太赫兹时域光谱技术在危险品检测方面的应用

太赫兹波(terahertz, THz, T-ray)是指频率介于0.1～10 THz之间的电磁辐射,在电磁波谱上位于微波和远红外线之间。大多数爆炸物、毒品在此波段有特征吸收。与在公共安全领域检测武器、爆炸物、毒品等危险品的传统方法相比,太赫兹辐射能量低,不会产生电离辐射,也不会引起安全担忧。而且,太赫兹波对于衣物等大多数包装材料有很强的穿透力,对物质的检测可以做到高灵敏、无损伤和远距离,因此在反恐、毒品、安全检测等方面具有显著潜在优势。文章介绍了国内外太赫兹时域光谱技术(terahertz time domain spectroscopy, THz-TDS)在爆炸物及毒品检测方面的研究最新进展;详细讨论了黑索金(RDX)的研究现状,并初步探讨了影响实验结果的几种因素。     

基于太赫兹时域谱分析的爆炸物检测方法研究

采用太赫兹时域谱分析技术测量了在氮气和空气环境下四种典型爆炸物的太赫兹光谱,并分别利用均值平滑、傅里叶低通滤波以及小波分解与重构三种方法来消除空气中由水蒸气吸收引起的光谱振荡现象。实验结果表明:四种爆炸物的太赫兹光谱具有可分辨的特征,能够作为识别的依据;通过研究水蒸气的影响,使得利用太赫兹时域谱分析技术检测爆炸物向实用化迈进了一步。     

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...     

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...     

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。     

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。     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

太赫兹光谱技术在中药大黄炮制品检测中的应用研究

针对中药炮制前后成分变化会影响中药用药疗效的问题,采用四种大黄炮制品为研究对象,利用太赫兹时域光谱系统和化学计量学处理方法获得了中药大黄光谱数据,按照中药大黄炮制品的种类对光谱数据进行了区分。同时,薄层色谱法研究显示大黄在不同炮制方法处理后,其炮制品中基础物质蒽醌和鞣质类化合物含量发生变化,而该实验获得的这四种大黄炮制品太赫兹光谱数据之间的关联性与上述变化规律相吻合。这就说明太赫兹光谱技术对中药炮制品的物质成分是敏感的,此方法可以为中药炮制过程中物质结构变化的研究提供重要参考。     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

The terahertz spectrum detection of transgenic food

This paper presents the optical characteristic of the four transgenic foods in the terahertz (THz) by means of electro-optic sampling. The transmission spectra and complex refractive index of the four transgenic foods are obtained. This paper finds that transgenic maize (TGM), transgenic rice (TGR), transgenic soybean (TGS) and transgenic potato (TGP) all have absorption within the frequency range of 0.2 and 2.5 THz. It can be seen that the TGM and TGR have obvious absorption peaks at 1.08 and 1.82 THz respectively, the TGS has a plurality of absorption peak in this frequency band, compared to the other three samples, and the TGP is slow. The unique absorption properties in THz of four transgenic foods show that the time-resolved terahertz spectroscopy can be applied to detect and identify transgenic food.     

太赫兹雷达技术研究进展

文章介绍了太赫兹技术的发展和研究现状,概述了太赫兹波的主要特性,着重论述并举例分析了太赫兹波在雷达探测系统中的应用。太赫兹雷达具有优越的反隐形能力,很高的距离分辨率,超大信号带宽,较强环境适应能力,低截获率,强抗干扰性和穿透等离子体能力等诸多优点,在军事上有很强的应用前景,对国防和国家安全具有重要的应用价值。     

Vibrational spectra of chloroform, freon-11 and selected isotopomers in the terahertz region

The fundamental bands of the CCl₃ asymmetric deformation modes of selected isotopomers of chloroform (CHCl₃) and freon-11 (CFCl₃) have been measured in a static cell at ambient temperature using a laser-based source of tunable radiation in the terahertz region of the electromagnetic spectrum. The analysis of the rotational contours of the bands enabled the derivation of the fundamental frequencies with an accuracy of better than 3 GHz.     

太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测

库存炸药老化情况的检测对炸药的性能、安全性和稳定性研究意义重大.现有的老化炸药检测手段,如扫描显微技术,傅里叶变换红外光谱技术,气相色谱-质谱技术等,或者不能分辨炸药老化与否,或者只能从表观上进行分析,不能反映炸药分子结构的变化.首先应用密度泛函理论(DFT),计算了炸药老化前后分子吸收频谱变化,从计算结果可以看出炸药分子老化前后的吸收光谱在老化前后变化明显;然后分析了太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统及其分辨率和测量频谱范围,结合已有实验结果以及太赫兹波本身的特点,从可行性、准确性和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用于炸药老化检测进行了论证,从而提出了应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化检测的新方法.     

