太赫兹光谱技术检测水分及水合作用的研究进展
基于太赫兹光谱技术的液体农药测检
太赫兹光谱技术可根据测试样品 的种类、浓度以及特性选择合适的测 试装置。由于农药的水分及及其他成 分在太赫兹光的照射下会因农药的浓 度、数量等产生不同的折射光谱。通 过农药吸收系数和折射率谱，分析总 结了相同温度下农药残留量与太赫兹 光谱吸收之间的作用关系，并对混合 样品中农药的含量进行定性和定量分
Technology 科技 分析与检测
基于太赫兹光谱技术的液体农药测检
□ 李 雷 荆州市产品质量监督检验所
摘 要：近年来随着经济的发展，生活水平的提高，使得对食品安全的重视逐渐加强，越来越多的人们开始追求绿色 无公害的有机食品，农药残留问题给人类的生活带来了极大的困扰。太赫兹光谱技术作为一种新兴技术以检测时间短、对 样品无损害、监测对象广泛、精准度高以及数据提取处理的方便性等优点在农药检测领域发挥着重要作用。
3.2.1 基于太赫兹光谱技术的农 药定性定量分析
太赫兹光谱光波作为辐射电场和 农药分子相互作用来获得分子的低频 振动光谱。而混合物的吸收系数计算
是 定 性 定 量 分 析 的 基 础。 采 用 化 学 计 量 学 方 法 利 用 样 品 数 据 建 模， 遵 循 定 量 关 系 定 律。 而 定 性 分 析 主 要 是 采 用 光 谱 库 和 模 式 识 别 来 进 行 判 别的。
① 安 全 性 能 高。 太 赫 兹 光 谱 技 术 有一定的优越性，穿透力强，辐射性 小，对多数生物细胞无害，安全性能 系数高，因此，太赫兹光谱技术的应 用范围很广。②瞬态性。太赫兹光谱 技术能调整和稳定性能指标。③宽带 性。太赫兹脉冲源的磁场范围大，覆 盖面广。 2.2 太赫兹与物质的相互作用
太赫兹光谱技术用于干旱胁迫下大豆冠层含水量检测研究
太赫兹光谱技术用于干旱胁迫下大豆冠层含水量检测研究赵旭婷;张淑娟;李斌;李银坤【摘要】近年来水资源短缺问题日益严重,部分地区由于农业灌溉用水不足导致庄稼减产农民利益受损.大豆是一种需水量较大的农作物,一旦水分亏缺将直接影响大豆植株的形态和生长发育,从而造成大豆品质降低和产量减少.大豆叶片的水分状况可真实地反映植株水分受土壤水分亏缺的影响程度,因此,大豆冠层叶片水分含量的快速获取成为一种需要.太赫兹辐射在水中的强烈衰减使其成为一种非常灵敏的非接触式探针,可以快速、无损地检测叶片含水量.因此基于太赫兹光谱这一新技术进行大豆冠层叶片含水量的检测研究,用于实时监测田间大豆的健康状况.实验选用中黄13号大豆进行栽培,为尽可能模拟田间不同程度的干旱胁迫状况,将开花期大豆进行5个不同梯度:正常供水、轻度干旱胁迫、中度干旱胁迫、重度干旱胁迫、严重干旱胁迫(分别占田间最大持水量的80％,65％,50％,35％,20％)的水分灌溉,每个梯度设置3个重复.利用人工称重法与便携式土壤水分速测仪结合将土壤含水量调控到各水分梯度要求.然后,将实验大豆植株运回实验室并利用透射式太赫兹时域光谱仪进行样本扫描,每个梯度采集18片冠层叶片,共90个样本,以2:1的比例分为校正集和预测集.在获取各样本时域光谱数据后,根据Dorney和Duvillaret提出的模型进行了光学参数的提取,得到各样本的吸收系数谱以及折射率谱.定性分析了太赫兹时域光谱、吸收系数、折射率随水分胁迫程度不同的变化情况.实验发现:随着水分胁迫程度的降低,时域光谱的峰值呈不断衰减趋势,且均低于空白参考峰值,同时有明显的时间延迟.吸收系数值随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低;折射率值同样随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低.并利用偏最小二乘(PLS)和多元线性回归(MLR)方法定量研究了时域光谱、吸收系数、折射率光谱数据与叶片含水率的相关关系.结果表明,太赫兹波对大豆叶片水分差异十分敏感,基于时域光谱最大值和最小值的MLR预测精度最高,预测集相关性(rp)达-0.9393,均方根误差(RMSEP)为0.0495.研究表明太赫兹光谱技术应用于大豆冠层叶片含水量观测具有良好的可行性,为开展大豆冠层含水量信息快速获取,实现科学节水管理与灌溉决策提供了新的检测手段和实验依据.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2018(038)008【总页数】5页(P2350-2354)【关键词】大豆叶片;含水量;太赫兹时域光谱;吸收系数;折射率;回归模型【作者】赵旭婷;张淑娟;李斌;李银坤【作者单位】山西农业大学工学院 ,山西太谷 030801;北京农业信息技术研究中心 ,北京 100097;农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室 ,北京 100097;山西农业大学工学院 ,山西太谷 030801;北京农业信息技术研究中心 ,北京 100097;农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室 ,北京 100097;数字植物北京市重点实验室 ,北京 100097;北京农业智能装备技术研究中心 ,北京 100097【正文语种】中文【中图分类】O657.3引言大豆是一种粮油饲兼用作物，植物蛋白含量丰富，市场需求量巨大，据国家粮油信息中心统计，2016/2017年度我国大豆的年消耗量达9 810万吨。
