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。     

菊酯农药的太赫兹时域光谱定性和定量检测

拟除虫菊酯类农药是一类能防治多种害虫的广谱杀虫剂,主要用于卫生杀虫和农田害虫防治。利用太赫兹时域光谱技术对室温状态下的三种常用于农田害虫防治的菊酯农药高效氯氰菊酯、高效氯氟氰菊酯及溴氰菊酯进行了研究,三种菊酯农药根据其在0.2～2.2THz的吸收谱可清晰地分辨;采用线性回归和偏最小二乘回归对溴氰菊酯、聚乙烯混合物进行定量分析。偏最小二乘回归取得更好结果,其中溴氰菊酯含量的检出限达2.0%,获得的均方差为0.55%,绝对偏差均小于0.8%。结果表明THz-TDS技术在农药分子识别及含量检测方面有很大潜力。     

Zernike矩在橡胶添加剂太赫兹光谱定量分析中的应用研究

近年来,“绿色轮胎”发展备受关注。在绿色轮胎制造过程中需要多种橡胶添加剂,而橡胶添加剂的含量与绿色轮胎能否达标密切相关,因此,对轮胎橡胶中相关橡胶添加剂的定量检测具有重要意义。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成功应用于物质定量分析领域,但当定量分析对象为多组分混合物时,由于混合物光谱出现重叠和失真等原因,会导致定量分析结果不理想。针对此问题,将Zernike矩作为一种光谱预处理技术引入到橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量分析中,提出了基于Zernike矩结合支持向量回归（Zernike moment-support vector regression, ZM-SVR）的太赫兹光谱定量分析方法。首先,以影响绿色轮胎质量能否达标的三种橡胶添加剂氧化锌、白炭黑和2-巯基苯并噻唑（MBT）为定量检测对象,将3种橡胶添加剂与丁腈橡胶构成多组分混合物实验样本,并通过太赫兹时域光谱系统测得样本的太赫兹光谱;然后,对太赫兹光谱进行分析与处理,得到其吸收系数、消光系数和折射率3种光学参数后,将3种光学参数构建为样本的太赫兹三维光谱,并利用Zernike矩提取太赫兹三维光谱灰度图的特征信息;最后,利用支持向量回归建立样本太赫兹三维光谱灰度图特征信息和目标成分含量之间的定量模型,从而对混合物样本中目标成分含量进行分析。利用该方法得到的定量模型预测集相关系数均大于等于0.952 2,均方根误差均小于等于2.267 2%。为进一步验证该方法的有效性,将定量分析结果与常规方法PLS和SVR的结果进行了对比。对比发现,相比常规方法得到的定量分析结果,Zernike矩结合支持向量回归方法所得结果的准确性和稳定性均得到了明显提升。因此,Zernike矩结合支持向量回归方法为橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量检测提供了新思路,在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有广阔应用前景。     

基于金属光栅的氨基酸溶液太赫兹光谱检测

基于太赫兹金属光栅谐振传输现象,利用金属光栅表面等离子体共振对周围介质敏感的特性,设计了一种由金属光栅、样品池和高阻硅基底组成的免标记生物传感器.利用这种传感器在太赫兹时域光谱下测量了苏氨酸和精氨酸溶液的太赫兹透射光谱.结果表明:苏氨酸和精氨酸的共振频率随着溶液浓度改变在0.6～0.75 THz之间出现频移,并且苏氨酸和精氨酸的混合样品的光谱并不是两者光谱的线性叠加.     

基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究

针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题,提出一种基于衰减全反射(ATR)式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术的食用油过氧化值定量分析方法.首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图,筛选有效信号波段并提取得到光学常数,经预处理算法校正后的光学常数,结合多种化学计量学方法建立...     

