食品检测中太赫兹时域光谱技术的应用

肖敏　丁燕　魏彦梅　韩立群

摘 要：在当今的食品检测过程中，太赫兹时域光谱技术发挥着至关重要的作用。为实现此项技术的良好应用，本文特以红薯淀粉中的明矾添加剂检测为例，对太赫兹时域光谱技术的具体应用进行分析。希望通过本次的分析，可以为太赫兹时域光谱技术的应用与食品检测质量的提升提供一定参考。

关键词：太赫兹时域光谱技术，食品检测，原理

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.16.027

在通过太赫兹时域光谱技术进行食品检测的过程中，相关单位和技术人员一定要明确此项技术的主要原理，然后以此为依据，通过合理的方式来进行食品检测。这样才可以充分发挥出此项技术的应用优势，确保食品检测效果。

1 太赫兹时域光谱技术主要原理概述

太赫兹区域属于电磁领域中的一个组成部分，其频域范围在0.1～10 THz之间，波长在0.03～3.00 mm之间，属于电磁频域微波以及红外之间的一个极小间隙，其主要优点是穿透性强、低能性以及指纹谱性等[1]。在太赫兹时域光谱系统中，主要的组成部分包括太赫兹发射器、超快脉冲激光器、时间迟延系统，以及太赫兹接收器等。具体应用时，超快脉冲激光器中发出的激光会从分束镜中穿过，然后分为泵浦光以及探测光两束。当泵浦光反射进入到延时装置后，便会入射至GaAs发射天线表面，并在其表面上形成太赫兹脉冲，此脉冲会通过四个抛物面形式的反射镜排列为一个8-F形式的共焦几何结构。通过第一个反射镜，可以对光束进行准直处理，使其成为平行光束，为了使太赫兹光束直径被压缩到样本光束的大小，就需要进行第二面以及第三面抛物面反射镜的设置，在光束离开了第三个反射镜之后，会重新达到准直效果，并通过第四个反射镜向太赫兹接收器聚集。此种8-F形式的共焦几何结构可有效确保发射机和接收机的光束耦合效果，并实现太赫兹光束频率的有效压缩。在探测光从反射镜通过并被其反射之后，也可以在太赫兹接收器上与泵浦光之间达到共同聚集效果。不断调整延时装置，便可实现太赫兹波形的完整获得。

2 太赫兹时域光谱技术在食品检测中的应用

为研究太赫兹时域光谱技术在食品检测中的应用，本次主要对红薯淀粉中的明矾添加剂检测进行实验。以下是本次食品检测实验中的太赫兹时域光谱技术具体应用分析。

本次实验中，选择的太赫兹时域光谱系统为Z3-XL系统。在通过该系统进行检测的过程中，飞秒光脉冲会从半波片穿过，半透半反射分光束镜会将该脉冲分为泵浦光以及探测光两种；泵浦光会对大孔径光导天线起到激发作用，从而形成太赫兹脉冲；在两个抛物面镜对其进行反射之后，太赫兹脉冲将会穿过被测样品，将样品信息加载其中，样品的太赫兹信号也将由此形成[2]。借助于电光采样原理，探测光可对太赫兹脉冲所具有的电场强度进行探测，提取其中的吸收系数、折射率等物理参数。表1为Z3-XL太赫兹时域光谱系统主要技术参数。

本次实验中，选择的红薯淀粉以及明矾都是在上海阿拉丁试剂有限公司购进的固体粉末。将这两种样品混合后，通过太赫兹时域光谱系统进行红薯淀粉中的明矾添加剂检测。

2.1 实验操作

实验检测中，需要按照设计好的比例分别称取红薯淀粉以及明矾，通过玛瑙研体对其实施进一步的研磨，以此来降低颗粒所导致的散射效应。然后通过漩涡振荡器将研磨好的红薯淀粉和明矾混合均匀，将其放置到压片机上，在6 t压力下压5 min，使其形成一个厚度约1 mm、直径是13 mm的圆形均匀薄片，其表面应光滑、透明，两个端面要保持平行，且不可出现裂隙。按照Dornry等的研究结论，在对样品进行太赫兹波段光学参数模型获取时，如果样品比较厚，在太赫兹时域光谱中，主波峰值便可与第一个回波峰值达到良好的分离效果，在这样的情况下，仅仅通过主波峰信息，便可实现所需光学参数的获得。本次实验中，假设太赫兹波束在样品表面垂直入射，检测中，首先需要对样品没有放置时的太赫兹波形R（t）进行扫描，并将其用作参考信号波形；然后将样品放上，再对测得的样品信号波形S（t）进行扫描；再分别通过傅里叶变换来实现相应频域波形R（ω）以及S（ω）的获得；最后通过以下公式来进行计算：