基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究
基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究龙园;赵春江;李斌【摘要】叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一.太赫兹波处于红外和微波之间,对样品水分变化非常敏感,当太赫兹光谱穿透含水丰富的叶片时,叶片中水分等物质能对太赫兹光谱产生强烈的吸收,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹光谱技术对植物叶片进行成像.本研究利用太赫兹技术检测植物叶片的水分含量,初步探讨植物叶片中水分和太赫兹成像的相关关系.实验采集离体绿萝叶片,每隔一定时间通过太赫兹光谱仪对叶片逐点扫描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获取植物叶片的二维图像.结果表明,不同频率下,绿萝离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据图像,能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含量差异.通过叶片时域幅值的平均值、叶片频域平均值与叶片水分含量建立相应的回归模型,时域最小幅值光谱与水分含量建立的最佳模型预测相关性达0.9891,预测均方根误差为0.0244 g.研究表明太赫兹技术用于植物叶片的水分含量检测具有较好的研究潜力.%Leaf moisture is an important parameter of plant health,and Terahertz is sensitive to leaf moisture.When terahertz spectra penetrate the leaf,the leaf can be imaged according to different moisture contents at different positions.In this research, Terahertz technology was used to detect the isolated leaf moisture.The relationship between leaf moisture and terahertz spec-troscopy data was studied.Terahertz data were obtained by scanning the leaf in vitro.Then the time domain amplitude was ob-tained and the frequency domain spectra were extracted to rebuild theleaf images.The distribution of the leaf moisture could be clearly observed.This study showed that the image quality with the minimum time domain performed the best.Also,the opti-mal model was established.The correlation coefficient and the root mean square error of the prediction model were 0.9817 and 0.0237 g,respectively.The result of the research provides a guidance to predict live leaf moisture using Terahertz technology in the future.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2017(037)010【总页数】5页(P3027-3031)【关键词】太赫兹成像;时域光谱;水分含量【作者】龙园;赵春江;李斌【作者单位】北京农业信息技术研究中心,北京 100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京 100097;农业部农业信息技术重点实验室,北京 100097;北京农业信息技术研究中心,北京 100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京 100097;农业部农业信息技术重点实验室,北京 100097;北京市农业物联网工程技术研究中心,北京 100097;农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室,北京 100097;北京农业信息技术研究中心,北京 100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京 100097;农业部农业信息技术重点实验室,北京 100097【正文语种】中文【中图分类】O657.3太赫兹光谱是波长在毫米范围内的电磁辐射波，近年来，由于太赫兹光谱辐射光源的发展，太赫兹应用技术也得到较大发展。
