检测中的“新武器”

【摘要】THz辐射是电磁波谱上新开发的最后一个频率窗口，具有独特的性质，在物理、化学、生物医学、通信、雷达、安全检查等各方面都有广阔的应用前景。由于许多及其相关材料在THz波段具有特征吸收，许多非金属、非极性材料对THz波时透明的，且THz波具有低能性，THz技术在安检中具有巨大的应用潜力。本文重点介绍了THz时域光谱技术和成像技术在检测和识别方面的研究应用，初步探讨了该技术在识别领域应用中的可行性、有效性及今后的发展方向。

【关键词】太赫兹辐射；太赫兹时域光谱；太赫兹成像技术；；检测

太赫兹“Terahertz”一词是1974年由弗莱明（Fleming）首次提出来的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱频率范围。太赫兹（THz，1 THz=10Hz）辐射在电磁波谱上位于微波和红外之间，属于远红外波段。通常所研究的THz辐射指的是频率在0.1～10THz，波长在30μm～3mm，波数在3.3～330cm-1之间的电磁波。在电磁频谱上，THz波在电磁波谱中的位置特殊，处于电子学向光子学的过渡区域，长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生方法和检测途径，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个还未被全面研究的频率窗口――电磁波谱中的“太赫兹空隙（THz Gap）”。近几十年来，超快光电子技术迅速发展，为THz脉冲的产生提供了可靠、稳定的激发光源，促进了对THz辐射机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展。例如在医学成像、无标记检测、军事安全、材料的无损探测等方面，特别是对炸药、等相关材料的检测研究成为热点。本文前半部分介绍了THz辐射的产生、探测方法、性质以及THz时域光谱技术和THz成像技术，后半部分主要介绍了THz技术在检验方面的研究进展。

1.应用THz技术进行检测的研究进展

1.1 概述

不仅危害人们的身心健康，而且会引发一系列的社会问题，例如犯罪率上升，性病和艾滋病蔓延等等，严重威胁着许多国家和地区的社会稳定和经济发展。跨国、跨区域乃致国际化的犯罪愈发频繁，国际社会所面临的问题日益严峻。由于缺乏准确无损的探测技术，使得藏匿在邮件等包裹中的仍然能够在国内乃至国际间传递。

在检测和分析方面，国内外学者都尝试研究了很多方法，其中应用比较广泛的有色谱、质谱、紫外光谱、毛细管电泳、红外光谱、X射线、拉曼光谱、生化及生物检测法、离子迁移谱技术及其他物理方法等。但是这些方法自身都有一定的局限性，例如化学分析、紫外光谱、红外光谱及X射线对样品都有一定程度的破坏，属于有损检测；X射线及紫外光谱对人体会有辐射危害，红外光谱和拉曼光谱都存在着较强的吸收和散射问题。在成像方面，X射线穿透力太强，只能分辨出包装材料下样品的形状，但是不能确定它们的具体类别；警犬识别和痕迹识别要求包装材料外面有的痕迹残留；红外波段对包装材料具有高吸收和高散射，使得测量结果不精确甚至是不可靠的。

THz技术的兴起，为缉毒检查工作提供了一种全新的探测和检验手段。国内外大量学者的研究结果都表明分子在THz波段存在特征吸收，因此应用THz技术对进行检测成为热点。我们首先针对已知标准样品进行THz辐射扫描，建立一个在THz波段的特征吸收光谱库――“指纹谱库”，然后对被探测样品进行THz辐射扫描，通过对特征吸收光谱的识别比对，就可以快速准确的确定隐藏物的形状及种类。相对于X射线来说，THz波的能量低，可以真正实现无损探测。目前，THz技术在检测方面的研究已经取得了许多乐观的成果，国内外学者对其在检测领域的应用前景表示出极高的关注。目前，THz光谱技术和THz成像技术就构成了THz波应用的两个主要关键技术。

1.2 THz-TDS技术应用于检测

从微观上看，大多数都属于结构有所不同的生物有机大分子，而THz辐射对于结构的微小差异是非常敏感的，许多生物大分子的振动和转动能级建的间距，分子之间的弱相互作用及大分子的骨架振动、偶极子的转动和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动所对应的吸收频率均位于THz波段。这就成为利用THz辐射进行检测的前提。不同种类的在THz波段存在指纹光谱即特征光谱，通过识别各自的特征光谱我们就可以快速有效的对进行检测定性。文献报道中的实验和理论计算结果都表明：应用THz光谱进行的探测是可行的。

