蘭州市公安局刑事科學(xué)技術(shù)研究所 王 靜

毒品檢測(cè)中的“新武器”
——太赫茲技術(shù)

蘭州市公安局刑事科學(xué)技術(shù)研究所 王 靜

THz輻射是電磁波譜上新開發(fā)的最后一個(gè)頻率窗口，具有獨(dú)特的性質(zhì)，在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、通信、雷達(dá)、安全檢查等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景。由于許多毒品及其相關(guān)材料在THz波段具有特征吸收，許多非金屬、非極性材料對(duì)THz波時(shí)透明的，且THz波具有低能性，THz技術(shù)在安檢中具有巨大的應(yīng)用潛力。本文重點(diǎn)介紹了THz時(shí)域光譜技術(shù)和成像技術(shù)在毒品檢測(cè)和識(shí)別方面的研究應(yīng)用，初步探討了該技術(shù)在毒品識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用中的可行性、有效性及今后的發(fā)展方向。

太赫茲輻射；太赫茲時(shí)域光譜；太赫茲成像技術(shù)；毒品；檢測(cè)

太赫茲“Terahertz”一詞是1974年由弗萊明(Fleming)首次提出來(lái)的，用來(lái)描述邁克爾遜干涉儀的光譜頻率范圍。太赫茲(THz,1 THz=10Hz)輻射在電磁波譜上位于微波和紅外之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段。通常所研究的THz輻射指的是頻率在0.1～10THz，波長(zhǎng)在30μm～3mm，波數(shù)在3.3～330cm-1之間的電磁波。在電磁頻譜上，THz波在電磁波譜中的位置特殊，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域，長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生方法和檢測(cè)途徑，對(duì)于該波段的了解有限，使得THz成為電磁波譜中最后一個(gè)還未被全面研究的頻率窗口——電磁波譜中的“太赫茲空隙(THz Gap)”。近幾十年來(lái)，超快光電子技術(shù)迅速發(fā)展，為THz脈沖的產(chǎn)生提供了可靠、穩(wěn)定的激發(fā)光源，促進(jìn)了對(duì)THz輻射機(jī)理研究、檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的蓬勃發(fā)展。例如在醫(yī)學(xué)成像、無(wú)標(biāo)記檢測(cè)、軍事安全、材料的無(wú)損探測(cè)等方面，特別是對(duì)炸藥、毒品等相關(guān)材料的檢測(cè)研究成為熱點(diǎn)。本文前半部分介紹了THz輻射的產(chǎn)生、探測(cè)方法、性質(zhì)以及THz時(shí)域光譜技術(shù)和THz成像技術(shù)，后半部分主要介紹了THz技術(shù)在毒品檢驗(yàn)方面的研究進(jìn)展。

1.應(yīng)用THz技術(shù)進(jìn)行毒品檢測(cè)的研究進(jìn)展

1.1 概述

毒品不僅危害人們的身心健康，而且會(huì)引發(fā)一系列的社會(huì)問(wèn)題，例如犯罪率上升，性病和艾滋病蔓延等等，嚴(yán)重威脅著許多國(guó)家和地區(qū)的社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?？鐕?guó)、跨區(qū)域乃致國(guó)際化的毒品犯罪愈發(fā)頻繁，國(guó)際社會(huì)所面臨的毒品問(wèn)題日益嚴(yán)峻。由于缺乏準(zhǔn)確無(wú)損的探測(cè)技術(shù)，使得藏匿在郵件等包裹中的毒品仍然能夠在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際間傳遞。

在毒品檢測(cè)和毒品分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都嘗試研究了很多方法，其中應(yīng)用比較廣泛的有色譜、質(zhì)譜、紫外光譜、毛細(xì)管電泳、紅外光譜、X射線、拉曼光譜、生化及生物檢測(cè)法、離子遷移譜技術(shù)及其他物理方法等。但是這些方法自身都有一定的局限性，例如化學(xué)分析、紫外光譜、紅外光譜及X射線對(duì)樣品都有一定程度的破壞，屬于有損檢測(cè)；X射線及紫外光譜對(duì)人體會(huì)有輻射危害，紅外光譜和拉曼光譜都存在著較強(qiáng)的吸收和散射問(wèn)題。在成像方面，X射線穿透力太強(qiáng)，只能分辨出包裝材料下樣品的形狀，但是不能確定它們的具體類別；警犬識(shí)別和痕跡識(shí)別要求包裝材料外面有毒品的痕跡殘留；紅外波段對(duì)包裝材料具有高吸收和高散射，使得測(cè)量結(jié)果不精確甚至是不可靠的。