浅论食品检测中太赫兹时域光谱技术的应用
浅论食品检测中太赫兹时域光谱技术的应用摘要：食品安全一直是人们关注的重要问题，而食品检测技术在确保食品安全方面起着至关重要的作用。
近年来，太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的非破坏性检测手段，已被广泛应用于食品检测领域。
该技术以其高分辨率、快速便捷的特点，能够有效检测食品中的成分、结构及质量等关键指标，提供了一种可靠、准确的分析方法。
本文将对太赫兹时域光谱技术在食品检测中的应用进行浅论，总结其在食品安全领域的潜力与前景，为进一步推动食品检测技术的发展提供参考。
关键词：食品检测；太赫兹时域光谱技术；应用太赫兹时域光谱技术是一种非侵入性、无辐射、高精度的食品检测方法。
它利用太赫兹波段的电磁波与物质之间的相互作用，可以对食品的成分、结构和质量进行准确测量。
该技术在食品工业中广泛应用，包括检测食品中的添加剂、污染物和农药残留等有害物质，同时也可以评估食品的新鲜度和熟化程度。
太赫兹时域光谱技术具有快速、无损、高灵敏度等优势，为食品安全监测提供了新途径。
1.太赫兹时域光谱技术的概述太赫兹时域光谱技术是一种通过探测物质在太赫兹频率范围内的电磁波来分析其结构、成分和性质的技术。
太赫兹频率位于微波和红外之间，介于0.1到10太赫兹（THz）之间，具有较强的穿透能力和高灵敏度。
太赫兹波具有许多特点，比如能够穿透非金属材料、不损伤生物样品、对水和有机物有很好的吸收能力等。
这使得太赫兹时域光谱技术在各个领域具有广泛的应用潜力，尤其在材料科学、生物医学、食品安全等方面[1]。
太赫兹时域光谱技术通过发射和接收太赫兹脉冲来测量物质对太赫兹光的吸收、散射和透射特性，并根据这些特性来分析物质的性质和组成。
与传统的光谱技术相比，太赫兹时域光谱具有更高的分辨率和更快的数据采集速度，可以提供更详细和准确的信息。
总之，太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析手段，具有广泛的应用前景和研究价值，在各个领域的物质分析、表征和检测中发挥着重要作用。
太赫兹技术在农产品无损检测中的应用进展
shi pin anquan1太赫兹辐射及特点1.1太赫兹波太赫兹（Terahertz ，THz ）波通常指的是频率范围在0.1~10THz 的电磁波，其位于微波与红外波段之间，波长范围为30μm~3mm ，介于微波与红外之间。
THz 波在自然界中普遍存在，但由于缺乏有效的探测手段，直到20世纪80年代中期之前，对其研究非常有限，形成了所谓的“Thz Gap ”。
直到最近，THz 辐射的产生及探测技术日益成熟，促进了该技术的快速发展。
太赫兹无损检测技术备受关注，与太赫兹波的特性密不可分，正是这些特性使得太赫兹波在无损检测领域有着天然的优势，其特性主要有：高穿透性、低能性、指纹谱特性、瞬态性、宽带性、相干性等。
2太赫兹技术在农产品无损检测中的应用2.1太赫兹技术在农产品质量安全检测中的应用肖春阳等人采用太赫兹时域光谱技术测定奶粉中山梨酸钾含量，在室温氮气环境下山梨酸钾在0.98THz 处存在明显的特征吸收，并采用简单一元线性回归模型对奶粉中山梨酸钾的含量进行了定量分析，结果表明太赫兹时域光谱技术可以应用于奶粉中山梨酸钾含量测定。
Hao 等利用太赫兹时域光谱技术分析了除虫脲和氟氯氰菊酯，利用泛函数密度理论模拟方法验证检测结果。
结果在0.2～22THz 内出现了特征吸收峰，说明该方法可以用于农产品中农药残留的检测。
张琪等利用太赫兹时域光谱采用偏最小二乘法理论，成功实现对淀粉中丙烯酰胺含量的快速、无损检测。
2.2太赫兹技术农产品品质检测中的应用戚淑叶等采用太赫兹时域光谱无损检测研究核桃品质，利用联用透射和反射式太赫兹时域光谱系统，分别从物理、化学指标光谱响应特征差异入手，实现太赫兹无损检测核桃品质。
赵中原采用太赫兹技术研究了小麦品质无损检测，以正常小麦、虫蚀小麦、发霉小麦和发芽小麦为研究对象，基于多源信息融合的理论，提取多种太赫兹光谱对应频点的值作为证据,实现了对小麦品质的无损检测。
Shiraga 等采用太赫兹时域光谱测量了葡萄糖、果糖、蔗糖和海藻糖，研究了氢键在水合状态和解构中的作用。
太赫兹时域光谱测量液体光学常数的不确定度分析
太赫兹时域光谱测量液体光学常数的不确定度分析太赫茲时域光谱技术（THz-TDS）是物质识别的重要工具。
到目前为止，利用太赫兹时域光谱技术的物质识别和成分分析的报道井喷式地增加，如爆炸物、半导体、水、生物组织等样品都可以通过太赫兹时域光谱技术检测。
