system: [SYSTEM]

user: 3. 太赫兹成像水分检测 水是极性分子，对太赫兹波有十分强的吸收性。水分子之间通过氢键形成复杂的网络结构，众所周知，一个水分子可通过四个氢键和其附近的水分子连接，形成一个局域四面体结构。当太赫兹波穿过水分子时，水网络结构中的氢键受激产生共振，水分子偶极发生旋转取向，并经弛豫形成新的氢键网络。水分子间在皮秒量级时间内可以发生多种相互作用，并在远红外和微波区域产生共振和弛豫，形成对太赫兹波的强烈吸收。所以含水量低的区域对太赫兹波吸收少透过性高；反之，含水量高的区域透过率低。二维太赫兹技术可以创建材料中水分或其他液体扩散的图像，提取平均扩散系数，观察局部和各向异性变化的扩散系数，无损评估材料的水化程度。如果材料中存在裂缝、空隙、划痕，可能成为水的扩散路线。通过太赫兹水分成像，可以表征这些材料存在的缺陷。 3.1. 树叶水分检测 最早在1995年，美国AT&T贝尔实验室的Hu和Nuss等人 [ 24 ] 首次设计实现了太赫兹时域光谱技术的太赫兹成像系统基于光电导天线，并且通过该系统成功获得半导体集成电路的太赫兹成像图和新鲜树叶的太赫兹图像，从此揭开了太赫兹成像水分检测领域研究的序幕。树叶水分成像是太赫兹用于水分检测最早的实验 [ 24 ] [ 25 ] 。根据入射太赫兹波被树叶不同部位吸收后其辐射强度的强弱变化，透射辐射波的强度变化与图像的颜色深度变化成比例，据此可利用太赫兹图像观测树叶或其他植物内水分含量及分布。除此之外，还可以利用太赫兹光谱技术可以查看植物体内水分的分布方式和运输过程，了解树叶内部水分含量及不同时段的变化，观测植物根茎水分动态的变化等等。 Hadjiloucas等 [ 26 ] 利用太赫兹辐射技术研究了树叶中水分在0.1~0.5 THz范围之间的频谱变化，实验结果获得了不同树叶的水分含量情况，并且分析了其影响因素，实现了对不同水分含量的叶片的分类。在Jeong等人 [ 27 ] 的研究中，他们用太赫兹电子激光成像系统获得银杏叶片的图像，将其与可见光透射图像进行对比，研究结果表明，水在两种频率光波下所表现出的不同的吸收系数是两种成像方法的主要区别的原因。张艳洁等人 [ 28 ] 研究发现，太赫兹透过率及水分蒸发量均与树龄成反比，对于树龄越大银杏叶片，其水分的蒸发就越多。 在1996年，张希成等人 [ 29 ] 利用电光晶体和CCD相机构建了太赫兹实时成像系统，这种方法有效提高了太赫兹成像速度，其研究成果迅速在全世界引起科学家的广泛关注。随后，太赫兹成像就随着短的单周期宽带宽脉冲辐射产生太赫兹的时域光谱系统的发展而改进，以及窄带太赫兹、半导体技术和光学的发展而突飞猛进。 Cumis等人 [ 30 ] 将量子级联激光器的空间滤波技术成功应用于透射模式的太赫兹共焦显微技术，在该系统中，量子级联激光器的光束首先通过200 μm孔径的空心介质波导进行空间滤波，该空心介质安装在一对匹配透镜的共焦平面，可以优化图像分辨率。他们测试了一片新鲜树叶的叶脉，如图1所示，实验结果表明，通过空间滤波方式后，图像的分辨率得到极大提高。 南京大学的吴培亨等人 [ 31 ] 利用透射太赫兹波扫描成像系统获得新鲜树叶和放置两天后的树叶所含水量的分布图像。他们对风干的树叶进行太赫兹成像，发现太赫兹波对树叶的不同组织及不同厚度穿透能力是不一样，与光学图象对比发现，即使是风干后的树叶，其茎脉仍然比较清晰，组织结构基本完全呈现出来。在实验过程中发现，对于新鲜度较高的树叶，即含水量较高时，太赫兹图像的效果将会较差。该实验结果有望用于林业、农业中植物水分含量的测定。 通过以上研究结果表明，太赫兹技术可以监测叶片水分变化，太赫兹波穿过含水的叶子会发生线性衰减，检测叶片含水量对植物进行水分监测是太赫兹波技术的一个重要应用领域。叶片含水量的评价为农民和科学家提供了有价值的信息用于植物的干旱和灌溉管理。对于水资源有限的地区，根据实验结果建议，可优化利用现有得水资源，提高灌溉效率，解决水资源匮乏的关键问题。Mittleman等人 [ 32 ] 的研究证明，太赫兹技术可用于研究叶子中水分运输时间动力学。太赫兹图谱可以检测叶子的健康程度，此结果可用来估计农作物产量。 3.2. 纸的水分检测 纸的水分含量是其制造过程中的一个重要参数其含量会影响纸的质量。