THz技術(shù)的興起，為緝毒檢查工作提供了一種全新的探測(cè)和檢驗(yàn)手段。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的研究結(jié)果都表明毒品分子在THz波段存在特征吸收，因此應(yīng)用THz技術(shù)對(duì)毒品進(jìn)行檢測(cè)成為熱點(diǎn)。我們首先針對(duì)已知標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行THz輻射掃描，建立一個(gè)毒品在THz波段的特征吸收光譜庫(kù)——“指紋譜庫(kù)”，然后對(duì)被探測(cè)樣品進(jìn)行THz輻射掃描，通過(guò)對(duì)特征吸收光譜的識(shí)別比對(duì)，就可以快速準(zhǔn)確的確定隱藏物的形狀及種類。相對(duì)于X射線來(lái)說(shuō)，THz波的能量低，可以真正實(shí)現(xiàn)無(wú)損探測(cè)。目前，THz技術(shù)在毒品檢測(cè)方面的研究已經(jīng)取得了許多樂觀的成果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其在毒品檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景表示出極高的關(guān)注。目前，THz光譜技術(shù)和THz成像技術(shù)就構(gòu)成了THz波應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 THz-TDS技術(shù)應(yīng)用于毒品檢測(cè)

從微觀上看，大多數(shù)毒品都屬于結(jié)構(gòu)有所不同的生物有機(jī)大分子，而THz輻射對(duì)于結(jié)構(gòu)的微小差異是非常敏感的，許多生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)建的間距，分子之間的弱相互作用及大分子的骨架振動(dòng)、偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的吸收頻率均位于THz波段。這就成為利用THz輻射進(jìn)行毒品檢測(cè)的前提。不同種類的毒品在THz波段存在指紋光譜即特征光譜，通過(guò)識(shí)別各自的特征光譜我們就可以快速有效的對(duì)毒品進(jìn)行檢測(cè)定性。文獻(xiàn)報(bào)道中的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果都表明：應(yīng)用THz光譜進(jìn)行毒品的探測(cè)是可行的。

圖1 三種樣品的特征光譜

2003年10月，Kodo Kawase等人[1,2]利用THz參量振蕩器對(duì)甲基苯丙胺(MA)和3,4-亞甲二氧基安非他命(MDA)進(jìn)行了成像研究，他們?cè)?.0-2.0THz頻率范圍內(nèi)利用可調(diào)頻率THz源選用了7個(gè)頻率，以阿司匹林(Aspirin，1.4，2.24THz)作為參照進(jìn)行成像研究；2005年，B Fischer等人[3]研究了嗎啡、可卡因、乳糖、阿司匹林、蔗糖5種樣品的THz吸收光譜，并應(yīng)用特征峰成像的方法對(duì)乳糖、蔗糖、阿司匹林、酒石酸進(jìn)行識(shí)別。Sun等[4]測(cè)得MA、MDA、MDMA在0.2-2.5THz范圍內(nèi)的反射式THz-TDS的特征光譜，如圖1所示。這些指紋譜圖的建立為利用THz-TDS對(duì)毒品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)打下了基礎(chǔ)。2005年，Li等[5]利用THz-TDS對(duì)MA進(jìn)行了詳細(xì)的研究，測(cè)得了MA在0.2-2.6THz的THz特征吸收譜(1.23,1.67,1.84,2.43THz)并運(yùn)用DFT計(jì)算了該物質(zhì)的振動(dòng)頻率，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本相符，進(jìn)一步證實(shí)了THz-TDS實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖2 MA,MDA和MDMA的吸收系數(shù)曲線

在國(guó)內(nèi)方面，首都師范大學(xué)與公安部第一研究所合作，對(duì)38種純度在90%以上的毒品進(jìn)行了THz-TDS探測(cè)，得到了各自的指紋譜圖，建立并豐富了毒品THz光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此為基礎(chǔ)將THz毒品檢測(cè)和識(shí)別研究在實(shí)際工作中進(jìn)行嘗試應(yīng)用，取得了一系列有意義的成果。