但是，由于各个实验室的太赫兹系统的差异性，测量得到的光谱数据相应的存在差异，甚至出现不同实验室对同一物质测得的光学常数相差较大的情况，如文献和文献分别测得水在0.5 THz的折射率在2.3和2.05左右。
因此，如何在相同标准下评价测量结果的准确性，即测量不确定度的评定问题，已经成为了太赫兹时域光谱测量技术研究需要迫切解决的问题。
到目前为止许多关于太赫兹时域光谱测量固体样品的噪声和不确定度分析的研究。
从HUBers等和Hiromoto等研究部分测量误差来源到Duvillaret等和Withayachumnankul[12-13]提出一种太赫兹时域光谱技术测量固体样品的不确定度分析模型。
但是，相对于固体样品，由于液体样品的测量过程需要考虑液体样品载体（如比色皿）对于测量准确度的影响，它的参数提取过程和相应的测量模型是完全不同的。
因此有必要考虑液体类样品太赫兹光谱测量的误差来源及不确定度分析。
已有报道研究了基于反射式太赫兹时域谱的光学参数测量与误差分析（垂直反射式和衰减全反射式），本文将分析透射式太赫兹光谱测量液体样品的随机和系统性误差的来源，并建立测量结果的不确定度分析模型，以便各个实验室能够在相同标准下评价测量结果的准确性。
1基于透射式太赫兹光谱技术液体样品测量函数光学常数可以通过式（6）〜式（8）在太赫兹时域光谱测量过程中得到，这3个方程被称为测量函数。
2误差来源及不确定度分析在THz-TDs测量和参数提取过程屮会有很多的误差来源，其中比较重要的误差来源以及在参数提取的过程的误差传递模型如图2所示。
虚线框里的误差源在THz-TDS测量和参数提取过程屮都会发生。
水的太赫兹谱测量
38不同厚度冰的主峰及反射峰的位置?????????????39水的常温吸收系数????????????????????39不同温度下的水的吸收系数????????????????40冰的吸收系数随温度的变化????????????????41冰水混合物的折射率与吸收系数??????????????
ｍａｎｙ－ｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂＹ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗａｔｅｒ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ａｎｄ
ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｂｏｎｄ．Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗａｖｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｇｒｅａｔｌｙ ａｂｓｏｒｂｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ，ＳＯ ｉｔ ｗｉｌｌ
ｈｅｌｐ ＵＳ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ
（ＴＨｚ）ｄｏｍａｉｎ．ｎＩｚ ｔｉｍｅ·ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（Ｔｎｚ—ＴＤＳ）ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｌａｙｉｎｇ ａ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａｓ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｈｉ曲ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ，ｈｉｇｈ ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｃｏｈｅｒｅｎｔ
一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法[发明专利]
![一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/606f2c58f121dd36a22d8236.png)
专利名称：一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法
专利类型：发明专利
发明人：颜识涵,臧子漪,崔洪亮
申请号：CN202010814290.9
申请日：20200813
公开号：CN111735792A
公开日：
20201002
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法，属于太赫兹光谱检测领域。
该方法包括：S1：获取待测叶片中自由水、结合水、固体物质和气体的真实介电函数ε(ω)、ε(ω)、ε(ω)和ε(ω)；S2：获取太赫兹波在待测叶片表面反射系数及内部散射系数；S3：获取待测叶片厚度d；S4：建立关于待测叶片的等效传递函数幅值；S5：获取待测叶片的真实传递函数的幅值；