造纸过程中需要在线检测纸的水分干燥过程 [ 33 ] 。纸的性能，如收缩和强度由水分的分布影响。不均匀的水分分布会导致纸破裂、卷曲或起皱 [ 34 ] 。目前造纸行业的水分检测技术 [ 35 ] 没有测量水分的映射图像，而是记录点或平均值。干燥的纸具有较低的THz吸收和散射。纸的主要成分是纤维素纤维，它很容易吸收环境中的水分，从而改变其有效介电常数。纤维素纤维的尺寸小于THz波长，证明纤维与吸收水的结合可以视为一个有效介质。早期采用太赫兹测量纸张水分是用纸与水分衰减系数的线性组合做为有效介质模型 [ 36 ] 。实验结果表明，太赫兹相位会随着水分含量的衰减发生线性变化。水分含量衰减和THz波相位变化可以通过测量复介电常数得到 [ 37 ] 。例如，在56%的环境湿度中测量纸张的水分含量，其有效折射率和衰减系数的增加可以用Clausius-Mossotti方程作为一种有效的介质模型建模 [ 38 ] 。在采用Bruggeman有效介质模型研究干燥纸中水分的光学性质的文章中，假设纸是均匀的，并且所含水分均匀分布的 [ 39 ] 。 图1. 新鲜叶子的光学照片和0.2 mm，0.05 mm步长下获得的高分辨率太赫兹图像 [ 30 ] 3.3. 木材的水分检测 Fujii等人 [ 40 ] 用100 GHz毫米波穿透18 mm的木材检测是否有白蚁损害。他们的研究表明木头对太赫兹的吸收随着所含水分线性变化 [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] 。木材制造过程中尤为重要的一个参数就是监测木材的水分含量及分布。木材的水分含量低，可以改善材料的机械强度，在干燥过程中，多余水分会加速木材的降解。太赫兹光谱和成像技术可以做为一种无损评估用于葡萄酒或其他饮料的天然软木塞、栓皮栎制品的技术手段 [ 44 ] 。天然软木在径向生长方向的扩散系数大于其他两个方向，由于其平行的径向生长方向形成透镜状通道 [ 45 ] 。透镜状通道，使水和气体可以漫过软木。此外，可能存在裂缝、孔洞和缺陷增加液体的扩散。软木塞中易挥发化学物质的浸出和迁移取决于其局部扩散率和葡萄酒与软木塞接触面之间挥发物的存在。干燥和潮湿的软木的太赫兹吸收可以用有效介质理论来模拟 [ 45 ] 。图2展示了不同水分含量的天然软木的太赫兹图谱。 3.4. 食品中水分检测 压缩食品中的水分可用太赫兹进行检测 [ 46 ] 。压缩食品中的水分含量会影响食品质量，包括味道、质地、硬度、细菌生长和保质期等。水会强烈吸收太赫兹辐射，其他成分如，蛋白质在太赫兹波段的吸收系数小于水的吸收系数的1%。典型的脂肪和油脂在太赫兹波段的吸收系数不到水的1/20，而淀粉在太赫兹波段的吸收系数大约是水的1/50。Parasoglou等人对干燥食品中的水分进行定量检测 [ 47 ] [ 48 ] 。在他们的实验中，对常用于糖果工业的淀粉片进行检测。样品水分含量较低且为多孔结构。假设食物中孔隙很小，以水分对太赫兹的吸收为主，食品样品的其他成分对太赫兹的吸收远小于水分的吸收。利用太赫兹测量的另一个优点是，太赫兹功率非常小，不会加热样品导致其变质。 利用太赫兹成像可以作为山核桃等坚果无损评价技术 [ 49 ] 。在坚果壳内，坚果仁的水分含量较低，山核桃坚果对THz辐射相当于透明。因此，太赫兹吸收增加，表明可能存在缺陷，在一个共同的缺陷，就是坚果内活的昆虫，取食果仁。因为活的昆虫通常包含70%~80%水，而坚果仁的水分含量通常小于10%。因此，通过太赫兹的水吸收可以识别被昆虫蚕食的产品。利用太赫兹技术可测量小麦水分含量 [ 50 ] 。 利用太赫兹成像可以从水果表面评估压力引起其内部损伤的程度 [ 51 ] 。例如番茄，外部压力破坏番茄表皮的细胞壁，造成局部充水现象，随着时间的推移，受损区域逐渐失去水分，果实表面形成棕色区域。太赫兹技术可以利用水的高吸收度确定和计算水果或蔬菜的水分含量，从而检测出果实内部损坏程度。尤其对于隐藏在树冠叶子背后的水果，太赫兹辐射可以透过含水量较低的树叶从侧面评估含水量高的水果。 图2. (a) 云杉木样品的太赫兹透射图。(b) 注入水之后云杉木样品的太赫兹透射图。(c) 样品蒸发90%水分以后的太赫兹图谱。(d) 样品的可视图。来源于参考文献 [ 8 ]