散射在太赫兹吸收谱定量分析中的应用研究

基于太赫兹光谱的物质成分定量分析是太赫兹技术重要的应用方向之一。但是当太赫兹波入射样品时,会与样品颗粒在微观尺度下发生散射效应,造成太赫兹波强度的衰减。因此实验测得的样品的太赫兹吸收谱主要由两部分组成,即样品本身对太赫兹波的吸收以及由散射效应造成的衰减。尤其是当样品的颗粒尺寸与太赫兹波的波长接近或可相比拟时,散射效应更为明显。在以往的太赫兹定量分析领域,往往仅考虑了Lambert-Beer定律,即物质对光的吸收与其浓度成线性变化的关系,而忽视了散射效应的作用,导致定量分析的准确度受到了限制。在对混合物样品的太赫兹波段散射效应进行分析的基础上,采用类比的方法,提出了混合物的太赫兹吸收谱模型,并通过一系列定量分析实验验证了该模型的有效性。在对多组混合物样品的定量分析实验中,定量分析误差普遍小于3%,较之仅考虑Lambert-Beer定律而言准确度得到了大幅提高,表明研究散射效应对提高太赫兹定量分析的准确度具有重要作用。     

特征谱区筛选在多元混合物的太赫兹光谱定量分析中的应用

用特征谱区筛选法结合太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对多元混合物成分含量进行了定量分析研究。实验利用太赫兹时域光谱系统测量了由乳糖一水合物(LAC)、对乙酰氨基酚(APAP)、可溶性淀粉(starch)以及微晶纤维素(MCC)四种材料组成的混合物样品的太赫兹吸收光谱,并分别尝试采用常规区间偏最小二乘(iPLS)、向后区间偏最小二乘(biPLS)、联合区间偏最小二乘(siPLS)和移动窗口偏最小二乘(mwPLS)四种特征谱区筛选法对多元混合物的太赫兹吸收光谱进行特征子区间优选,建立了太赫兹吸收谱与四元混合物中乳糖一水合物含量之间的定量回归模型。通过比较四种谱区筛选算法模型及全光谱偏最小二乘(PLS)模型所得结果,表明采用移动窗口偏最小二乘法建立的谱区筛选模型得到的结果相对最优,其交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)、校正集相关系数(R_C)和预测集相关系数(R_P)分别为0.980 3,1.114 1,0.996 0和0.995 1。实验结果表明,采用特征谱区筛选方法可以有效选择多元混合物太赫兹吸收光谱的特征区间,提高模型精度和降低模型复杂性,为实现多元混合物成分含量的快速检测提供了一种有效的方法。     

一氧化碳的太赫兹时域光谱研究

以飞秒激光为基础的太赫兹时域光谱技术是一种新型的相干远红外光谱测量技术。文章首次利用太赫兹时域光谱技术测量了一氧化碳气体在0.2～2.5太赫兹频谱范围内的吸收光谱。实验结果表明,一氧化碳在此波段有明显的特征吸收峰,峰值位置与理论计算得到的结果有很好的一致性。随着压强的减小,吸收峰变尖锐。研究一氧化碳的太赫兹吸收光谱特性,对于快速、准确检测环境中有害气体以及排除安全隐患具有重要意义。     

基于太赫兹光谱技术的D-无水葡萄糖定性定量分析研究

葡萄糖是生命活动中重要的有机分子,研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。太赫兹光谱对大分子物质具有特异性,当光谱穿透生物大分子时,由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响,会产生太赫兹光谱下的特征指纹峰,不同大分子物质的指纹峰具有特异性,利用这一特征可以对不同大分子物质进行鉴别。本研究选取D-无水葡萄糖为研究对象,首先运用太赫兹时域光谱技术测量得到葡萄糖样品的时域光谱,测得的时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱,再采用Dorney和Duvillaret方法计算得到吸收系数,研究样品的吸收特性,然后开展了数学建模研究并建立了D-无水葡萄糖含量与太赫兹光谱的定量预测数学模型。研究结果表明,D-无水葡萄糖在太赫兹波段呈现明显的吸收特性,比较多元线性回归与偏最小二乘方法建立的回归模型,通过多元线性回归对样品的特征指纹峰建立的回归模型,得到的预测模型精度较高,稳定性较好,模型的校正集相关系数达0.977 2,均方根误差为0.061 6,预测集相关系数为0.992 7,预测均方根误差为0.055 2,从而太赫兹时域光谱技术可用于有效开展D-无水葡萄糖定性定量研究,该研究为运用太赫兹光谱技术手段开展果蔬、食品、药品中葡萄糖含量快速检测提供方法参考。     