其中， （ω）代表样品折射率； （ω）代表样品吸收系数； （ω）代表样品信号与参考信号之间的相位差；ρ（ω）代表样品信号与参考信号之间的振幅比；d代表样品厚度；c代表光速；ω代表角倾率。

2.2 实验结果与讨论

本次实验中，为提升测量精度，降低误差，特对样品信号以及参考信号分别进行了三次时域信号测量，然后将三次测量结果的平均值用作實验结果。经实验发现，在纯淀粉厚度为1.426 mm、纯明矾厚度为1.331 mm时，其太赫兹波均具有显著衰减的幅度，主要衰减来源是样品内部吸收以及表面反射，且淀粉与明矾的太赫兹时域信号在时间上的延时都较参考信号显著，之所以出现这样的情况，是由于两者的折射率均比空气折射率大。而厚度较小的明矾样品反而具有比淀粉样品更大的信号延时，这是由于明矾具有更大的折射率。在0.3～1.2 THz频段范围内，淀粉以及明矾对于太赫兹波都具有较大的吸收率，且在高频部分，明矾比淀粉具有更大的吸收率，从而导致两者频谱出现交叉，在从样品透射过之后，所有在1.0 THz以上的太赫兹信号幅度几乎都衰减至零。根据给出的公式，可对淀粉以及明矾的吸收系数谱以及折射率谱做出科学计算。而通过两者的吸收系数谱可知，在0. 3～1. 2 THz频段范围内，明矾的显著吸收峰有三个，其对应频率分别为0.951 THz、1.043 THz以及1.115 THz。这些可用作太赫兹波段中对明矾进行定性识别的“指纹”信息，但是在该频段范围内，淀粉对于太赫兹波并没有较高的吸收率，其吸收峰也并不明显。通过明矾与淀粉的折射率谱发现，在0.2～0.9 THz这一频段范围内，明矾折射率并未出现显著变化，基本保持在2.1左右，淀粉折射率则约为1.8。明矾比淀粉折射率大，这一情况可对明矾在时域图中的延时比淀粉大做出进一步验证[3]。

为定量分析淀粉中的明矾含量，实验中分别称取了一定量的淀粉以及明矾，并进行淀粉与明矾的混合物压片制作，其中的明矾含量分别设置为10%、20%、30%以及40%，然后按照上述方式进行实验。经实验获得的吸收系数谱发现，明矾的吸收峰值有三个，其对应的太赫兹频率分别为0.951 THz、1.043 THz以及1.115 THz，且在明矾含量的增加中，其吸收峰的位置并不改变，只有吸收峰幅度随之增加，因此，在具体检测中，可通过明矾吸收峰幅度来判断其含量。经实验获得的折射率谱发现，明矾比淀粉折射率大，在明矾含量逐渐增加时，其折射率曲线呈现出逐渐上移趋势，因此，在具体检测中，可通过混合物折射率来定量计算明矾含量[4]。

3 结论

综上，太赫兹时域光谱技术是当今食品检测中的一种常用技术。在通过此项技术进行食品检测时，相关单位与技术人员需要根据实际情况与实际检测需求，对检测设备加以合理选择，并做好待测样品的制备，然后对此项检测技术加以合理应用。通过这样的方式，才可以实现食品检测结果的科学获取，为食品安全提供良好保障。

参考文献

[1]贾一凡，孟哲，宋亚娟.超声波技术在食品检测中的应用[J].食品安全导刊，2022（29）：162-164.

[2]郑丽源.食品安全检测技术在食品质量安全中的应用研究[J].食品安全导刊，2022（29）：181-183.

[3]吴静珠，李晓琪，孙丽娟，等.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[J].光谱学与光谱分析，2022，42（2）：358-367.

[4]成立， 夏彦卫， 高树国，等.太赫兹时域光谱技术在绝缘纸板微水含量检测中的应用分析[J] .智慧电力，2020，48（8）：104-109.

作者简介

肖敏，硕士，讲师，主要从事生物学教学及研究工作。

（责任编辑：张佩玉）