图1 三种样品的特征光谱

1：MDMA；2：MA；3：MDA

2003年10月，Kodo Kawase等人[1，2]利用THz参量振荡器对甲基苯丙胺（MA）和3，4-亚甲二氧基安非他命（MDA）进行了成像研究，他们在1.0-2.0THz频率范围内利用可调频率THz源选用了7个频率，以阿司匹林（Aspirin，1.4，2.24THz）作为参照进行成像研究；2005年，B Fischer等人[3]研究了吗啡、可卡因、乳糖、阿司匹林、蔗糖5种样品的THz吸收光谱，并应用特征峰成像的方法对乳糖、蔗糖、阿司匹林、酒石酸进行识别。Sun等[4]测得MA、MDA、MDMA在0.2-2.5THz范围内的反射式THz-TDS的特征光谱，如图1所示。这些指纹谱图的建立为利用THz-TDS对进行无损检测打下了基础。2005年，Li等[5]利用THz-TDS对MA进行了详细的研究，测得了MA在0.2-2.6THz的THz特征吸收谱（1.23，1.67，1.84，2.43THz）并运用DFT计算了该物质的振动频率，其结果与实验值基本相符，进一步证实了THz-TDS实验结果的可靠性。

在国内方面，首都师范大学与公安部第一研究所合作，对38种纯度在90%以上的进行了THz-TDS探测，得到了各自的指纹谱图，建立并丰富了THz光谱数据库，并以此为基础将THz检测和识别研究在实际工作中进行尝试应用，取得了一系列有意义的成果。

首先，贾燕等[6]利用THz-TDS技术对苯丙胺类MA、MDA和3，4-亚甲二氧基甲基安非他命（MDMA）在0.2-2.6THz频率范围内的特征光谱进行研究，得到了3种在THz波段的吸收谱。如图2所示。从图2可以看出，3种样品都存在特征吸收峰，而且不同样品的吸收峰出现的位置不同，因此样品的THz频域谱也就是样品的指纹谱，通过样品的吸收峰位置，可以识别样品的种类。同时，样品的折射率曲线也可以作为鉴别中的附加参考信息，3种样品吸收峰的位置在折射率曲线上对应于反常色散。同时，他们采用Gaussion03软件包，应用密度泛函理论，对MA的远红外振动模式进行了探讨[7]，进一步证实了THz波段是大分子集体振动模式对应的波段。他们检测了粉末状MA和MDMA的THz吸收光谱，想要验证样品的不同形态对指纹谱的影响，发现粉末状和片状的吸收光谱基本一致，几个主要吸收峰位置没有发生变化，只有个别峰出现偏移，峰的强度有所减弱。因此在实际探测中，不论目标探测物是粉末状的还是片状的，都可以根据指纹谱库中已有的数据进行判断和鉴别。

图2 MA，MDA和MDMA的吸收系数曲线

沈京玲等[7]探讨了用THz波是否可以检测出隐藏在邮件中的。他们将两种MA和MDMA样品分别置于两个厚度不同（分别为0.28mm和0.22mm）的常用信封中，用THz波进行扫描检测，发现信封对THz波的确有一定的吸收，但是两种的特征吸收峰并没有被淹没，通过与指纹谱库中已有的标准品数据进行对比，它们各自的特征吸收峰基本不变，结果表明，THz波可以检测和识别隐藏在信封中的。

蔡禾等[8]在初步研究了“自然”的光谱特征和对隐藏利用特征峰识别、成像识别等方法的基础上，研究利用人工神经网络、支持向量机（SVM），二次求导等方法实现计算机自动识别研究。他们通过自组织特征映射（Self Organization Feature Mapping，SOM）神经网络对6中常见的60个光谱进行成功聚类，实现了对不同的分类。而且，他们以训练好的SOM对12个待识别的60个光谱进行分类，结果表明训练好的SOM网络可以对不同的THz光谱进行分类，即可以用神经网络来鉴定的种类。支持向量机（SVM）是V.Vapnik提出的一种机器学习方法相比于神经网络在参数设定和识别过程要节省很多时间。该研究小组用归一化预处理后的9种常见和面粉的THz吸收光谱训练libsvm模型，将通过THz-TDS技术得到的9种常见纯品和3种混合物的特征吸收光谱作为检测光谱，用SVM对纯品和混合物进行了识别分类，识别率达100%。识别结果表明，用SVM可以实现对不同种类的识别和鉴定，也就是说THz光谱技术的计算机自动识别同样是十分有效的方法。

在通常的缉毒工作中，缴获的大都是掺有其他物质或多种混合的混合物，而且含量的确定也是法律量刑的一个重要依据，所以的纯度或含量进行检验鉴定也是很重要的。逯美红等人[9]通过实验测定了VB1、VC和二者混合物的THz吸收光谱，采用线性回归技术进行分析，得到样品中各个混合成分的相对含量。结果表明，实际查获的混合物，其成分和含量都可以基于纯样品的吸收谱比对得到。这种方法的建立将进一步开拓THz技术的应用领域，对于实际工作中混合物的鉴定定性和定量量刑意义更为重大，具有良好的应用前景。

