“夹缝”中的太赫兹波到底有多“宝藏”？

  无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线这些都是我们平时熟知的电磁波。而在电磁波光域中的红外频段和微波域中的毫米波频段之间，还有一种频谱范围在0.1~10太赫兹（THz）、波长在0.03~3毫米之间的电磁波，名为太赫兹波。

  曾经，它在电磁波家族里并不起眼儿，“左邻右里”分别是微波和红外线，相当于处于电子学和光子学的交叉领域。在“夹缝”中生存的太赫兹波，有一点“尴尬”。

  尤其当“邻居们”都在医学治疗、遥控、通信等领域“大展拳脚”之时，太赫兹波段更显“落寞”。直到本世纪初，随着有关技术的进步，太赫兹波终于获得研究者的青睐，逐步在军事、生物医药、新型材料、通信方面“小试牛刀”。

  近些年，出于对文物保护和文化传承的目的，原位、无损害地进行检测技术在文物考古领域越发被推崇和重视。继X射线、超声波、红外等电磁波技术后，太赫兹应用的主要关键技术太赫兹成像和成谱技术，在给文物无损做“体检”，包括内部探测和材料成分分析上展现出的优势，受到了慢慢的变多的关注。

  “与紫外、红外光相比，太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的物质具有一定的穿透性，如陶瓷、木材、泥土、纸板等，而且对金属物体具有着强烈的反射性。”电子科技大学太赫兹研究中心（以下简称研究中心）负责人胡旻表示，太赫兹辐射的光子能量只有X射线的百万分之一，对人体无害，更不可能会引起电离反应，破坏被检测的物体。

  相较于X射线，太赫兹对物体分层较为敏感。太赫兹脉冲辐射拥有皮秒级脉宽，能有效地进行时间分辨研究。无须切开所要探测的物体，研究者便可根据不同物质层次间反射回的信号，获得内部层位信息实现层析成像。

  每个人的指纹都是独一无二的，对于太赫兹波来说，物体也有专属的“指纹”，且能被它“识别”。

  太赫兹波频段覆盖了大量物质分子的转动能级与振动能级，不同的物质分子在太赫兹光谱上所呈现的吸收特征也不一样，具有指纹般的唯一性，所以被研究者称为“指纹谱”。

  “我们可通过这一成谱技术鉴定和区分壁画上的脂类涂层，或者绘画作品上的颜料成分。”胡旻告诉《中国科学报》。

  与拉曼和红外波谱类似，很多染料或颜料成分在太赫兹波段都会“原形毕露”，因为各自分子结构于太赫兹波段有不同的反应，且振动频率不同，呈现在光谱上的共振吸收峰亦不同。

  2013年，西班牙巴塞罗那的科学家利用Mini-Z太赫兹时域光谱仪器对西班牙画家戈雅的作品《献祭维斯塔》进行扫描成像分析后，在画作表层下发现了一处痕迹。

  经对比，其与戈雅以往的签名一致。研究者推断，这是画家用铅笔留下的，后被颜料、涂层和时间覆盖。相较于其他电磁波探测技术，太赫兹对物质分子组成较为敏感，所以铅笔字和周围画布以及颜料的结构，在反射成像中分别有了不同的“表达”，在画作完成的240年之后，被世人辨认了出来。

  “这是太赫兹技术应用的一个典型例子。在国外，特别是法国、意大利，将太赫兹技术用于古代画作检测较为常见。”同时胡旻认为，在国内，这项技术潜在的应用场景更丰富，漆器、壁画、泥塑中国古代文化博大精深，表现形式多样，太赫兹技术定能大显身手。

  2019年，胡旻团队与浙江大学、四川省文物考古研究院、三星堆博物馆展开交流，后续就考古研究、文物保护和文化传承达成合作。其中一项合作内容就是对青铜器锈层的无损检测。

  青铜器由于埋藏环境影响，表面会覆盖复杂的锈蚀层。锈层多厚、成分如何、分层结构怎样，都可通过太赫兹时域光谱仪器进行测定。

  在研究中心实验室，《中国科学报》见到了发射太赫兹脉冲的终端控制着检测探头的机械臂，其内部程序由研究中心自主开发完成。

  系统启动后，机械臂会根据算法规划路径，沿着下方文物样品的法线，进行非接触式逐点扫描。“为了精准测定锈层厚度，或分层信息，机械臂会从始至终保持发射端-接收头与样品表面的垂直。”胡旻介绍。