S6：利用随机优化算法调整叶片中四者含量百分比，使叶片等效传递函数的幅值与测量所得的叶片真实传递函数的幅值之差最小，得到a(ω)、a(ω)、a(ω)和a(ω)的值。
本发明可以提供自由水、结合水、固体物质和气体含量的直观分布图像，提高检测精度。
申请人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院
地址：400714 重庆市北碚区方正大道266号
国籍：CN
代理机构：北京同恒源知识产权代理有限公司
代理人：赵荣之
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MA水合物相变过程的太赫兹光谱表征研究
第３８卷，第１０期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１０，ｐｐ３３９－３４０２ ０ １ ８年１ ０月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１８ ＭＡ水合物相变过程的太赫兹光谱表征研究黄美娇，周子涵，王梦颖，左 剑＊，张存林太赫兹光电子学教育部重点实验室，首都师范大学物理系，北京 １０００４８摘 要 水合物是药物的一种重要存在形式，３０％以上的药物都是水合物，其中对于水合物与无水物之间的转化过程，是研究药物稳定性的重要环节。
太赫兹光谱对水合物的分子结构和分子间的弱相互作用很敏感，表现在太赫兹波段会有特征吸收峰的产生与变化。
通过解析随温度变化的水合物分子在太赫兹波段的时域与频域信息，可以了解分子的结构变化与光谱参数变化。
我们以ＭＡ水合物为研究对象，利用太赫兹时域光谱技术表征水合物随温度变化发生的相变过程以及其分子结构的变化情况。
随着温度的升高，ＭＡ水合物在太赫兹波段的多个振动峰的吸收强度发生变化，这个光谱表征的变化体现了升温过程中水合物失水的相变过程以及相应水合物分子的结构也发生了变化。
本文的研究方法对太赫兹光谱用于制药行业的质量监控具有一定指导作用，对有效控制药物在生产过程中始终保持理想水合物或者无水物状态具有重要意义。
关键词 药物水合物；太赫兹时域光谱；相变文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－０５９３（２０１８）１０－０３３９－０２ 收稿日期：２０１８－０４－３０，修订日期：２０１８－０７－０１ 基金项目：国家科技部“国家重大科学仪器设备开发专项”基金项目（ＤＨ－２０１２ＹＱ１４００５－０９－０１），国家自然科学基金项目（１１２０４１９０），北京市教育委员会科技计划面上项目（ＫＭ２０１６１００２８００５）资助 作者简介：黄美娇，１９９３年生，首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室硕士生＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｚｕｏｊ＠ｃｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 大环内酯类抗生素（Ｍａｃｒｏｌｉｄｅｓ ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｓ，ＭＡ）是以一个大环内酯为母体，通过羟基，以苷键和糖衍生物相连形成的大分子抗生素，广泛应用于临床各科感染性疾病的治疗。
基于太赫兹波的植物叶片含水量检测方法和系统[发明专利]
![基于太赫兹波的植物叶片含水量检测方法和系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7e4487eb03d8ce2f016623b2.png)
专利名称：基于太赫兹波的植物叶片含水量检测方法和系统专利类型：发明专利
发明人：李斌,龙园
申请号：CN201610461623.8
申请日：20160623
公开号：CN106018327A
公开日：
20161012
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于太赫兹波的植物叶片含水量检测方法和系统，包括：获取植物叶片样本的水分含量；获取植物叶片样本每一点的太赫兹光谱数据，得到太赫兹光谱平均值；根据太赫兹光谱平均值和水分含量，建立水分含量预测模型；获取待测植物叶片的太赫兹光谱平均值，将待测植物叶片的太赫兹光谱平均值输入水分含量预测模型，得到待测植物叶片的水分含量。
本发明实施例提供技术方案，根据建立的水分含量预测模型，通过采集待测植物叶片的太赫兹光谱数据，就可以得到待测植物叶片的含水量，而无需将待测植物叶片从植物上摘下，实现了植物叶片含水量的动态无损在线检测，不会对植物造成伤害，测量时间短、步骤简单，提高了检测效率。
申请人：北京农业信息技术研究中心
地址：100097 北京市海淀区曙光花园中路11号农科大厦A座318b
国籍：CN
代理机构：北京路浩知识产权代理有限公司
代理人：李相雨
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太赫兹TDS用于树叶水量预测