首先，賈燕等[6]利用THz-TDS技術(shù)對(duì)苯丙胺類毒品MA、MDA和3,4-亞甲二氧基甲基安非他命(MDMA)在0.2-2.6THz頻率范圍內(nèi)的特征光譜進(jìn)行研究，得到了3種毒品在THz波段的吸收譜。如圖2所示。從圖2可以看出，3種樣品都存在特征吸收峰，而且不同樣品的吸收峰出現(xiàn)的位置不同，因此樣品的THz頻域譜也就是樣品的指紋譜，通過(guò)樣品的吸收峰位置，可以識(shí)別樣品的種類。同時(shí)，樣品的折射率曲線也可以作為毒品鑒別中的附加參考信息，3種樣品吸收峰的位置在折射率曲線上對(duì)應(yīng)于反常色散。同時(shí)，他們采用Gaussion03軟件包，應(yīng)用密度泛函理論，對(duì)MA的遠(yuǎn)紅外振動(dòng)模式進(jìn)行了探討[7]，進(jìn)一步證實(shí)了THz波段是大分子集體振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的波段。他們檢測(cè)了粉末狀MA和MDMA的THz吸收光譜，想要驗(yàn)證樣品的不同形態(tài)對(duì)指紋譜的影響，發(fā)現(xiàn)粉末狀毒品和片狀毒品的吸收光譜基本一致，幾個(gè)主要吸收峰位置沒有發(fā)生變化，只有個(gè)別峰出現(xiàn)偏移，峰的強(qiáng)度有所減弱。因此在實(shí)際探測(cè)中，不論目標(biāo)探測(cè)物是粉末狀的還是片狀的，都可以根據(jù)指紋譜庫(kù)中已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和鑒別。

沈京玲等[7]探討了用THz波是否可以檢測(cè)出隱藏在郵件中的毒品。他們將兩種毒品MA和MDMA樣品分別置于兩個(gè)厚度不同(分別為0.28mm和0.22mm)的常用信封中，用THz波進(jìn)行掃描檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)信封對(duì)THz波的確有一定的吸收，但是兩種毒品的特征吸收峰并沒有被淹沒，通過(guò)與指紋譜庫(kù)中已有的標(biāo)準(zhǔn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，它們各自的特征吸收峰基本不變，結(jié)果表明，THz波可以檢測(cè)和識(shí)別隱藏在信封中的毒品。

蔡禾等[8]在初步研究了“自然毒品”的光譜特征和對(duì)隱藏毒品利用特征峰識(shí)別、成像識(shí)別等方法的基礎(chǔ)上，研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)(SVM)，二次求導(dǎo)等方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別研究。他們通過(guò)自組織特征映射(Self Organization Feature Mapping，SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)6中常見毒品的60個(gè)光譜進(jìn)行成功聚類，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同毒品的分類。而且，他們以訓(xùn)練好的SOM對(duì)12個(gè)待識(shí)別的60個(gè)光譜進(jìn)行分類，結(jié)果表明訓(xùn)練好的SOM網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)不同毒品的THz光譜進(jìn)行分類，即可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)鑒定毒品的種類。支持向量機(jī)(SVM)是V.Vapnik提出的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在參數(shù)設(shè)定和識(shí)別過(guò)程要節(jié)省很多時(shí)間。該研究小組用歸一化預(yù)處理后的9種常見毒品和面粉的THz吸收光譜訓(xùn)練libsvm模型，將通過(guò)THz-TDS技術(shù)得到的9種常見毒品純品和3種混合物的特征吸收光譜作為檢測(cè)光譜，用SVM對(duì)毒品純品和混合物進(jìn)行了識(shí)別分類，識(shí)別率達(dá)100%。識(shí)別結(jié)果表明，用SVM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類毒品的識(shí)別和鑒定，也就是說(shuō)THz光譜技術(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別同樣是十分有效的方法。

在通常的緝毒工作中，繳獲的毒品大都是摻有其他物質(zhì)或多種毒品混合的混合物，而且毒品含量的確定也是法律量刑的一個(gè)重要依據(jù)，所以毒品的純度或含量進(jìn)行檢驗(yàn)鑒定也是很重要的。逯美紅等人[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了VB1、VC和二者混合物的THz吸收光譜，采用線性回歸技術(shù)進(jìn)行分析，得到樣品中各個(gè)混合成分的相對(duì)含量。結(jié)果表明，實(shí)際查獲的毒品混合物，其成分和含量都可以基于純樣品的吸收譜比對(duì)得到。這種方法的建立將進(jìn)一步開拓THz技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于實(shí)際工作中毒品混合物的鑒定定性和定量量刑意義更為重大，具有良好的應(yīng)用前景。

1.3 THz成像技術(shù)應(yīng)用于毒品識(shí)別

電磁波最重要的應(yīng)用之一是成像。太赫茲輻射對(duì)于大多數(shù)非透明的電介質(zhì)材料都具有很好的穿透效果，因此太赫茲成像技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。太赫茲光源的光子能量極低，不具有電離性質(zhì)，不會(huì)對(duì)材料(尤其是活性材料)造成破壞，可以對(duì)生物體或物品進(jìn)行無(wú)損成像，極大地彌補(bǔ)了X射線檢測(cè)及其他檢測(cè)技術(shù)的缺陷。因此，各種THz成像技術(shù)也就成為THz波應(yīng)用技術(shù)中最重要也最為活躍的研究方向[10]。

