引 言
太赫兹波(terahenzradiation)，一般是指频率范围在o．1～10 THz(波长范围30肚m～3 mm)间的电磁辐射波。lTHz等于1012 Hz，或者等于4meV光子能。太赫兹波谱段位于毫米波和红外光之间。在很长的一段时间里，由于缺少良好的光源和检测器，太赫兹的研究进展缓慢，一度被称作“THz空隙”。近十几年来，随着光子学技术和材料科学技术的发展，太赫兹波技术得到了突破性的进展，太赫兹辐射技术的应用研究也迅速扩展到了越来越多的领域。这些研究领域包括了生物医学、药剂学、材料科学、物理学、环境科学、航空航天、安防和工业无损检测等。在生物医学领域方面，太赫兹光谱技术在癌症诊断方面的应用研究越来越多。其主要原因是：(1)生物有机分子的骨架振动、转动光谱以及分子间弱的相互作用力(如氢键、范德华力等眼模
)能级处在太赫兹谱段范围内，这是太赫兹波在生物医学上应用的基础；(2)太赫兹波对极性分子具有较高的灵敏性，尤其是对水具有独特的灵敏度[1]，适合作为医学成像和癌症检测技术的工具；(3)太赫兹辐射光子能量非常低，仅为X射线光子能量的百万分之一，因此一般不会对生物体造成损害[2]，可以对生物活体进行无损检测；(4)由于太赫兹光谱采用 相干检测技术，太赫兹光谱技术可以有效地去除背景噪声，这就使得太赫兹光谱具有较高的信噪比；(5)太赫兹谱带波长比_1般光学和近红外谱的波长要长，所以太赫兹辐射检测生物组织样本不易发生散射。太赫兹辐射比微波具有更短的波长，这使得太赫兹光谱具有更高的空间分辨率。太赫兹的上述优点促使科研工作者已经开始探索太赫兹光谱与成像技术在医学诊断中的应用，以提高诊断水平。本文对太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断以及相关领域中的应用做了简要的综述。
太赫兹时域光谱、时间分辨光谱和太赫兹发射光谱技术是三种常见的太赫兹光谱技术。太赫兹时域光谱为相干检测技术，能够同时得到太赫兹脉冲的相位和振幅信息，通过对时间波形进行傅立叶变换可直接得到样本的吸收系数和折射率，不需要使用可拉默斯一克勒尼希(Kramers-Kmnig)关系式变换得到。太赫兹时域光谱分为透射型和反射型两种。时间分辨太赫兹光谱是一种光泵浦一太赫兹波探测的光谱，是光学泵浦和太赫兹时域光谱相结合的一种非接触式的电场检测技术。太赫兹发射光谱通过分析材料辐射出的太赫兹波形的振幅和形状来研究材料的特性。自从Hu和Nuss在1995年将太赫兹时域光谱用于成像以来[3]，太赫兹成像技术已经有了飞速发展。太赫兹成像利用太赫兹成像系统的太赫兹射线照射样本，通过对成像样本的透射谱或反射谱的信息进行处理、分析，得到样品的太赫兹图
像。根据不同的需要，可以使用不同的成像方法，如太赫兹时域逐点扫描成像、太赫兹实时焦平面成像、太赫兹波计算机辅助层析、连续波成像和近场成像等。
太赫兹成像技术可以分为脉冲太赫兹波成像和连续波太赫兹成像两种技术。依据透过成像样本(或从样本反射)的太赫兹波的强度和相位包含的样品复介电函数的空间分布信息，脉冲太赫兹波成像能够将透射太赫兹波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的处理和分析得到样本的太赫兹图像。连续波太赫兹成像是依据物体内部的缺陷或损伤的边缘对太赫兹波的散射效应，会影响太赫兹波电磁场的强度分布，反映到物体的太赫兹波图像上为明暗即强度的不同，从而可推测出物体内部的形状、缺陷或损伤位置。连续波太赫兹成像实际是一种强度成像。
2用于生物分子检测的太赫兹技术太赫兹波能够用来研究生物分子间相邻分子的弱作用力，如范德华力或者分子间氢键作用力。利用太赫兹波对生物分子的灵敏度和特异性，将太赫兹技术用于研究生物分子的结构和功能信息，可在分子层面上为疾病的诊断和提供理论依据。
2．1氨基酸和多肽氨基酸是构成蛋白质的基本单位，其精确的有序排列赋予了蛋白质特定
的形态和结构。利用太赫兹技术了解氨基酸的作用是研究蛋白质太赫兹光谱性质的基础。Taday等[4]采用太赫兹脉冲光谱技术研究了谷氨酸太赫兹光谱的特性。结果发现在1．75～2．5THz范围内有谷氨酸的高分辨率的跃迁。Rungsawang等[5]通过改变单晶的角度，使用太赫兹时域光谱技术得到了L-半胱氨酸和L_组氨酸单晶多种氢键的近似方向。为了研究太赫兹时域光谱在更多物质和更广范围的应用，Kikuchi等[6]利用薄膜法从水溶液中沉淀固态晶体来得到物质的光谱。实验使用两种方法测定了L_防震阻尼器苏氨酸和甘氨酸的太赫兹光谱。具体如下：一种是将氨基酸固态粉末压制成片状进行测量；一种是对使用薄膜法沉淀得到的氨基酸进行测量。研究表明太赫兹技术可应用于在水相中测量标记的生物分子。多肽是旷氨基酸以肽链连接在一起而形成的化合物，也是蛋白质水解的中间产物。Kutteruf等[73用太赫兹光谱技术对固态短链肽序列进行了研究。研究表明在1～15THz光谱范围内包含了体系的很多光谱和结构信息，如分子固相结构和与序列相关的分子信息等。体系不同光谱特征的密度和唯一性表明使用固态量子力学模型和理论可以从光谱中提取多肽的序列结构信息。Yam锄oto等[8]研究了7～55 cm_1(2．1～16反光雨衣．5THz)波数范围内的多聚甘氨酸和多聚L．丙氨酸的吸收系数和折射率。通过光谱结果得到在45．5cm-1(13．7 THz)出现了多聚甘氨酸较强的吸收峰。