Evaluation of moisturizing cream using terahertz time-domain spectroscopy

Terahertz time-domain spectroscopy is a useful tool for material characterization because it provides both temporal and frequency domain information. In this work, we perform terahertz time-domain spectroscopy for evaluation of commercial moisturizing cream cosmetics. By measurement of terahertz transmission, the change of complex refractive index by exposure of the cosmetic samples in ambient condition is obtained. The tendency of terahertz transmission change is different from that of mass change, which implies that terahertz response becomes a new characterization tool for moisturizing cosmetics. Our results show that terahertz time-domain spectroscopy has potential application on cosmetic testing.     

Terahertz time-domain spectroscopy for explosive imaging

Terahertz (THz) imaging which is a new technology for material classification and nondestructive detection has been extensively investigated in the past decade. The time-domain waveform acquired at each point of the object by using the THz time-domain spectroscopy contains much information about the object. Processing this waveform will present the characters of the object. Several methods are adopted to generate the image of the explosive samples and results are compared and discussed. Experiment results indicate that this new imaging technology can be used for explosive detection.     

基于THz光谱技术的1,3-二硝基苯挥发气体检测方法研究

针对工业生产过程中1,3-二硝基苯挥发气体突发性泄露等情况的发生,设计了一种基于太赫兹(THz)特征光谱吸收技术的检测方法,该方法可通过1,3-二硝基苯在THz波段的特征波长对痕量剧毒有害气体进行检测。系统设计了双气室结构,为THz波提供差分数据,一组为标准空气,另一组为待测样气。由1,3-二硝基苯在THz波段的四个主吸收带0.635,0.912,1.095和1.435THz可根据对应吸收带吸收系数的比例关系得到对应波长上的吸收幅值,最终反演气体浓度。经过对两种传统检测方法的实验分析和对THz吸收检测方法的仿真研究可知,色谱法检测速度无法实现实时检测,红外吸收法对环境湿度要求很高,需经干燥处理,而THz吸收法对环境湿度要求较低,且具备实时性,更适合于实际应用。     

盐酸胍诱导叶绿素变性的THz时域光谱研究

THz时域光谱对分子构型非常敏感,能快速方便的把具有相似结构的生物分子区分开来.利用THz光谱的这一技术特点,对盐酸胍诱导叶绿素a(Chl-a)和叶绿素b(Chl-b)变性进行了研究.实验结果表明,THz光谱不仅能够鉴别变性前后的叶绿素分子,而且探测到了新的实验现象.在盐酸胍作用下,两种分子的THz吸收谱中都出现一个位于1.7 THz处的峰.通过测量几种氨基酸和盐酸胍相互作用的样品后,观察到了相同位置的峰,进而验证了这个峰是由于叶绿素的C=O键和盐酸胍的N-H键相互作用形成氧键引起的.研究结果表明,运用THz光谱技术能有效地把具有相似结构的生物分子区分开来,这项技术也是监测生物分子变性的一种有力工具.     

几种糖衍生物分子的THz光谱研究

分子间氢键等振动可以出现在THz波段。糖类是重要的生物分子,是研究氢键的典型体系。糖的衍生物分子具有重要的功能,同时由于它们的特殊的分子结构,通常有大量氢键存在,使得它们在THz波段表现出一定的光谱特征。文章测定了几种糖衍生物分子的THz光谱,结果表明不同分子具有不同的光谱,异丙基-β-D-硫代葡萄糖具有1.17,1.35,1.93,2.23 THz等多个吸收峰;异丙基-β-D-硫代半乳糖的吸收峰位于1.93 THz处;甲基-(四-氧-乙酰基-β-D-半乳糖)的吸收峰位于1.87 THz处;氧-(2, 3, 4, 6-四-氧-乙酰基-β-D-葡萄糖)-氮-羟基琥珀酰亚胺具有1.23,1.70,1.84,2.23 THz等多个吸收峰。对结构相似的分子,尤其对于异构体来说,它们具有不同的峰位,这些低频振动为包含氢键在内的整个分子的振动,说明THz方法能够鉴别异构体,是对结构变化、空间构型等很敏感的技术,是红外光谱的有益补充。这也为大分子的光谱研究提供了基础。