1.3 THz成像技术应用于识别

电磁波最重要的应用之一是成像。太赫兹辐射对于大多数非透明的电介质材料都具有很好的穿透效果，因此太赫兹成像技术引起了国内外学者的广泛关注。太赫兹光源的光子能量极低，不具有电离性质，不会对材料（尤其是活性材料）造成破坏，可以对生物体或物品进行无损成像，极大地弥补了X射线检测及其他检测技术的缺陷。因此，各种THz成像技术也就成为THz波应用技术中最重要也最为活跃的研究方向[10]。

2003年，日本的Kodo Kawase等[2]将成像技术与指纹光谱相结合，对信封内包在聚乙烯袋里的三种样品进行研究，不仅准确检测出包装袋的形状和样品的位置，而且还得到了样品浓度等相关信息。研究表明：利用THz成像技术，在能够得到特征光谱数据的同时，还可以从多种物质的混合物中分离并获得各组分的空间分辨。因此，利用THz技术进行邮件检测，将会在极大程度上遏制了将藏匿在信封中以合法的途径进行运输。

图3 MDMA，海洛因，吗啡和乙酰可待因的吸收谱图

国内对于THz成像技术在识别方面的应用研究还处于初步阶段。逯美红等人在空气中进行了成像识别的研究。该小组选用安定和维他命样品作为参考，对六种常见的样品（氯胺酮、吗啡、海洛因、乙酰可待因、MDA、MDMA）进行测量。如图3与图4所示，第一组为四种不同样品之间的鉴定及识别，第二组是与其他化学药品之间的鉴定及识别。由于水蒸气的影响，两组样品在空气中的测量得到的吸收谱中有些特征峰被湮没或是不可信的。也就是说，THz成像技术在实际应用中还存在着一定的缺陷，它的特征指纹谱鉴定识别方法必须依赖于样品的特征峰及干燥的测量环境。同时，在对混合物进行成分分析时，发现结果只能定性的确定混合物中含有某一种成分以及所占比例的大小与已知一致，但对具体的百分含量的确定，结果很不理想，仍需进一步的深入研究。

图4 氯胺酮，MDA，维他命和安定的吸收谱图

2.结论和展望

展望未来，THz技术的产生和发展为我们开创了一个丰富的光谱研究新层面，也给光谱学研究者提供了新的挑战和机遇。随着研究工作的进一步开展，在不久的将来，THz技术在化学基础研究、材料科学、生物学、医学疾病诊断以及军事等许多领域都会展现出其巨大的应用潜力，并且该技术与多种学科之间的交叉将会更深入更广泛。

近几年来，THz技术在实验室检验阶段取得了一定进展，但离实际操作应用尚存在一定的距离。总体来讲，目前利用THz技术对无损检测的研究仍旧处于探索阶段，仍然存在许多问题亟待解决。但是在过去的大量实验及理论研究中，THz波科学技术已经向世人展现了诱人的应用前景。相信随着研究水平的进一步深入和提高，THz光谱技术将会凭借它快速、有效的极大优势应用于的检查和探测，给安全检测领域带来新的突破，THz技术必将在更广泛的实际领域发挥重大作用。

参考文献

[1]Kawase K，Ogawa Y，Watamabe Y，et al.Opt.Express， 2003，11（20）：2549-2544.

[2]Kawase K.Opt.Photo.News，2004，15：34.

[3]B Fischer，M Hoffmann，H Helm，et al.，Semicond.Sci.Technol.，2005，20：246-253.

[4]Sun J H，Shen J L，Liang L S，et al.Chin.Phys.Lett.， 2005，13（18）：6750.

[5]Li N，Shen J L，Sun J H，et al.Opt.Express，2005，13（18）：6750.

[6]贾燕，李宁，沈京玲，等.现代科学仪器，2006，2：41-44.

[7]沈京玲，李宁，等，光学技术，2006，32（5）：747-749.

[8]蔡禾，郭雪娇，沈京玲，等.中国光学与应用光学，2010， 3（3）：209-222.

[9]逯美红.太赫兹技术在及玉米种子鉴定识别中的应用[D].北京：首都师范大学物理系，2006.

[10]B B Hu and M C Nuss，Opt.Lett.，1995，20：1916-1724.

作者简介：王静（1985―），女，硕士研究生，助理工程师，科员，研究方向：及毒物的理化检验。