太赫兹波的特性及其应用（二）

——表现物质特性的太赫兹光谱

徐长发，华中科技大学，2019.9.15

要探测和分析物质的特性，物理方法和化学方法都是宏观的，要微观分析物质特性，包括分子结构，必须用微观的分析方法。光谱分析方法现在应用得非常多。

一.物质的太赫兹光谱

任何绝对温度以上的物体都会发出太赫兹辐射（太赫兹波）。不同的物质，发出的太赫兹波的频率表现是不一样的。也就是说，在太赫兹频段内，有些频率的辐射明显地突出，有些频率的辐射明显的弱，把这些表现集中在一起，就是物质的太赫兹光谱，只不过物质自身所发射的太赫兹辐射太微弱而且看不见。

怎么才能测量并描绘出物质的太赫兹光谱呢？

用红外光照射物体，只能让几个原子活跃起来，用太赫兹光照射物体可以让分子活跃起来。由此可知，外面照射的太赫兹光可能会和物质所发射的太赫兹光在某些频率上发生共振；如果把共振的和不共振的频率描绘出来，就得到物质的太赫兹光谱了。

怎么知道物质在某种太赫兹频率上发生共振了？

用物质对太赫兹辐射的吸收表现来说明。当太赫兹辐射透过物质时，物质对某种频率的辐射吸收得多，也就是在这个频率发生共振了，外来能量共振转化为分子内部的能量了，在这种情况下，透过量就相对小；如果物质对某种频率的辐射吸收得少，则透过量就大。

于是，人们利用整个太赫兹频段照射物质，利用辐射的透过量，可以检测出物质对太赫兹辐射的吸收谱，这就是物质的太赫兹光谱。

用什么手段去获得物质太赫兹光谱？

首先需要太赫兹光谱仪。现在，市面上就有太赫兹光谱仪出售。

获取液态样本的太赫兹光谱。把液体装在聚乙烯袋子中，用夹片控制液体样本的厚度，夹片上开多个小的矩形孔，用全频段（在整个太赫兹频段内是均衡强度）的太赫兹光束从矩形孔中射入，在夹片的对面，细密（纳米级）采样得到透过量的数据，再把多个小孔的照射结果平均，就得到了该液体样本的太赫兹光谱。如果采样数据是透过量的辐射强度，经数学方法处理，得到的是物质的太赫兹吸收率谱，如果采样数据是电场强度，经数学方法处理，得到的是物质的太赫兹介电响应谱。

获取固态样本的太赫兹光谱。把固态物质做成薄片，放置于夹片中，其它的检测方法与液体的检测方法相同。

同样也可以获取气态样本的太赫兹光谱。 

值得说明的是：

1.无论液体样品检测或是固态样品检测，都要在确定的温度下、确定的样品厚度下、确定的太赫兹光强度下，进行检测，这样的检测结果便于对比。人们可以把若干物质的太赫兹吸收率谱收集在一起，构成物质的太赫兹光谱库。

2.如果检测样品的厚度不同，测出来的太赫兹光谱会相同吗？

只要分析一下透过量光谱就会明白，当样本厚度不同时，透过量一定会有变化，但是，样本物质在特定频率上发射共振（吸收表现最强）是不会改变的，因为这是物质的本性。所以，看物质的太赫兹光谱，主要看吸收峰值所对应的太赫兹波的频率。

下面展示了二硝基苯甲醚(DNAN)、六硝基芪(HNS)和二硝基亚甲基-四唑(DNMT)这三种军用粉末炸药的太赫兹透射光谱。

该图的横坐标是频率，纵坐标是对不同频率波的吸收率。

上面三个图可见，某种物质对某些频率的太赫兹波的吸收率高（在图中表现为曲线的低端处），对某些频率的太赫兹波的吸收率低（在图中表现为曲线的高端处）；这种表现对不同物质是不相同的，这就是某物质的太赫兹光谱。

再举一个例子，对不同的草种得到太赫兹光谱，如下图

人们就是利用太赫兹光谱，可以检测出不同种类的污染物。

这类检测设备也可用于检测汽车尾气的排放物，烟囱的排放物，等等。

3.用于生物的活体检测

水、肌肉、脂肪，对太赫兹波的吸收程度是不同的，利用透视成像技术可以图像显示动物组织中脂肪和肌肉的分布。

能诊断人体烧伤部位的损伤程度。

能对植物，用太赫兹波扫描，可以检测出植物的含水分布。

能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状。

能清楚地区分，牙齿的正常部分与损蛀部分。

4.用于液体活检测癌细胞

癌症的形成一般需要经历10-20年的时间。在细胞刚刚发生癌变但尚未形成癌灶之前，就会在体液(不仅包括血液，还有唾液、尿液、胸腹腔积液等)中出现一些游离的“破坏分子”，例如，循环肿瘤细胞和外泌体肿瘤细胞，用太赫兹光谱可以检测出这些生物标志物。以便对癌细胞早发现早干预。

这种方法可以在相当长的时间内非常方便地跟踪检测，尽早预防，相比穿刺术检测不知好到哪里去了。

5.在生物医学中的应用 

用太赫兹光谱可以研究树木年代学、水在植物中的输运过程、选种等。

用太赫兹光谱可以研究氨基酸和蛋白质等生物大分子的无标志识别。

用太赫兹光谱做为有力工具，去研究病理学，大分子生物学，已经引起人们的高度重视。

用太赫兹光谱做为有力工具，去研究精准医疗及药品的研制鉴定方面，也已经引起人们的高度重视。

总之，太赫兹图谱的应用，在生物学、医学、微电子学、农业等各行各业的应用前景非常广阔，这是国际上的热门研究内容。

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