  “锈层厚度测量和激光测距的原理类似。”胡旻解释，不同点在于太赫兹波有穿透性，同一束波在样品内部不同界面都有相应的反射信号，并在时域太赫兹光谱上体现出不同的峰值。“采集两个峰值之间的延迟时间，结合光速、锈层折射率等信息，即可计算出锈层的厚度。”

  在三星堆3号坑中，研究者发现青铜器的锈蚀层上出现了罕见的嫩黄色，经化验确定其成分为罕见的铅锡黄。根据已知信息，14世纪初才出现人工制备的铅锡黄作为颜料用于珐琅器和油画。

  但铅锡黄的制备工艺复杂，对温度要求极高。研究人员不禁好奇，距今大约5000至3100年前的三星堆青铜器上，这抹黄从何而来？为此，研究中心对样品上铅锡黄的厚度进行了测定。

  结果显示，黄色锈层分布很均匀。“但谜底仍未揭晓。我们只可以初步判断这抹黄的形成，可能是人为干预。”胡旻说，但其到底是作为颜料而制备的，还是在自然腐蚀中产生，都有待考古专家、历史学者进一步的讨论和研判。

  对青铜器锈层成分的检测，是研究中心承担的另一项重要工作。铜锈层中氯化铜的成分对文物有腐蚀性，而氧化铜则会形成“保护膜”，延缓青铜器的腐蚀。因此，测定锈层性质，对文物保护有着重要意义。

  “当机械臂将一束束肉眼无法观察到的光波打到锈层后，我们通过返回信号得到分子结构的指纹谱信息，就能反推其是无害锈还是有害锈。”研究中心成员、博士后张晓秋艳表示，研究中心目前也在收集和采买各种标准化的化合物样品，一一检测后逐步创建物质成分太赫兹指纹谱数据库，为鉴别工作提供参考。

  除了对三星堆文物锈层进行无损检测外，研究中心还计划针对绘画类文物颜料成分老化进行监测研究。但要观察到颜料微观结构的变化，看透微纳米的世界，必须提高设备的分辨率。

  传统的太赫兹时域光谱成像技术受波长的衍射极限影响，成像分辨率只有几百微米，意味着太赫兹波在应用中只能“看清”300微米尺寸的物体，连头发丝都很难识别，更别说细如尘埃的颜料颗粒。

  基于长期的太赫兹技术理论和器件研究，2021年，胡旻和团队研制出国内首套基于真空器件大功率辐射源的太赫兹散射式扫描近场显微系统，将太赫兹系统与原子力显微镜结合，利用原子力纳米级针尖将样品表面太赫兹近场散射出来，以此来实现样品的太赫兹近场成像，分辨率能够达到纳米级别。

  在新技术的加持下，研究者不仅轻松“拿捏”颜料颗粒物，还能“捕捉”单个蛋白质、单细胞、细菌，为生物学领域提供了一种全新的细菌辨识方法，也为临床诊治提供了新思路。

  张晓秋艳介绍，当医生怀疑患者被细菌感染时，一般会根据经验开药，但为了能够更好的保证抗生素用药的准确性，还会采集疑似感染部分的标本，如血液、体液等进行细菌培养。当长出致病菌后，再对菌株进行药敏试验，以便对患者做准确有效的用药。

  “但这项检测工作耗时久，因为细菌培养需要过程。”目前，张晓秋艳和小组成员针对这一问题，正在进行单细菌成像及识别，提高临床检测效率。

  另外，在口腔疾病诊断上，胡旻团队利用太赫兹技术也取得了一些突破。目前他们与四川大学华西口腔医院合作，正在研制太赫兹口腔早期龋齿检测仪器。

  “现在对龋齿患者的诊疗，可以由器械辅助，凭经验对牙齿表面的改变进行初步判断，或者利用X射线影像学手段进行查看，但对于早期轻度的、刚出现的早期龋变，X线片可能就不会显影。”胡旻说，在能预见的未来，通过太赫兹无损害地进行检测技术，就能一窥患者龋齿早期状态，以及牙齿龋坏的深度，让患者免受拔牙之苦。

  除了上述的细菌成像、口腔医学外，胡旻认为还有很多未开发的太赫兹技术应用场景，目前自己和团队，乃至整个研究领域对这一方面的探究都还处于起步阶段。“我们正在从科学研究向产业化迈进，技术应用的挑战性和复杂程度远超我们想象，而对于未来人类的生产生活而言，太赫兹波所创造的可能性是不可预估的。”