组分可以定制不同的探测机制,使其达到最优响应性能。在平衡材料带隙和载流子迁移率的情况下,探测器实现了室温下对0.37 THz电磁波的灵敏探测,其电压响应度和噪声等效功率分别为28.23 V/W和0.53 nW/Hz1/2。     

NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS

The photoconductive (PC) antenna is a key device for the recent terahertz (THz) photonics based on laser-pumped generation and detection of THz radiation. In this paper we report on two new types of PC antennas: the Schottky PC antenna and the multi-contacts PC antenna. The former one is able to detect THz radiation intensity without the time-delay scan and useful for applications where spectroscopic information is not important, such as the THz intensity imaging. The latter one is useful for the polarization sensitive THz spectroscopy, such as the THz ellipsometry. The characteristic features of these new types of PC antennas are studied by using a THz time-domain spectroscopy system.     

太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.     

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。     

太赫兹液晶材料与器件研究进展

液晶是一种性能优异的可调控光电功能材料,基于液晶的太赫兹器件有着广泛的应用前景,但高性能太赫兹功能器件的研发仍处于初级阶段.本文综述了太赫兹领域液晶材料与器件的研究现状,探讨了液晶技术与太赫兹技术相结合的发展趋势.     

聚合物及其混合物的太赫兹介电性质测定与分析方法

聚合物材料因其对太赫兹波的高透过率以及良好的塑形能力在太赫兹研究中扮演了重要的角色,由于材料的介电特性直接关系着折射率、极化率等重要性质,不同的应用场合通常需要材料呈现出特殊的太赫兹介电响应,一方面可以选取不同的聚合物材料,另一方面可以通过多种聚合物的混合实现材料介电性质的调制。聚合物材料合理的选取和设计建立在材料太赫兹介电精确表征之上,然而利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对聚合物材料进行透射式太赫兹介电表征时,材料内部空气孔隙的存在会影响表征结果的复现性,同时也会影响共混聚合物介电性质的分析和预测。因此以Landau, Lifshitz, Looyenga(LLL)模型为基础提出了考虑空气影响的介电分析模型,并选取了在太赫兹研究中广泛使用的聚合物材料聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)对模型的有效性和稳定性加以验证,展开了两种材料单质和混合物两方面的介电分析。在太赫兹波透射样品之后的相位变化信息中提取出样品的介电常数,同一种物质制备的样片间太赫兹介电谱存在明显差异,使用包含气隙影响的LLL模型处理实验数据后,样品介电常数中空气的介电影响被移除,从而得到了两种材料的本征介电常数,在此基础上,使用测得的本征介电常数和混合物样品中两种材料的体积占比信息代入包含气隙影响的LLL模型计算得到了不同配比混合物的太赫兹介电常数的模拟值,并与THz-TDS实验获取的实验值进行了对比。利用所提出的有效介质模型,聚乙烯和聚四氟乙烯在10～40 cm-1波段内移除空气影响后的平均介电常数为2.315±0.003（±0.13%）和2.109±0.003（±0.14%）,在不同重量、不同厚度的单组份样品间模型测定的聚合物介电常数保持了良好的重复性,在对混合物的太赫兹介电性质测定与分析中,利用模型计算的混合物介电常数模拟值与THz-TDS测定的介电常数实验值保持了高度线性相关,其相关系数为0.964 3,全局相对误差为1.08%,体现了模型的可靠性。提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质表征中,对太赫兹波段的共混聚合物材料设计具有参考价值。     

Terahertz spectroscopy and lattice vibrational analysis of pararealgar and orpiment

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is an effective nondestructive and noninvasive tool for investigating sulfur-containing pigments. Combined with Raman spectroscopy and vibrational mode analysis, it is significant for artifact identification and conservation. In this work, the terahertz absorption spectra of pararealgar (As₄S₄) and orpiment (As₂S₃) samples mixed with polytetrafluoroethylene (PTFE) are characterized in a range from 0.2 THz to 2.2 THz, and their distinctive peaks are observed, respectively. Meanwhile, qualitative analysis is also implemented by using Raman spectroscopy as a complementary technique. The lattice vibrations are simulated by using solid-state density functional theory (ss-DFT), illustrating different characteristic absorption peaks for specific crystalline structures and dynamic properties. This work provides a reliable database of sulfur-containing pigments for using the THz technology to actually analyze and diagnose cultural relics.     

