Detektion och avbildning av kemikalier och dolda sprängämnen med terahertz-tidsdomänspektroskopi och djupinlärning

Se dolda faror utan att öppna lådan

Föreställ dig att kunna avgöra vilken kemikalie som finns i ett förseglat kuvert eller en pillflaska—ända ner till om ett pulver är ett sprängämne eller en ofarlig läkemedelsingrediens—utan att öppna eller röra vid det. Denna studie visar hur en särskild typ av "osynligt ljus" i kombination med artificiell intelligens kan göra just det, och erbjuder ett säkrare och mer precist sätt att upptäcka dolda sprängämnen och kontrollera kvaliteten på läkemedel.

Varför terahertzljus är en kraftfull detektiv

Forskningen rör sig inom terahertzområdet i spektret, som ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus. Terahertzvågor kan tränga igenom vardagliga material som papper, kläder och vissa plaster, samtidigt som de inte bär tillräckligt med energi för att skada det de träffar, till skillnad från röntgenstrålning. Många kemikalier absorberar terahertzvågor på mycket specifika sätt och lämnar kvar ett slags spektralt fingeravtryck. Det gör terahertzljus attraktivt för säkerhetsscreening, läkemedelstillverkning, jordbruk och livsmedelssäkerhet. Men under verkliga förhållanden—med oregelbundna former, varierande tjocklekar och olika typer av förpackningar—kan dessa fingeravtryck bli förvrängda, vilket försvårar en pålitlig identifiering av vad som döljer sig inuti.

Bygga ett högkänsligt avbildningssystem

För att tackla detta byggde teamet ett avancerat terahertz-tidsdomänspektroskopisystem som sänder extremt korta terahertzpulser mot ett prov och mäter hur de reflekteras över tid. De använder specialkonstruerade plasmoniska nanoantenn-arrayer—små metallstrukturer som stärker interaktionen mellan ljus och detektor—för att generera och detektera dessa pulser med hög känslighet och bred bandbredd, upp till 4,5 terahertz. Provet placeras på ett motoriserat bord som skannar punkt för punkt, så systemet spelar in en full tidsvarierande terahertzsignal för varje pixel över ett litet område. Denna reflektionsbaserade design innebär att det kan användas på avstånd från ett föremål, en viktig egenskap för praktiska säkerhets- och inspektionsuppgifter.

Omvandla råa pulser till kemiska kartor med AI

I stället för att omvandla hela tidskurvan till ett spektrum fokuserar forskarna på de enskilda reflekterade pulserna själva. När en terahertzpuls träffar en tablett på en metallhållare uppstår flera eko: ett från överytan, ett från metallstödet och andra från interna reflektioner inne i materialet. Varje viktig puls bär information om det kemiska den passerat genom. Teamet utvecklade en automatisk metod för att extrahera dessa pulser från varje pixel och matade dem sedan in i två neurala nätverk. Ett nätverk, kallat EdgeNet, avgör var provets gränser ligger. Det andra, ClassNet, undersöker varje puls och förutspår vilken kemikalie den tillhör, inklusive bakgrundsmetallen om inget prov finns. Ett slutligt rengöringssteg använder enkla spatiala regler—genom att kontrollera vad grannpixlarna säger—för att jämna ut tillfälliga fel och skapa skarpa kemiska bilder.

Detektera sprängämnen, även under täckning

Forskarlaget testade åtta olika substanser: fyra vanliga läkemedelsingredienser och fyra sprängämnen, inklusive välkända militära och industriella föreningar. I blinda tester på otäckta prover uppnådde deras system en genomsnittlig noggrannhet på cirka 99 procent på pixelnivå och ritade korrekt upp formerna av tabletterna och sprängämneskornen. Anmärkningsvärt nog fungerade det också bra på spruckna och oregelbundna prover, även om nätverken endast tränats på perfekt formade prover, eftersom de väsentliga pulsmönstren förblev lika. Det verkliga hårdtestet kom när sprängämnena doldes under ogenomskinliga pappersöverdrag, som efterliknade brev, paket eller påsar. Utan omträning på täckta prover identifierade systemet fortfarande de dolda sprängämnena med en genomsnittlig noggrannhet nära 89 procent och lyckades särskilja mellan olika sprängämnestyper inom samma synfält.

Från laboratoriedemonstration till verktyg i verkligheten

Att skanna ett område på 12 gånger 12 millimeter tar för närvarande flera minuter, men när data väl är insamlade genererar de neurala nätverken en fullständig kemisk karta på ungefär en sekund. Framtida versioner som använder detektorarrayer i stället för mekanisk skanning skulle kunna snabba upp processen avsevärt och krympa hårdvaran. Eftersom metoden är icke-destruktiv, kontaktfri och mycket specifik för kemisk typ, skulle den kunna användas för att verifiera läkemedelstabletter, upptäcka förfalskade mediciner och genomsöka post eller bagage efter dolda sprängämnen. Enkelt uttryckt visar detta arbete att kombinationen av snabba terahertzpulser och djupinlärning kan förvandla osynliga reflektioner till detaljerade, pålitliga kartor över vad som finns inuti ett föremål—utan att någonsin behöva öppna det.

Citering: Jiang, X., Li, Y., Li, Y. et al. Detection and imaging of chemicals and hidden explosives using terahertz time-domain spectroscopy and deep learning. Light Sci Appl 15, 80 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02190-z

Nyckelord: terahertzavbildning, detektion av sprängämnen, djupinlärning, icke-invasiv screening, kemisk kartläggning