超快太赫兹时域光谱系统

超快太赫兹时域光谱系统是基于高速异步光学采样原理进行工作的,该系统使用2个重复频率可在1 GHz附近变化的飞秒振荡器,并使用高带宽反馈电路控制其重复频率。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf的失谐,一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz+Δf Hz,为泵浦脉冲;另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz,为探测脉冲,由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间差,时间延迟呈周期性变化,其扫描周期可以由1/Δf给出。此系统摒弃了传统THz-TDS系统所必需的机械延迟线,采用双光子探测器来产生触发信号。当设定Δf=1 kHz时,1 ms就可以探测出1个THz谱, 用时10.3 s即可得到动态范围为21 dB、频谱分辨率为5 GHz的太赫兹信号。该系统具有检测速度快和频谱分辨率高的优点,在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。     

核苷混合物的太赫兹谱定量分析

以物质的太赫兹吸收全谱为特征指纹可以进行混合物的成分分析。生化物质容易受外界影响而变性,使用光子能量只有毫电子伏特的太赫兹波来分析物质成分不会带来有害的电离辐射。文章使用太 赫兹谱成分分析法对腺苷、胸苷、鸟苷、胞苷、尿苷的混合物做了分析,实验结果表明该方法可以较为准确地分析出这几种核苷混合物的成分及其含量,相对误差在10%以内,并对误差产生的原因做了简 要分析。该项研究表明,此方法简单有效而且对样品无损。有可能成为生化物质成分分析的一种新手段,从而进一步拓展太赫兹谱的应用领域。     

基于太赫兹时域光谱和模式识别技术软玉和仿品鉴别

玉石是一种稀有的矿物质,自古以来备受国人喜爱,其真伪鉴别一直是珠宝鉴别行业的棘手难题,传统的鉴别方法已经难以实现对真假玉石的准确鉴别。太赫兹检测技术可以实现快速无损检测,在混合物的分类鉴别方面,有广泛的应用。基于太赫兹时域光谱技术和模式识别技术,对来自我国新疆、青海,以及巴基斯坦、阿富汗四个地区的软玉样品及玻璃、大理石、石包玉三种仿品,使用透射模式测得样品在0.1~1.5 THz频率范围内的太赫兹谱,通过参数提取得到其折射率谱线。由于其化学成分的复杂和多样性,仅靠其特征谱线图,并不能正确的区分软玉和仿品,为了更好的对其进行鉴别,需要建立分类模型。采用主成分分析（PCA）对实验得到的原始折射率数据进行降维和特征提取,作出样品在第一、二主成分上的二维得分图,在图中可以看出软玉和仿品能够很明显的区分开来。在经过降维处理之后的数据中,随机选取其中的四分之三作为训练集,剩下的作为测试集,输入到支持向量机（SVM）建立的分类模型中,并引入网格搜索（GridSearch）、遗传算法（GA）和粒子群算法（PSO）对支持向量机参数进行优化。结果显示,基于网格搜索的支持向量机最优参数c=2.828 4,g=2,识别率为97.7%,运行时间为1.39 s,用时最短;基于遗传算法的支持向量机最优参数c=1.740 1,g=4.544 6,识别率为98.3%,运行时间为3.6 s;基于粒子群算法的支持向量机最优参数c=11.287 2,g=1.833 1,识别率为98.6%,运行时间为6.13 s,用时最长。虽然三种优化算法得到的最优参数不同,但均可实现正确的分类。研究结果表明,使用太赫兹时域光谱技术结合模式识别方法可以快速、准确的鉴别软玉和仿品,这为玉石的鉴别提供了一种新手段。     

太赫兹光谱结合特征谱区筛选算法在发动机润滑油含水量定量分析中应用研究

发动机润滑油是保障汽车发动机持久且稳定运转的基石,准确评定发动机润滑油各项性能指标是其在生产到使用全过程必不可少的步骤.发动机润滑油在一段时间的使用后会因为多种原因引起油品变质,发动机润滑油变质的指标可以用其中非磁性颗粒物浓度、金属屑含量、pH值、粘稠度、含水率等表述.关于发动机润滑油含水量的检测,传统的检测方法存在操...     