含能离子盐的太赫兹光谱研究

在传统硝基含能材料研究的基础上,进一步探索含能离子盐类物质的太赫兹波谱特性,拓宽太赫兹波技术在安全检测领域的应用研究范围,对新型含能离子盐(5-ATN,BMDATHBT)进行了太赫兹时域光谱和傅里叶变换红外光谱的实验测量,得到样品在0.5～8.0 THz范围内的吸收频谱.基于密度泛函理论,采用Gaussian 03及M...     

基于BS结构的太赫兹光谱数据库的设计与实现

随着太赫兹技术中关键科学与技术问题的解决和有关仪器发展,其在各个领域的应用也备受人们的关注。由于太赫兹光谱技术具有一些独特优势,在快速无损检测技术的发展方面具有重要的应用前景,该技术与其他方法互补,可以解决许多原来难以解决的检测问题。进一步开发太赫兹光谱技术实际检测方法的关键之一就是需要具有一套较为完整和可靠的太赫兹光谱数据库。介绍了近期开发的一个基于浏览器/服务器(Browser/Server)的太赫兹光谱数据库系统。根据实际需要设计了太赫兹光谱数据库的结构和主要功能。该数据库目前包括240多条太赫兹光谱信息,其数据来源包括三个部分：(1)收集了部分国外太赫兹光谱数据库的信息;(2)从文献中收集部分光谱数据;(3)国内部分实验室测量的太赫兹光谱数据。着重介绍了建立BS结构的太赫兹数据库的基本结构和项目,介绍了BS结构太赫兹光谱数据库的功能与检索方法。该数据库具有计算样品的光学参数功能,可以根据输入的太赫兹时域光谱数据计算出样品的吸收系数,折射率等其他光学参数,以便于样品特征研究和谱库检索。检索系统能方便的提供注册用户收集、查询、显示谱图及其实验数据和分子结构图、数据匹配等功能。该数据库可以登录http://www.teralibrary.com进行查询和使用。该数据库是根据目前的太赫兹光谱数据信息建立的,以后会逐渐完善。希望该太赫兹光谱数据库能够为用户提供强大、方便和高效的服务功能,进而推进太赫兹技术在更多领域的应用。     

室内人体隐匿物被动太赫兹成像研究进展

太赫兹波由于其极低的光子能量和对非极性物质较强的穿透特性已成为人体隐匿物检测应用的热点。本文以室内人体隐匿物品探测为主要应用背景,简要介绍了太赫兹波段的大气传播特性;重点分析了基于辐射检测的室内被动太赫兹成像原理和系统的关键技术,包括辐射计和阵列扫描方式等;回顾了国内外被动太赫兹成像技术在人体安检领域的研究现状。综合考虑系统成本和成像时间,一定数量的高灵敏度辐射计加上扫描机构成像的方式在未来很长一段时间里将是被动太赫兹成像系统的主流方式。     

基于双阈值canny均衡化算法的太赫兹图像增强

存在于微波与远红外之间的太赫兹波,因其无损害,稳定性高等独特性质使太赫兹光谱与成像技术在近几年来得到了迅猛的发展。太赫兹波独有的无损伤检测特性,在安全检测方面具有良好的发展前景,获得广大学者的研究和关注。经过太赫兹成像系统获得的太赫兹图像,虽然可以识别出隐藏的武器或其他金属制品,但是太赫兹图像的对比度和清晰度均较差,不能完全符合人眼的视觉效果,也不利于机器识别。目前,对太赫兹图像质量的提高和改善,成为太赫兹成像技术长远发展和广泛应用的关键问题。实验采用太赫兹波投射式成像系统对藏于物体中的金属心型吊坠和金属箭头进行成像,扫描步长0.5 mm,由于太赫兹光源大,能量起伏等系统缺陷,以及外部环境的复杂与干扰,导致成像所得图像均有背景噪声严重,边界模糊等问题,成像质量较差。提出一种基于双阈值的canny均衡化太赫兹图像增强算法,根据太赫兹图像自身性质限制,确定阈值和对图像均衡化的范围,实现图像降噪并引入双阈值canny算法和梯度幅值算法,使图像的对比度和清晰得到整体提高,并保留和突出太赫兹图像的细节信息,获得高分辨率、边缘清晰的图像。实验表明该算法对太赫兹图像具有良好的降噪效果,能够保留图像细节信息,图像对比度和图像质量得到增强和提高,同时增强了太赫兹成像技术对隐藏缺陷或隐藏物体的辨别能力和透视能力,为其在安检应用方面提供必要保证。