太赫兹TDS用于树叶水量监测预测干旱使作物和树木死亡率的增加，对全世界生态系统造成破坏，使得了解植物对水的反应变得越来越紧迫。
确定整株植物、器官、冠层和区域组织水份状况，从而分析作物和野生植物的干旱响应和需水量，以确保粮食安全以及农业和城市用水的可持续性。
植物叶片中的水吸收可见光、红外光和太赫兹波长的电磁辐射的方式与植物的其他结构成分截然不同。
目前使用机载高光谱或微波数据检测大片森林范围内的冠层水含量已经大规模应用。
但迄今为止，大量研究集中在水分充足和高度脱水的叶片上水状态变量的相关性统计，而缺乏对于轻度至中度脱水的叶片的统计研究。
水作为极性分子，其的振动和旋转状态之间的跃迁落在电磁波谱的太赫兹区域，且与微波频率相比，太赫兹辐射可以提供更高分辨率的成像；与紫外线和X射线相比，太赫兹频率无电离辐射，因此用太赫兹测量植物水含量分析具有极好的前景。
加州大学洛杉矶分校的研究团队利用德国MenloSystems公司的K15太赫兹时域光谱系统分析叶片太赫兹光谱响应与叶片水状态变量（单位面积水含量WMA，相对含水量RWC和叶水势Ψleaf）之间的关系。
建立了一种新颖的物理模型，以预测轻度、中度和重度叶片脱水情况。
同时还使用给定物种的叶片和多个物种之间通过物理关系预测叶片中水的状态。
图1. 叶片水份测量装置原理图图2.叶片检测TDS光谱图3. MenloSystems公司K15时域光谱系统图4. 脱水1天/2天/5天后的加拿大常春藤叶片太赫兹高分辨率扫描图像图5. 美克锐科技利用MenloSystems公司的异步扫描采样系统对叶片进行高分辨扫描成像研究团队测量分析了三种不同物种的叶片水份状态变量（WMA，RWC和Ψleaf）与太赫兹辐射之间的密切关系，显示了太赫兹吸收与叶片水份状况之间的强相关性。
太赫兹光谱除了能估算叶片水份状态外，对叶片水势的测量以及水通量率还可以确定水传导率，即水的输送效率。
如果可以在黎明前和中午对叶片进行无损测量，并利用气体交换、热成像或树液流量系统对蒸腾速率进行评估，则可以对整个植物的水传导率进行无损测量。
基于太赫兹波谱的液体极性测量
BS0 Fs laser
HWP BS
ID1 M5
M2
M1
ID2
HLR2
AT1
ID3
L1
M9
M3
THz
Emitter
M4 M6
ID4
HLR1 AT2
ID5
M12
L2 M8
THz Detector
M7
M10
Sample
M11
图 1 实验装置示意图 Fig. 1 Schematic of experimental setup
（1）太赫兹波的光子能量低（为 4.1 meV）， 是传统医学成像中所使用的 X 射线光子能量的 几百万分之一[13-14]。因此，在使用太赫兹波对有 机物进行检测时，对有机物所产生的损伤非常 微弱。
（ 2） 太 赫 兹 波 具 有 较 强 的 时 间 、 空 间 相 干 性，通常通过偶极子振动方式和非线性光学差频 方式产生。运用相干技术能够直接对振幅、吸 收、复介电常数以及复电导率等多种参数进行测 量，且计算简单，准确率高[15-16]。
（School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）
Abstract: Terahertz (THz) wave has strong resonance absorption with the hydrogen bond of polar substances. The bigger the molecular polarity, the stronger the absorption. Based on this characteristic, monohydric alcohol liquids from methanol to 1-butanolwere have been detected by terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) within the spectral range of 0.2-1.0 THz. The relationship between the polarity of monohydric alcohol and their terahertz spectra are analyzed, which proves that the terahertz spectroscopy of monohydric alcohol molecules is mainly determined by the polarity, which can be quantitatively calculated. These results conclude that terahertz spectroscopy can realize the effective and fast identification of the polarity of chemical solution, which can provide a reference for liquid polarity detection.
