肖敏　丁燕　魏彥梅　韓立群

摘 要：在當(dāng)今的食品檢測過程中，太赫茲時域光譜技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為實現(xiàn)此項技術(shù)的良好應(yīng)用，本文特以紅薯淀粉中的明礬添加劑檢測為例，對太赫茲時域光譜技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。希望通過本次的分析，可以為太赫茲時域光譜技術(shù)的應(yīng)用與食品檢測質(zhì)量的提升提供一定參考。

關(guān)鍵詞：太赫茲時域光譜技術(shù)，食品檢測，原理

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

在通過太赫茲時域光譜技術(shù)進(jìn)行食品檢測的過程中，相關(guān)單位和技術(shù)人員一定要明確此項技術(shù)的主要原理，然后以此為依據(jù)，通過合理的方式來進(jìn)行食品檢測。這樣才可以充分發(fā)揮出此項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，確保食品檢測效果。

1 太赫茲時域光譜技術(shù)主要原理概述

太赫茲區(qū)域?qū)儆陔姶蓬I(lǐng)域中的一個組成部分，其頻域范圍在0.1～10 THz之間，波長在0.03～3.00 mm之間，屬于電磁頻域微波以及紅外之間的一個極小間隙，其主要優(yōu)點是穿透性強(qiáng)、低能性以及指紋譜性等[1]。在太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，主要的組成部分包括太赫茲發(fā)射器、超快脈沖激光器、時間遲延系統(tǒng)，以及太赫茲接收器等。具體應(yīng)用時，超快脈沖激光器中發(fā)出的激光會從分束鏡中穿過，然后分為泵浦光以及探測光兩束。當(dāng)泵浦光反射進(jìn)入到延時裝置后，便會入射至GaAs發(fā)射天線表面，并在其表面上形成太赫茲脈沖，此脈沖會通過四個拋物面形式的反射鏡排列為一個8-F形式的共焦幾何結(jié)構(gòu)。通過第一個反射鏡，可以對光束進(jìn)行準(zhǔn)直處理，使其成為平行光束，為了使太赫茲光束直徑被壓縮到樣本光束的大小，就需要進(jìn)行第二面以及第三面拋物面反射鏡的設(shè)置，在光束離開了第三個反射鏡之后，會重新達(dá)到準(zhǔn)直效果，并通過第四個反射鏡向太赫茲接收器聚集。此種8-F形式的共焦幾何結(jié)構(gòu)可有效確保發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的光束耦合效果，并實現(xiàn)太赫茲光束頻率的有效壓縮。在探測光從反射鏡通過并被其反射之后，也可以在太赫茲接收器上與泵浦光之間達(dá)到共同聚集效果。不斷調(diào)整延時裝置，便可實現(xiàn)太赫茲波形的完整獲得。

2 太赫茲時域光譜技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用

為研究太赫茲時域光譜技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用，本次主要對紅薯淀粉中的明礬添加劑檢測進(jìn)行實驗。以下是本次食品檢測實驗中的太赫茲時域光譜技術(shù)具體應(yīng)用分析。

本次實驗中，選擇的太赫茲時域光譜系統(tǒng)為Z3-XL系統(tǒng)。在通過該系統(tǒng)進(jìn)行檢測的過程中，飛秒光脈沖會從半波片穿過，半透半反射分光束鏡會將該脈沖分為泵浦光以及探測光兩種；泵浦光會對大孔徑光導(dǎo)天線起到激發(fā)作用，從而形成太赫茲脈沖；在兩個拋物面鏡對其進(jìn)行反射之后，太赫茲脈沖將會穿過被測樣品，將樣品信息加載其中，樣品的太赫茲信號也將由此形成[2]。借助于電光采樣原理，探測光可對太赫茲脈沖所具有的電場強(qiáng)度進(jìn)行探測，提取其中的吸收系數(shù)、折射率等物理參數(shù)。表1為Z3-XL太赫茲時域光譜系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。

本次實驗中，選擇的紅薯淀粉以及明礬都是在上海阿拉丁試劑有限公司購進(jìn)的固體粉末。將這兩種樣品混合后，通過太赫茲時域光譜系統(tǒng)進(jìn)行紅薯淀粉中的明礬添加劑檢測。

2.1 實驗操作

實驗檢測中，需要按照設(shè)計好的比例分別稱取紅薯淀粉以及明礬，通過瑪瑙研體對其實施進(jìn)一步的研磨，以此來降低顆粒所導(dǎo)致的散射效應(yīng)。然后通過漩渦振蕩器將研磨好的紅薯淀粉和明礬混合均勻，將其放置到壓片機(jī)上，在6 t壓力下壓5 min，使其形成一個厚度約1 mm、直徑是13 mm的圓形均勻薄片，其表面應(yīng)光滑、透明，兩個端面要保持平行，且不可出現(xiàn)裂隙。按照Dornry等的研究結(jié)論，在對樣品進(jìn)行太赫茲波段光學(xué)參數(shù)模型獲取時，如果樣品比較厚，在太赫茲時域光譜中，主波峰值便可與第一個回波峰值達(dá)到良好的分離效果，在這樣的情況下，僅僅通過主波峰信息，便可實現(xiàn)所需光學(xué)參數(shù)的獲得。本次實驗中，假設(shè)太赫茲波束在樣品表面垂直入射，檢測中，首先需要對樣品沒有放置時的太赫茲波形R（t）進(jìn)行掃描，并將其用作參考信號波形；然后將樣品放上，再對測得的樣品信號波形S（t）進(jìn)行掃描；再分別通過傅里葉變換來實現(xiàn)相應(yīng)頻域波形R（ω）以及S（ω）的獲得；最后通過以下公式來進(jìn)行計算：