基于太赫兹光谱的奶粉中葡萄糖及蔗糖定性定量检测方法

奶粉富含人体所需的五大营养物质,是婴幼儿主要的营养来源之一,奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响,除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。由于奶粉成分复杂,目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求,因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、蔗糖含量快速无损检测方法。太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性,可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统,实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物,实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号,每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号,经快速傅里叶变换（FFT）得到各样品的太赫兹频域信号,再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据,采用偏最小二乘法（PLS）建立相应的定量分析模型,校正集和预测集样品比例为2∶1。实验结果表明,奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰,葡萄糖和蔗糖分别在1.45,1.8,1.98,2.7 THz和1.5,1.9,2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰,可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致,具有稳定的吸收特性。基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型,均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析,且由折射率谱建立的葡萄糖、蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果,其中,奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数（R_c）及均方根误差（RMSEC）分别为0.99和0.18%,预测集R_P及RMSEP分别为0.96和0.66%,奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集R_c及RMSEC分别为0.96和0.55%,预测集R_P及RMSEP分别为0.99和0.25%,葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析,为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。     

基于太赫兹光谱的氨基酸检测

太赫兹是指频率从0.1到2.0 THz之间的远红外波。与傅里叶红外相比,太赫兹时域光谱能量低,信躁比高,并且无辐射损伤。氨基酸分子的低频振动模式(扭转,集体振动模式和氢键)处在 THz波段。氨基酸是一类重要的生物分子,是组成蛋白质最基本的物质。氨基酸分子以分子间氢键相互连接构成晶体。氨基酸在THz波段比在红外波段体现更多独特吸收特征。到目前为止,已经获得了20种氨基酸分子的太赫兹吸收谱,包括利用太赫兹技术对部分氨基酸的定量分析。氨基酸的太赫兹光谱研究,有利于深层次理解蛋白质/ DNA的低频振动模式及相关生物反应和活性。文章综述了20种氨基酸分子的太赫兹吸收光谱并建立了吸收光谱数据库。总结了太赫兹技术在氨基酸应用方面存在的问题,并对未来发展方向进行展望。     

基于太赫兹时域光谱技术的煤岩识别方法研究

煤岩识别一直是制约煤矿无人化开采的关键问题之一。传统的人工采煤因为工作环境极其复杂,很难精准地找到煤岩的分界面,容易造成欠切割或过切割现象。太赫兹光谱技术作为一种无损探测技术,能够反映出被测物体的物理和化学信息,可以成为研究煤岩识别的有效方法。采用太赫兹时域光谱技术与多元统计法—聚类分析（CA）和主成分分析（PCA）相结合的方法来识别不同种类的煤岩。通过透射式太赫兹光谱仪获得六种煤岩样品的太赫兹光谱,对其进行FFT等一系列数学计算可以得到各种样品的折射率、吸收系数以及介电常数。计算结果表明不同种类的煤岩在折射率、吸收系数上都存在差异。分析各类煤炭样品的折射率和吸收系数与样品的各组成成分含量之间的关系,可以发现碳含量是影响其样品折射率大小的因素之一,灰分含量是影响其样品吸收系数大小的因素之一。聚类分析中两类样品的欧氏距离与主成分分析中的第一主成分（PC1）得分都能反映煤岩样品之间的相似性和相异性,并且CA与PCA的结果保持一致。分别将各类样品在0.5～2.5 THz频率范围内的折射率、吸收系数与CA和PCA结合,组成太赫兹数据与煤岩之间的模型。分析表明：根据不同样品之间的相似性,两种模型中六种煤岩样品均被分为两类;在各种样品的吸收系数与CA-PCA组成的模型中,四种煤炭被聚集在一起,并且石英砂岩（GSR-4）具有很好的独特性：石英砂岩拥有最小的PC1得分值以及石英砂岩与第二类之间的欧氏距离最大,为219.03。由此可见采用太赫兹技术与多元统计方法结合,可以实现煤岩的准确识别,识别准确率可以达到100%。     

太赫兹时域光谱技术在气体探测中的应用(英文)

太赫兹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得到了广泛的应用。本文简要介绍了THz时域光谱技术;阐述了THz辐射应用于气体光谱的研究及其进展;比较了傅立叶变换,线性预测编码及小波变换算法在气体探测中的应用