THz 光谱技术及应用

内容概要

(一) 什么是THz波？

(二)  THz波的主要特征

(三) THz光谱技术的原理

(四) THz波的应用

一、什么是太赫兹波

THz辐射通常指的是频率在0.1THz-10THz(波长在3mｍ-30μｍ)之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。

(二) THz波的主要特征

1、相干性       THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数。

2、低能性        太赫兹光子能量比较低只有毫电子伏特，与X 射线相比它不会破坏被检测物，因此可以被用来做无损检测。用太赫兹检测物质。既可发现内部瑕疵而又不损害该物质。

3、THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。

4、瞬态性：       THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。

5、大多数极性分子(H2O)，对THz辐射有强烈的吸收。在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断，还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定其新鲜程度。

6、宽带性：  THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。

THz的这些特性使得THz技术在很多方面可以成为傅立叶红外光谱技术和X射线技术的互补技术。

(三)  THz光谱技术的原理

基于InAs半导体的太赫兹时域光谱系统

(四) THz光谱技术的应用

目前全世界有 100个以上的研究小组在进行与THz 有关的研究

美国:     主要研究力量 欧洲:     Teravision, Tera-bridge Teraview Ltd. 日本:     Tera-photonics 台湾:     Tera-photonics China: NNSFC 新的 THz 项目

THz的主要应用领域：

食品无损检测   环境监测 化学分析 军事和通信领域 生物医学 安全检查 工业无损检测 空间物理和天文学

(四) THz光谱技术食品、药物检测中应用

食品：奶粉中的添加剂、奶粉中的葡萄糖和蔗糖、葛粉、奶粉中的三聚氰胺、带包装的奶粉中三聚氰胺含量检测

农产品：葛粉、面粉中的苯甲酸、葛粉中掺假的薯粉、红薯淀粉中的明矾含量、紫米掺假、稻米品质检测、咖啡豆的产地鉴别

中药材：三七不同部位根粉检测、贝母的产地鉴别、川贝母粉中的掺假物检测

1.奶粉中的葡萄糖和

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 (Rc) 及均方根误差 (RMSEC) 分别为0.99和0.18%, 预测集RP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Rc及RMSEC分别为0.96和0.55%, 预测集RP及RMSEP分别为0.99和0.25%。

2.奶粉中的三聚氰胺

经多元散射校正结合归一化校正处理后的GRNN模型效果最佳，得到的预测相关系数为0.9967，预测均方根误差为0.0050，验证了THz光谱检测技术对奶粉中违禁添加剂三聚氰胺检测的可行性

3.带包装的奶粉中三聚氰胺含量检测

SPA-LS-SVM建模效果最好 PE:均方根误差为0.8%， PP：均方根误差为1.05%

1.、葛粉、 面粉中的苯甲酸

无塑料包装袋组的实验中, 相关系数R2为0.975, RMSEP为1.267%。 有塑料包装袋组的实验中, 相关系数R2为0.968, RMSEP为1.799%。

建立LS-SVM和BPNN模型，发现BPNN模型可以获得更好的建模效果，预测相关系数为0.9945，预测均方根误差为0.66%。

2. 红薯淀粉中的明矾含量

PLS建立的红薯淀粉中明矾含量预测模型的RMSEP为0.012、 Rp为0.987。 LS-SVM建立的红薯淀粉中明矾含量预测模型的RMSEP为0.0047, Rp为0.9972

3.紫米掺假

使用基线校正预处理之后的数据结合最小二乘支持向量机法(LS-SVM)进行定量建模效果最佳, 紫米掺染色大米的预测相关系数(Rp)为0.979, 预测均方根误差(RMSEP)为0.091;紫米掺染色黑米的预测相关系数(Rp)为0.948, 预测均方根误差(RMSEP)为0.093。

1. 贝母的产地鉴别

建立随机森林（RF）、支持向量机（SVM）、反向误差神经网络（BPNN）建立多分类模型并进行对比，SVM结合SNV预处理建模效果最好，整体正确率高达97.490%。

2.、川贝母粉中的掺假物检测

PLS-DA模型能够完全区分纯川贝母粉与纯品的掺假样品（纯大米粉、纯葛粉、纯红薯粉、纯平贝母粉、纯小麦粉），鉴别正确率能够达到100%

2.、川贝母粉中的掺假物检测

建立的Normalize-MSC-PSO-SVM多分类模型效果最优，识别五种掺假川贝母样品平均预测正确为95.67%，均方根误差为0.432。

太赫兹时域光谱技术在农产品品质检测领域的应用： 1.伪劣农产品：霉变山核桃、霉变花生、 2.农药残留：福美铁、多菌灵、克菌丹、噻菌灵、三氯杀螨砜和敌百虫 3.添加剂：滑石粉、过氧化苯甲酰、增白剂 4.转基因：转基因甜菜、转基因棉花、转基因大豆 5.水分含量：小麦粉中的水分、大豆叶片中的水分