—— 中科院空天院团队提出“太赫兹热吸收分析”：不破坏样品，也无需预知非水组分
水分看似寻常，却深刻影响生命活动、组织状态和工业品质。可“把水测准”并不容易：高精度方法往往需要破坏样品，光谱方法又容易受散射、穿透深度和复杂组分影响。最近，中科院空天信息创新研究院团队提出“太赫兹热吸收分析”，利用水与非水组分对温度响应的差异，通过一个“斜率比”直接反演含水量，为无损、无需成分先验的定量测水提供了新思路。
01 测水，难点究竟在哪？
含水量与病毒复制能力、抗生素灭菌效能相关，是区分健康与癌变组织的重要指标，也直接影响食品的风味和保质期。遗憾的是，传统测水手段往往各有“代价”：
干重法、卡尔费休滴定法：准确，但需破坏样品、耗时，也难以提供空间分布信息；
近红外光谱：容易受散射和成分差异影响，需要复杂校准模型；
红外光谱：穿透深度只有几十微米，应用深度受限；
拉曼光谱：散射信号弱、积分时间长，通常只能半定量。
02 太赫兹波：天生对水敏感
太赫兹波（0.1–10 THz）对水高度敏感。水的氢键网络在太赫兹频段存在两个主要弛豫过程（约 20 GHz 和 640 GHz），因此表现出强吸收；而糖、脂质、蛋白质、DNA 等非水分子在这一频段吸收较低、缺少明显特征。再加上亚毫米波长使散射影响较小、准光学特性便于成像，太赫兹天然具备“测水探针”的优势。
难题在于，现有太赫兹测水方法大多依赖“有效介质理论（EMT）”，需要预先知道非水组分的介电常数。为了获得这些参数，往往还要先把样品彻底脱水——不仅破坏样品，还可能引起蛋白质变性等结构变化。
核心难点：水的信号并不难看到，难的是摆脱对“非水组分先验信息”的依赖。
03 破局：不“认成分”，只看温度响应
研究人员抓住了一个关键差异：水和非水组分，对温度变化的响应并不一样。
在实验温区内，水的太赫兹吸收会随温度单调、近似线性增加（氢键网络对温度敏感）；
非水组分的太赫兹吸收随温度变化很小，温度依赖性极弱。
这意味着，只要测出样品吸收随温度变化的斜率，再除以纯水的斜率，就能得到水体积分数：含水量 = S（样品）/ S（纯水）。换句话说，温度变化相当于给水分加了一个“可识别的标签”，非水背景则在斜率比较中被显著削弱。
04 方法：只需三步
整个测量流程可以压缩为三步：
① 双温度点测量：在小于 10℃ 的窄温区内选取 2 个温度点，测量样品的太赫兹吸收。
② 提取斜率：对吸收—温度关系进行线性拟合，得到样品的吸收—温度斜率。
③ 归一化反演：用样品斜率除以纯水斜率，直接得到含水量，无需预先知道样品中其他组分是什么。
05 验证：从溶液到凝胶，结果与配制值高度一致
研究人员先用含水量精确可控的 BSA 溶液和明胶凝胶进行验证。配制值/测得值分别为：BSA 82.46%/82.32%，明胶 67.31%/66.55%。在 67%–97% 的含水区间内，方法精度达到 0.85%。
图2：不同浓度 BSA 与明胶的吸收—温度关系及斜率比，实验结果与理论值高度一致
06 应用一：复杂生物组织，也能“验水”
把方法放到更复杂的生物组织中，结果仍与干重法总体一致：猪肌肉 75.60%/73.15%、皮肤 69.00%/65.49%、脂肪 8.80%/6.82%。其中，皮肤样本的差异主要来自干重法的局限——皮肤背面残余脂肪难以完全去除，会拉低干重法得到的含水量；而太赫兹反映的是测量区域的局部水含量。
07 应用二：给叶片“画”出水分地图
更进一步，这套方法还能无损绘制水分的空间分布。实验中，研究人员用胶带遮住半片榕树叶，并将其置于 37℃ 温箱中 12 小时加速脱水，制造不均匀的水分分布。仅看原始吸收图像，两侧差异并不明显；但用“斜率比”反演成含水量图后，对比度显著增强，未覆盖区域的失水清晰可见，侧脉区域的抗脱水差异也被呈现出来。
另一个重要优势是：散射造成的衰减基本不随温度变化，因此可在差分处理中自动抵消。结果是，含水量图像比原始吸收图像更“干净”，对水分空间差异也更敏感。
08 三个优势，以及下一步
论文将这套方法的优势归纳为三点：
广泛适用：已在溶液、凝胶、动物组织和植物叶片中验证，覆盖 7%–97% 的含水区间；
温度扰动小：仅需 2 个温度点、<10℃ 的温区即可反演，全程无热损伤；
硬件可简化：0.3–2 THz 内斜率比近乎恒定，无需全谱测量，并可扩展到连续波源与非相干检测。
未来可进一步探索活体测量，例如利用活体样本自身的自然温度变化提取吸收—温度曲线，相关方向仍有待后续验证。
不破坏样品、不预设成分，只用一个“斜率比”就能反演含水量——太赫兹测水由此多了一条更简洁的路径。
参考来源：
Xuanqi Chen, et al. "Non-destructive and accurate quantification of water content enabled by terahertz thermal absorption analysis." Photonics Research, 14(1), 230–240 (2026).
DOI: 10.1364/PRJ.573083（开放获取）