2003年，日本的Kodo Kawase等[2]將成像技術(shù)與指紋光譜相結(jié)合，對(duì)信封內(nèi)包在聚乙烯袋里的三種樣品進(jìn)行研究，不僅準(zhǔn)確檢測(cè)出包裝袋的形狀和樣品的位置，而且還得到了樣品濃度等相關(guān)信息。研究表明：利用THz成像技術(shù)，在能夠得到毒品特征光譜數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可以從多種物質(zhì)的混合物中分離并獲得各組分的空間分辨。因此，利用THz技術(shù)進(jìn)行郵件檢測(cè)，將會(huì)在極大程度上遏制了將毒品藏匿在信封中以合法的途徑進(jìn)行運(yùn)輸。

圖3 MDMA,海洛因,嗎啡和乙?？纱虻奈兆V圖

國(guó)內(nèi)對(duì)于THz成像技術(shù)在毒品識(shí)別方面的應(yīng)用研究還處于初步階段。逯美紅等人在空氣中進(jìn)行了毒品成像識(shí)別的研究。該小組選用安定和維他命樣品作為參考，對(duì)六種常見的毒品樣品(氯胺酮、嗎啡、海洛因、乙?？纱?、MDA、MDMA)進(jìn)行測(cè)量。如圖3與圖4所示，第一組為四種不同樣品之間的鑒定及識(shí)別，第二組是毒品與其他化學(xué)藥品之間的鑒定及識(shí)別。由于水蒸氣的影響，兩組樣品在空氣中的測(cè)量得到的吸收譜中有些特征峰被湮沒或是不可信的。也就是說(shuō)，THz成像技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一定的缺陷，它的特征指紋譜鑒定識(shí)別方法必須依賴于樣品的特征峰及干燥的測(cè)量環(huán)境。同時(shí)，在對(duì)毒品混合物進(jìn)行成分分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果只能定性的確定混合物中含有某一種成分以及所占比例的大小與已知一致，但對(duì)具體的百分含量的確定，結(jié)果很不理想，仍需進(jìn)一步的深入研究。

圖4 氯胺酮,MDA,維他命和安定的吸收譜圖

2.結(jié)論和展望

展望未來(lái)，THz技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為我們開創(chuàng)了一個(gè)豐富的光譜研究新層面，也給光譜學(xué)研究者提供了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著研究工作的進(jìn)一步開展，在不久的將來(lái)，THz技術(shù)在化學(xué)基礎(chǔ)研究、材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)疾病診斷以及軍事等許多領(lǐng)域都會(huì)展現(xiàn)出其巨大的應(yīng)用潛力，并且該技術(shù)與多種學(xué)科之間的交叉將會(huì)更深入更廣泛。

近幾年來(lái)，THz技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)階段取得了一定進(jìn)展，但離實(shí)際操作應(yīng)用尚存在一定的距離?？傮w來(lái)講，目前利用THz技術(shù)對(duì)毒品無(wú)損檢測(cè)的研究仍舊處于探索階段，仍然存在許多問(wèn)題亟待解決。但是在過(guò)去的大量實(shí)驗(yàn)及理論研究中，THz波科學(xué)技術(shù)已經(jīng)向世人展現(xiàn)了誘人的應(yīng)用前景。相信隨著研究水平的進(jìn)一步深入和提高，THz光譜技術(shù)將會(huì)憑借它快速、有效的極大優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于毒品的檢查和探測(cè)，給安全檢測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)新的突破，THz技術(shù)必將在更廣泛的實(shí)際領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。

[1]Kawase K,Ogawa Y,Watamabe Y,et al.Opt.Express,2003,11(20):2549-2544.

[2]Kawase K.Opt.Photo.News,2004,15:34.

[3]B Fischer,M Hoffmann,H Helm,et al.,Semicond.Sci.Technol.,2005,20:246-253.

[4]Sun J H,Shen J L,Liang L S,et al.Chin.Phys.Lett.,2005,13(18):6750.

[5]Li N,Shen J L,Sun J H,et al.Opt.Express,2005,13(18):6750.

[6]賈燕,李寧,沈京玲,等.現(xiàn)代科學(xué)儀器,2006,2:41-44.

[7]沈京玲,李寧,等,光學(xué)技術(shù),2006,32(5):747-749.

[8]蔡禾,郭雪嬌,沈京玲,等.中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué),2010,3(3):209-222.

[9]逯美紅.太赫茲技術(shù)在毒品及玉米種子鑒定識(shí)別中的應(yīng)用[D].北京:首都師范大學(xué)物理系,2006.

[10]B B Hu and M C Nuss,Opt.Lett.,1995,20:1916-1724.

王靜（1985—），女，碩士研究生，助理工程師，科員，研究方向：毒品及毒物的理化檢驗(yàn)。