太赫兹科学技术研究的新进展
太赫兹科学技术研究的新进展
赵国忠
【期刊名称】《科技与生活》
【年(卷),期】2014()2
【摘要】近年来,太赫兹科学与技术研究得到了巨大的发展,除了传统的太赫兹辐射源、太赫兹探测、太赫兹光谱与太赫兹成像研究以外,太赫兹遥感、太赫兹雷达、
太赫兹通信、太赫兹计量、太赫兹无损检测以及太赫兹技术在材料表征、环境监测、石油化工、航空航天、生物医学、军事国防、国家安全等方面的应用都得到了全面的发展。
本文在回顾二十多年来太赫兹科学技术研究所取得的一些主要成果的基础上,重点介绍近年来太赫兹科学技术研究的新进展,对太赫兹技术本身的发展及其应
用趋势进行展望。
【总页数】7页(P1-6)
【作者】赵国忠
【作者单位】首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN201
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Advances in Analytical Chemistry 分析化学进展, 2018, 8(1), 1-10Published Online February 2018 in Hans. /journal/aachttps:///10.12677/aac.2018.81001Research in Moisture and HydrationDetection by Terahertz Time DomainSpectroscopyLiping Liu1*, Yufei Wang1, Yazhou Zhang1, Fei Yang2, Maojiang Song21School of Food and Drug Manufacturing Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang Guizhou2Guizhou Institute of Metrology, Guiyang GuizhouReceived: Jan. 11th, 2018; accepted: Jan. 25th, 2018; published: Feb. 5th, 2018AbstractThe terahertz (THz) radiation occupies a large portion of the electromagnetic spectrum between the microwave and infrared bands. It refers to the frequency between the 0.1 THz to 10 THz (the wavelength is 3 mm to 30 μm). Since it possesses many attractively characteristic properties, THz imaging and sensing technologies can provide information not available through conventional methods such as microwave and X-ray techniques. THz waves contain rich information involved in molecular vibration and rotation, and have sub-picoseconds pulse width, low photon energy, and high space-time coherence. Combined with the terahertz imaging systems of transmission type and reflection type, a general review of its application in medical applications, forestry products, agriculture/food products by using THz time domain scan-imaging technology is provided. The achievements and the problems to be solved are also discussed. We also reviewed the water structure and interaction in the solution detected by terahertz time spectroscopy and conducted the research of our study.KeywordsTerahertz, Spectroscopy, Moisture Imaging, Moisture Detection, Water Interaction太赫兹光谱技术检测水分及水合作用的研究进展刘丽萍1*，王煜斐1，张亚洲1，杨霏2，宋茂江21贵州理工学院，食品药品制造工程学院，贵州贵阳*通讯作者。
刘丽萍 等2贵州省计量测试院，贵州 贵阳收稿日期：2018年1月11日；录用日期：2018年1月25日；发布日期：2018年2月5日摘 要太赫兹(Terahertz, THz)辐射，通常指的是频率在0.1 THz~10 THz (波长在3 mm~30 μｍ)之间的电磁波，该波段在微波和红外之间，属于远红外和亚毫米波范畴。
同X 射线、可见光等电磁辐射一样，可作为物体成像的光源，其成像和光谱技术可以提供微波和X 射线技术所不能提供的信息。
