太赫茲技藝在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用概述

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1、太赫茲技藝在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用概述1引言1.1研究背景及意義自發(fā)現(xiàn)了無線電波以來，科研人員們深入研究了從Y射線到千米波的電磁波及其性質(zhì)，并且它們在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛且充分的應(yīng)用。然而在20世紀(jì)80年代之前，對太赫茲波段的研究是空白的，這是因?yàn)槿狈ο冗M(jìn)的產(chǎn)生方法與檢測技術(shù)，直到近20年，超快激光技術(shù)的發(fā)展，很大程度上促進(jìn)了太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)的研究與發(fā)展。目前，太赫茲波段己經(jīng)迅速形成一門新的極具活力的研究領(lǐng)域，以至于2004年被美國《技術(shù)評論》雜志評為科學(xué)技術(shù)研究和發(fā)展的九個(gè)開拓性新興領(lǐng)域之一⑴。THz技術(shù)之所以引起

2、人們廣泛的關(guān)注，是因?yàn)槲镔|(zhì)的THz光譜包含豐富的物理和化學(xué)信息，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究有重要意義，并且相對于其他頻段的電磁波，太赫茲具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先，各種有機(jī)分子的弱相互作用以及大分子的骨架震動(dòng)，偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷以及晶體的低頻振蕩所對應(yīng)的吸收頻率都位于THz階段，因此，利用物質(zhì)的THz的頻域吸收譜可以分析其物質(zhì)成分，進(jìn)行定性鑒別或者產(chǎn)品質(zhì)量控制，以及研究分子動(dòng)力學(xué)以及晶體的性質(zhì)；其次，太赫茲穿透性很強(qiáng)，可以穿過多種非線性物質(zhì)如塑料、布料、紙箱等，可以用來探測隱秘走私，包括毒品、武器、易爆物等，也可以用在生物

3、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如檢查包扎后傷口的愈合程度，牙齒的檢測以及胸腔腫瘤的檢查等；再次，THz波的單光子能量特別低，ITHz對應(yīng)只有4.1meV的能量(通常的X射線的能量在keV量級)，用THZ檢測物質(zhì)時(shí)不會破壞被檢測物質(zhì)的成分，可以對生物組織進(jìn)行活體檢查。由此來看，THz在研究隱秘性物質(zhì)檢測，生物的構(gòu)型和構(gòu)象，藥物的檢測鑒別，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面具有誘人的前景。1.2太赫茲技術(shù)在部分醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r近些年來，由于太赫茲波低能量，穿透力強(qiáng)，指紋峰靈敏等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有極大的研究價(jià)值，太赫茲技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有較大發(fā)展。目前，在

4、生物方面，人們利用分析生物大分子的種類和構(gòu)成，研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、分子間的反應(yīng)、分子與環(huán)境間的相互作用；在藥學(xué)方面，對藥物成分的探測，異構(gòu)體的區(qū)分，藥物的多晶型的鑒別，混合物的定性和定量分析等方面都有較多的探究；在醫(yī)學(xué)診斷方面，現(xiàn)在已可以做到對正常組織與癌癥組織的區(qū)分，癌癥組織邊緣的檢測等。下面將主要介紹本論文主要研究的方面進(jìn)行介紹。近年來，人們在利用太赫茲技術(shù)研究研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、分子間的作用等方面具有較大的興趣。氨基酸是生物功能大分子蛋白質(zhì)的基本組成單位，對人類身體健康起重要作用，有很重要的研究價(jià)值。

5、食品中的氨基酸的檢測，利用傳統(tǒng)方法則需要復(fù)雜的提純方法，并且純度要求很高，過程繁鎖浪費(fèi)時(shí)間，而利用太赫茲技術(shù)可以直接對物體進(jìn)行檢測，通過對氨基酸的太赫茲光譜進(jìn)一步的處理與分析，即可達(dá)到目的，操作簡單便捷。如圖1-2所示為多肽與L-丙氨酸的折射率與消光系數(shù)譜圖。2太赫茲技術(shù)基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)原理2.1THz技術(shù)理論概要太赫茲應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)分別是太赫茲光譜檢測技術(shù)和太赫茲成像技術(shù)，它們共同的主要組成部分分別是太赫茲發(fā)射源、太赫茲探測器和時(shí)間延遲系統(tǒng)。THz發(fā)射源的大功率、高效率、低造價(jià)、便攜的特性將決定太赫茲的各種

6、應(yīng)用技術(shù)能否成功投入到實(shí)際應(yīng)用⑴。而高靈敏度和高信噪比的探測手段也是太赫茲技術(shù)發(fā)展的至關(guān)重要的問題⑴。下面將分別從太赫茲電磁波的產(chǎn)生和探測兩部分介紹太赫茲常用的相關(guān)技術(shù)。就目前來說，根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理可將太赫茲源分為基于電子學(xué)的太赫茲源，例如反向波振蕩器、自由電子激光器、淺摻雜的P型鍺半導(dǎo)體激光器、量子級聯(lián)激光器；基于光學(xué)、光子學(xué)及非線性的太赫茲福射源，例如利用超短激光脈沖產(chǎn)生太赫茲波，利用非線性頻率變換過程產(chǎn)生太赫茲波；基于遠(yuǎn)紅外光菜浦產(chǎn)生的太赫茲電磁波⑴。根據(jù)太赫茲源的性質(zhì)又分連續(xù)太赫茲波和脈沖太赫茲波，上述產(chǎn)生

7、方式中自由電子激光器和熱福射源產(chǎn)生的是連續(xù)太赫茲波，它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)即無法有效的消除系統(tǒng)的背景噪聲，而超短激光脈沖對不同材料激發(fā)產(chǎn)生的脈沖太赫茲波，由于其探測脈沖很快，測量過程中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來不及反應(yīng)背景噪聲，從而解決這一難題。利用超短激光脈沖作用光電導(dǎo)天線和非線性晶體是兩種最常見的產(chǎn)生脈沖太赫茲的方式。2.2太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)太赫茲時(shí)域光譜(THztime-domainspectroscopy，THz-TDS)技術(shù)是太赫茲光譜技術(shù)典型的代表，是一種新興的、非常有效的相干探測技術(shù)，具有信噪比高、可大帶寬，可在

8、室溫下工作等優(yōu)點(diǎn)。通過THz-TDS系統(tǒng)可得到被測樣品的復(fù)折射率、介電常數(shù)和光電導(dǎo)率等參數(shù)，通過將這些參數(shù)的分析與處理即可得到樣品相應(yīng)的物理化學(xué)特性。THz-TDS系統(tǒng)主要由飛秒激光器、太赫茲產(chǎn)生裝置、太赫茲探測裝置、光學(xué)傳輸系統(tǒng)和時(shí)間延遲系統(tǒng)等幾部分組成。其中，根據(jù)太赫茲產(chǎn)生與探測裝置的機(jī)理分為不同的光譜檢測系統(tǒng)。圖2-6所示為實(shí)驗(yàn)室中自行搭建的太赫茲時(shí)域光譜檢測系統(tǒng)，經(jīng)過巧妙的光路