2．2蛋白质蛋白质是生命的物质基础，是由氨基酸经脱水缩合组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的生物大分子。Yos}lida等[93采用太赫兹技术对附在薄金属网上的辣根过氧化酶进行了研究。结果表明对于蛋白质的测定来说，这种太赫兹技术比传统太赫兹技术具有更好的检出限。09awa等[10]对附在聚二氟乙烯薄膜上的无标记的蛋白质进行了太赫兹成像研究。实验采用太赫兹时域光谱技术和干涉效应手段，根据随着薄膜折射率变化太赫兹信号会发生改变的原理，测量太赫兹信号观察链霉亲和素蛋白和生物素的结合情况。实验证明，在1．5THz时使用太赫兹成像对链霉亲和素蛋白的检测限为27ng·mm～。研究方法有望应用到抗原抗体反应的医学诊断和过敏测试中，也可作为传感器应用到工业中。Png等[1妇证明了太赫兹时域光谱技术作为低温测量和无损鉴别乳清蛋白凝胶工具的可行性。通过p乳球蛋白溶液在不同pH值下热熔胶合成三种蛋白结构，包括球状乳球蛋白(pH4．o)和纤维状乳球蛋白结构(pH2．o和7．o)。实验太赫兹光谱范围为o．8～1．5THz，直径为2皮衣加工肛m的球状乳球蛋白透射率高于直径小于sky angel vol.99O．03脚的纤维状乳球蛋白的透射率，造成这种差异的原因可能是乳球蛋白的微观结构产生了瑞利散射。球状乳球蛋白和纤维状乳球蛋白具有明显不同的消光系数。研究成果在医药科学应用上具有可行性。Liu等[12]将太赫兹光谱技术应用于胰岛素淀粉样蛋白纤维化的研究中。实验在60℃，20％的乙
酸中培养牛胰岛素，太赫兹光谱频率范围为o．2～3．oTHz。结果显示单体胰岛素的吸收系数谱图没有出现明显的吸收峰，但胰岛素纤维形成后吸收系数谱图上出现一个明显的谱峰。胰岛素单体和胰岛素纤维的折射率分别稳定在1．20和1．44。然而当频率大于1．64THz时，单体胰岛素的折射率略有下降。研究表明了太赫兹光谱技术在辨别胰岛素单体和胰岛素纤维应用上具有可行性。太赫兹光谱技术将在未来胰岛素纤维化的研究中发挥重要作用。
2．3 DNA脱氧核糖核酸(deox蜘bonucleicacid，DNA)，又称去氧核糖核酸，是一种生物大分子，是染体的主要化学成分，同时也是组成基因的材料。DNA可组成遗传指令以引导生物发育与生命机能运作。太赫兹波对DNA分子结构变化很敏感，因此可以利用太赫兹技术对DNA进行研究。Wittlin等[伽采用太赫兹技术和其他光谱技术对DNA进行了一系列的实验。Bmcherseifer等[14]通过时间分辨太赫兹技术证明了复数折射率取决于DNA的结合状态。Fischer等[151记录了DNA碱基的介电函数。A1e)【andmv等[16]研究了太赫兹辐射对双链DNA呼吸动力学机制的影响。研究表明，特定的太赫兹辐射对DNA动力学有较大影响，进而影响基因表达和DNA复制的分子过程。Amra等[17]采用太赫兹时域光谱技术，在水相中对通过聚合酶链式反应得到的DNA样品进行了无标记定量检测。实验得到两种DNA
样品，碱基对分别为133对和697对，两种样品水溶液的浓度万方数据2066 光谱学与光谱分析 第33卷均为o～o．3Tlg·pL一。研究表明在o．3～1．2THz频谱范围内，两种DNA样品的吸收系数随DNA浓度的增加而减小。这是由于具有较高吸收的水分子被少量DNA分子取代，水合层水动力学阻滞造成了水THz吸收蓝移，所以造成防裂霜DNA吸收系数随其浓度增加而减小的现象。在o．8～1．oTHz范围内，与缓冲溶液相比较，样品吸收系数的相对平均变化与浓度间呈线性降低趋势更明显。与133对碱基对DNA相比，697对碱基对DNA的吸收系数相对平均变化值随浓度增加而降低趋势更明显。因此，太赫兹技术有望成为水相中DNA无标记检测的新方法，最小检测浓度为o．1ng·肛L一，最小样本体积为10肛L。
3用于生物组织检测的太赫兹技术由于太赫兹波能量低，不会对生物体产生电离危害，能对患者进行无损检测和筛查，这表明太赫兹波的一个优点是安全。另一方面，太赫兹波对水相中物质水含量或者化学物质的微小变化极其敏感，许多生物样本的水含量较高，不同样本水含量的差异有利于太赫兹医学诊断研究。太赫兹技术能够检测出经过脱水处理或者石蜡包埋处理的样本间的差异，这说明太赫兹波能够辨别不同病理组织的组织结构。另外，太赫兹波空间分辨率高；太赫兹波能够穿透表皮；太赫兹时域成像技术使用样本的振幅和相位信息生成样本的3D图像；因太赫兹波比红外光的波长大，所以太赫兹波比红外光的
散性低。太赫兹波的上述优点表明太赫兹技术在医学研究中对生物组织的检测和诊断具有重要的应用价值和发展潜力。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议