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。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。     

太赫兹无损检测的研究*

无损检测技术是一种不破坏零件或材料,可直接在现场进行检测的技术,广泛应用于样件的质量评估。太赫兹波具有量子能量低,对大多数非极性物质透明,兼具频谱性和成像性等特点。作为一种新型技术,太赫兹无损检测已经成为现有无损检测技术的有力补充。文章介绍了太赫兹成像系统的工作原理,阐述了基于连续太赫兹成像的无损检测技术在实际样件测试中的应用。实验测试结果表明,一些样件利用太赫兹无损检测技术可测得其内部缺陷。     

THz技术在农产品/食品品质检测中的应用

农产品/食品的质量和品质问题越来越受人们关注。探索实际可行的农产品/食品的无损检测与品质评估技术正在成为研究热点。太赫兹(THz)辐射是位于中红外和微波波段之间的一段电磁波,具有非常重要的科学研究和应用价值。长期以来由于缺乏可行的THz波产生方法与探测手段,该波段相关领域的研究滞缓。THz光谱传感和成像技术是THz波的两个主要应用技术。THz光谱检测技术作为一种新型检测技术能够获得传统检测无法获得的信息。近十几年来,THz波用于来研究固、液、气相等各种物质的光电特性、分子内部振动和组成信息,在生物分析、医疗诊断、安全检测、环境控制等领域,THz技术显示出广阔的应用前景。文章介绍了THz波的主要性质、THz波检测技术的特点,论述了THz技术在农产品、食品质量与品质检测中的最新进展及其应用的潜力。     

小波图像融合在太赫兹无损检测中的应用

玻璃纤维增强复合材料被广泛应用于航天、航空及其他军民各领域,它在制备和使用过程中通常会出现多个缺陷。太赫兹时域光谱成像技术有望成为玻璃纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。在太赫兹时域光谱成像过程中,可以选取时域或频域波形中的不同参数来进行成像。对于不同的缺陷,能够有效地对其进行检测的参数是不一样的。采用基于小波分解的图像融合方法将多幅不同参数获取的太赫兹反射图像结合起来,得到一幅包含所有缺陷信息的新图像。研究表明,基于小波分解的图像融合方法在太赫兹无损检测中的应用,能够获取单一参数成像无法检测的缺陷信息,为复合材料太赫兹图像后期处理提供了新的技术方法。     

太赫兹生物效应的原理和应用

太赫兹技术在过去数十年间发展迅速,作为一种强大的生物大分子表征工具,太赫兹光谱和成像技术展现了其在诊断医学和临床医学中的广阔前景。通过太赫兹光谱系统可以对生物样本的特定成分进行定量分析,类似地,太赫兹成像系统可以给出样品中待测成分的空间分布。以太赫兹光学系统的类型为索引综述了太赫兹诊断医学方面一些具有代表性的研究,并从生物个体、组织、细胞到生物大分子的层面介绍了一些太赫兹生物效应的研究。尽管太赫兹临床医学领域仍处于尝试和初步探索的阶段,但已经呈现了很多具有应用潜力的开创性研究,如太赫兹辅助靶向药物跨膜运输和太赫兹癌细胞DNA去甲基等,为太赫兹技术的生物医学应用奠定了基础。最后总结太赫兹生物效应的研究现状,对该领域的重点研究方向和可能的突破点进行分析展望。     

基于BWO连续太赫兹波成像系统的无损检测

介绍了一种基于返波管（BWO）的太赫兹波成像系统。BWO连续太赫兹波成像是一种新的无损检测方法。实验过程中把样品放在X-Z二维电控平移台上进行扫描成像,透过样品的太赫兹波强度信息由热释电探测器接收,然后经过电脑成像。给出了应用0.71THz的连续太赫兹波对打孔铝板、公交卡、校园卡的内部结构和对隐藏在信封内硬币等物体和信封内纸片上的铅字迹的成像实验研究事例,并且测知该系统能够分辨出直径最小为1.5mm的小孔。这项工作揭示了使用BWO连续太赫兹波成像系统在无损检测和安全检查领域是有效的。     

宽带太赫兹波在大气中的远程探测研究及展望*

宽带太赫兹波由于具有传输容量大、速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等许多特性,使太赫兹技术在高保密卫星通信、短距离无线通信等方面具有独特的优势。但是,如何克服大气中水蒸气的强吸收,找出适合太赫兹通信的频段,是发展宽带太赫兹远程传输亟待解决的问题。文章介绍了宽带太赫兹波在大气中远程探测的一些关键技术和最新研究成果,同时,对太赫兹通信技术的发展趋势和应用前景作了展望。     