太赫兹波脉冲宽度在亚皮秒量级，光子能量和高时空相干性，包含分子转动和振动信息。
本文总结了太赫兹成像技术在水分检测和水分成像中的应用，综述了太赫兹成像在医疗、林业、农业和食品中的应用、取得的成果和亟待解决的问题。
同时综述了太赫兹时域光谱技术在水合作用检测中的应用，提出本实验室的研究进展。
关键词太赫兹，时域光谱，水分成像，水分检测，水合作用Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/1. 引言太赫兹(Terahertz, THz)是一种介于远红外和微波之间的波段，其频率范围在0.3 THz~10 THz 之间。
太赫兹波具有很好的穿透能力，尤其是对于大多数非透明的电介质材料，具有良好的穿透性，包括纸、塑料、陶瓷、纤维、晶体和混凝土等。
由于大量有机分子转动和振动跃迁均在太赫兹范围内，所以炸药、毒品、病毒等危险物质在太赫兹波段存在特征吸收峰，可用于物质识别和结构表征。
这些特性使得太赫兹实时成像技术分辨率高，成像对比度和均匀性好，所以在基础研究、工业、军事、生物及医学等领域都具有巨大的应用潜力[1] [2]。
有机物质的太赫兹光谱的指纹特征使得利用脉冲式太赫兹源进行成像鉴别物质成分成为可能。
太赫兹辐射不容易穿透金属或极性液体，如水，使得THz 的应用在一些领域具有局限性。
但是THz 成像技术用于检测物质的湿度和水分是THz 波又一重要的研究领域，水分成像检测在林业、食品加工业等领域具有重要意义。
太赫兹成像技术最早产生于上世纪九十年代，可分为相干成像和非相干成像，在很多领域具有十分重要的科研价值和广泛的应用远景[3] [4] [5] [6]。
与常规的成像技术相比，如可见光成像、微波遥感成像、红外成像，以及X 射线成像等，太赫兹成像技术最显著的区别在于，上述成像技术只能依靠样品的强度信息进行二维成像，而太赫兹波样品成像过程中，可以同时实现振幅和相位成像，具有更高的分辨率，可以实现对更小目标的探测及成像，具有更好的穿透能力。
诸多研究结果均表明，太赫兹辐射能量很低(约为4.1 meV)，不会引起生物组织的光致电离，适合于生物医学成像，因此可作为一种新型的无损探伤、安全检测和医学检查手段[7] [8] [9] [10] [11]，这将弥补X 射线检测及其他检测技术的缺陷，所以太赫兹透射和反射图像成为X 射线或红外线成像的互补技术手段。
在太赫兹波段内，大多数吸收水分的材料对刘丽萍等太赫兹几乎是透明的(如纸)，或部分透明(如塑料)。
因此，在这些物质中水分的分布会有一个明显的“湿”区域和“干”区域的图像对比，同样可以用于其他液体的扩散与检测，只要液体的介电常数高于材料。
2. 太赫兹成像基本原理太赫兹时域光谱系统中增加图像处理装置和扫描控制装置构成一个基本的太赫兹成像系统[3]。
根据成像样品及成像系统的性质，可以利用反射扫描或透射扫描进行成像。
太赫兹辐射成像的基本原理：利用已知波形的太赫兹波作为成像射线，其透过成像样品或从样品反射的太赫兹辐射返回的强度和相位信息将包含了样品复介电常数的空间分布[12]，将所得透射的太赫兹辐射的强度和相位的二维信息记录，并经过适当的光谱数据处理和频谱分析，就能得到样品的太赫兹电磁波三维图像。
在所得图像中，每一像源对应一个太赫兹时域谱，所以太赫兹波成像技术的一个显著特点就是信息量非常大。
然后通过样品信号的时域谱进行傅里叶变换，即可得到每一个点的太赫兹频率响应谱。
根据太赫兹波的辐射方式，可将太赫兹成像技术分为以下几类：脉冲太赫兹成像和连续波太赫兹成像；根据成像系统结构可以分为：透射式太赫兹成像和反射式太赫兹成像；根据成像方式可以分为：太赫兹扫描成像、太赫兹实时成像，以及太赫兹单次成像；根据应用类型可以分为：太赫兹光谱成像、太赫兹层析成像、太赫兹近场成像、太赫兹偏振成像，及太赫兹差分成像。
目前，太赫兹时域光谱成像是太赫兹成像技术中应用最广泛、技术最成熟的。
太赫兹时域光谱成像系统的基本原理就是在THz-TDS系统中，在二维扫描平移台上放置样品，使得样品在垂直于太赫兹波传输方向的x-y平面移动，从而使太赫兹波透过样品的不同点，记录每个像素点的透射和反射信息。
太赫兹时域光谱成像结合了太赫兹光谱与成像技术的特点，最终获得的每个图像的像素点同时包含被成像样品的振幅信息和相位信息，由此可以重构样品的空间密度分布、厚度分布、折射率分布、以及吸收系数分布等信息，对样品的二维光学信息进行精确提取。
其方法特点在于分辨率高，信噪比高。
但是一些不可避免的问题存在于太赫兹时域光谱扫描成像技术：第一，THz-TDS所产生的太赫兹波能量非常小，所以要求光谱具有较大的动态范围；第二，由于需要对样品上的每个位置分别进行扫描，非常耗时，限制此技术的实际应用；第三，THz-TDS成像技术是对样品每个局部区域进行扫描测量，无法很好的体现样品的整体光学特性，并不适用于动态变化的信息测量。
在逐点扫描成像系统中，太赫兹波在样品处的焦斑尺寸决定了太赫兹成像的空间分辨率。
若将太赫兹波近似视为高斯光束，则焦斑尺寸可以表示为[13]：R= (1)其中，d是经过第一个抛物镜后，准直的太赫兹光束的光斑尺寸，f为第二个抛物面镜的焦距，λ为宽带太赫兹波谱中的峰值频率对应的波长。
根据上述公式可知，焦斑尺寸越小，则系统分辨率越高。
可见产生高频率的脉冲信号可以提高成像系统的分辨率。
在实际的实验系统中，通常通过测定太赫兹焦点处太赫兹脉冲信号的空间尺寸标定成像系统的空间分辨率[14]。
光电导天线由于受载流子寿命的影响，福射出的波频率较低，降低成像系统的分辨率，成像效果较差。