其中， （ω）代表樣品折射率； （ω）代表樣品吸收系數(shù)； （ω）代表樣品信號與參考信號之間的相位差；ρ（ω）代表樣品信號與參考信號之間的振幅比；d代表樣品厚度；c代表光速；ω代表角傾率。

2.2 實驗結(jié)果與討論

本次實驗中，為提升測量精度，降低誤差，特對樣品信號以及參考信號分別進(jìn)行了三次時域信號測量，然后將三次測量結(jié)果的平均值用作實驗結(jié)果。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，在純淀粉厚度為1.426 mm、純明礬厚度為1.331 mm時，其太赫茲波均具有顯著衰減的幅度，主要衰減來源是樣品內(nèi)部吸收以及表面反射，且淀粉與明礬的太赫茲時域信號在時間上的延時都較參考信號顯著，之所以出現(xiàn)這樣的情況，是由于兩者的折射率均比空氣折射率大。而厚度較小的明礬樣品反而具有比淀粉樣品更大的信號延時，這是由于明礬具有更大的折射率。在0.3～1.2 THz頻段范圍內(nèi)，淀粉以及明礬對于太赫茲波都具有較大的吸收率，且在高頻部分，明礬比淀粉具有更大的吸收率，從而導(dǎo)致兩者頻譜出現(xiàn)交叉，在從樣品透射過之后，所有在1.0 THz以上的太赫茲信號幅度幾乎都衰減至零。根據(jù)給出的公式，可對淀粉以及明礬的吸收系數(shù)譜以及折射率譜做出科學(xué)計算。而通過兩者的吸收系數(shù)譜可知，在0. 3～1. 2 THz頻段范圍內(nèi)，明礬的顯著吸收峰有三個，其對應(yīng)頻率分別為0.951 THz、1.043 THz以及1.115 THz。這些可用作太赫茲波段中對明礬進(jìn)行定性識別的“指紋”信息，但是在該頻段范圍內(nèi)，淀粉對于太赫茲波并沒有較高的吸收率，其吸收峰也并不明顯。通過明礬與淀粉的折射率譜發(fā)現(xiàn)，在0.2～0.9 THz這一頻段范圍內(nèi)，明礬折射率并未出現(xiàn)顯著變化，基本保持在2.1左右，淀粉折射率則約為1.8。明礬比淀粉折射率大，這一情況可對明礬在時域圖中的延時比淀粉大做出進(jìn)一步驗證[3]。

為定量分析淀粉中的明礬含量，實驗中分別稱取了一定量的淀粉以及明礬，并進(jìn)行淀粉與明礬的混合物壓片制作，其中的明礬含量分別設(shè)置為10%、20%、30%以及40%，然后按照上述方式進(jìn)行實驗。經(jīng)實驗獲得的吸收系數(shù)譜發(fā)現(xiàn)，明礬的吸收峰值有三個，其對應(yīng)的太赫茲頻率分別為0.951 THz、1.043 THz以及1.115 THz，且在明礬含量的增加中，其吸收峰的位置并不改變，只有吸收峰幅度隨之增加，因此，在具體檢測中，可通過明礬吸收峰幅度來判斷其含量。經(jīng)實驗獲得的折射率譜發(fā)現(xiàn)，明礬比淀粉折射率大，在明礬含量逐漸增加時，其折射率曲線呈現(xiàn)出逐漸上移趨勢，因此，在具體檢測中，可通過混合物折射率來定量計算明礬含量[4]。

3 結(jié)論

綜上，太赫茲時域光譜技術(shù)是當(dāng)今食品檢測中的一種常用技術(shù)。在通過此項技術(shù)進(jìn)行食品檢測時，相關(guān)單位與技術(shù)人員需要根據(jù)實際情況與實際檢測需求，對檢測設(shè)備加以合理選擇，并做好待測樣品的制備，然后對此項檢測技術(shù)加以合理應(yīng)用。通過這樣的方式，才可以實現(xiàn)食品檢測結(jié)果的科學(xué)獲取，為食品安全提供良好保障。

參考文獻(xiàn)

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[2]鄭麗源.食品安全檢測技術(shù)在食品質(zhì)量安全中的應(yīng)用研究[J].食品安全導(dǎo)刊，2022（29）：181-183.

[3]吳靜珠，李曉琪，孫麗娟，等.太赫茲時域光譜及成像技術(shù)在農(nóng)作物品質(zhì)檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].光譜學(xué)與光譜分析，2022，42（2）：358-367.

[4]成立， 夏彥衛(wèi)， 高樹國，等.太赫茲時域光譜技術(shù)在絕緣紙板微水含量檢測中的應(yīng)用分析[J] .智慧電力，2020，48（8）：104-109.

作者簡介

肖敏，碩士，講師，主要從事生物學(xué)教學(xué)及研究工作。

（責(zé)任編輯：張佩玉）