太赫兹超材料生物传感器的应用研究进展

太赫兹（THz）波,是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波,在电磁波谱中处于红外与微波之间。太赫兹波的光子能量相对于可见光更低,1 THz对应的能量大约只有4.14 meV,意味着这将大大减少对生物体内组织器官的辐射而引起的伤害,不会对生物分子产生电离。因此,该波段在基础科学、人体安检、危险品检测、高速通信和医学成像等领域具有重要的潜在应用价值。但在医药和生物探测的应用中,通常需要检测微量的分析物,这就需要更高的灵敏度和检测的准确度。但是现存的检测方法受到太赫兹波强度检测可靠性不高的影响。基于超材料的生物传感可以通过增强局域电磁谐振,实现亚波长分辨,大大提高了传感器的分辨率与灵敏度,引起了人们的广泛关注。超材料是一种人工设计的周期性结构,通过合理设计可以增强局域电磁谐振响应,实现亚波长分辨,大大提高传感器的分辨率与灵敏度。太赫兹超材料传感器为生物传感领域提供了一种新的检测方法,具有灵敏度高、响应速度快、无标记检测等优点。随着微纳加工技术的快速发展,制作超材料太赫兹传感器的成本不断降低,从而在生物医学领域具有非常大的潜在应用价值。基于超材料的太赫兹传感器的研究已成为目前一个非常热门的国际前沿方向。但是关于太赫兹超材料传感器的最新研究进展未见报道,为此通过大量搜集并整理相关资料,综述了太赫兹超材料传感器在各种生物探测场景中的最新应用,分别从医学诊断、食品安全、农药检测等方面展开介绍。最后,对太赫兹超材料在生物传感器的发展和应用前景进行了总结和展望。该研究将为人们充分掌握太赫兹超材料生物传感器的最新应用进展提供重要参考,同时为太赫兹超材料传感器的发展和应用提供方向性的指导。     

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。     

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。     

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...     

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。     

太赫兹时域光谱在邮件隐匿危险品检测中的应用

随着电子商务的快速发展,邮件数量剧增,在邮件中隐匿危险品已经成为犯罪分子重要的犯罪手段,威胁公共安全和社会稳定。邮件的安全检查变得尤为重要,而常规的检测技术不能准确识别危险品。太赫兹波是介于红外和微波之间的电磁波,邮件中隐匿的爆炸物、毒品和有害生物因子等在太赫兹波段存在特征吸收光谱,而邮件常用的非极性包装材料可以被太赫兹波穿透。太赫兹波还具有低能性、相干性等特性,这些特性使得太赫兹技术可以实现邮件隐匿危险品高灵敏度的无损检测。文章介绍了太赫兹技术的特性,太赫兹时域光谱系统的组成和获取光学常数的菲涅尔公式解析法。该方法通过样品透射或反射信号和参考信号来获取包括吸收光谱在内的材料参数。将样品的太赫兹特征吸收光谱和已建立的各种危险品的光谱特征数据库进行比对,可以判断是否为危险品以及危险品种类。对爆炸物、毒品在太赫兹波段的特征吸收光谱的研究成果,及在各种非极性材料遮挡下吸收光谱的特异性的研究进展进行了总结。获取吸收光谱的解析法适用于较厚样品,针对薄样品,还介绍了一种P-谱法。该方法不需要参考信号就能准确获取覆盖物下样品的吸收光谱。除直接利用吸收光谱做检测外,近些年还提出了很多其他识别危险品的方法,如光谱动力学分析法,化学计量学方法和基于太赫兹时域光谱的成像分析法等。其中,光谱动力学分析法可以很好的区分吸收频率有重叠的物质;化学计量学方法可以对混合物进行成分的定性和定量分析;光谱成像法可以完成较大面积的隐匿危险品识别。分析了太赫兹时域光谱技术识别有害生物因子的可行性,以及针对有害生物因子携带量小的特点,总结了太赫兹时域光谱技术在提高生物因子检测灵敏度方面的研究进展。探讨了太赫兹技术在邮件安检应用中一些有待解决的问题,如太赫兹功率有限、受环境因素影响较大、缺乏统一的标准等,展望了未来的发展趋势。     

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。     

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。