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《太赫茲電磁波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用原理及進(jìn)展》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、首都師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第25卷第4期JournalofCapitalNormalUniversityVol.25,No.42004年12月(NaturalScienceEdition)Dec.2004太赫茲電磁波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用原理及進(jìn)展孫金海(首都師范大學(xué)物理系,北京100037)摘要結(jié)合THz電磁波的特點(diǎn)和相關(guān)理論綜合介紹了THz電磁波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況和進(jìn)展?fàn)顩r,并且闡述了THz在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所面臨的問題及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展.關(guān)鍵詞:THz,THz成像,生物分子,DNA,蛋白質(zhì),氨基酸.中圖分
2、類號:O4331,R814前景.本文擬結(jié)合近年來THz在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的0引言發(fā)展介紹THz在該領(lǐng)域的應(yīng)用.12太赫茲(1THz=10Hz)頻段是指頻率從十分之1THz在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展幾到十幾個(有的認(rèn)為到二十個)THz、介于毫米波與紅外光之間相當(dāng)寬范圍的電磁輻射區(qū)域.長期以隨著最近對于產(chǎn)生THz方法研究的不斷進(jìn)步,來,由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法,人人們對THz在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究越來越感們對于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限,以致興趣,毫無疑問,THz技術(shù)將會成為研究生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)于該波段被稱
3、為電磁波譜中的THz空隙.該波段也域的重要手段,而且隨著大功率THz的產(chǎn)生,THz射是電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究的最后一個頻率窗線的臨床治療在不久的將來也會成為可能,從而有口.近年來由于自由電子激光器和超快技術(shù)的發(fā)展,效地彌補(bǔ)X射線在放射治療上的嚴(yán)重缺陷.為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源,THz在電磁波譜中的范圍大約為03~20THz,使THz輻射的產(chǎn)生機(jī)理、檢測技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研相應(yīng)的波長為110-3~1510-5m,相應(yīng)的光子究得到蓬勃發(fā)展,THz技術(shù)之所以引起人們廣泛的-22-20能量為2010~1
4、310J,由于THz光子能關(guān)注,首先是由于該波段電磁波的重要性,物質(zhì)的量要比X射線、射線等的光子能量低的多,所以對THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射)包含有豐富的物人體或其它生物的細(xì)胞組織不會產(chǎn)生光致電離作理和化學(xué)信息,研究材料在這一波段的光譜對于物用,因而不會使細(xì)胞因接受大劑量輻射而發(fā)生癌變.質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索有著重要的意義;其次THz電磁波有由于大量生物大分子(質(zhì)量數(shù)大于100的分子)其獨(dú)特的特點(diǎn):THz光子的能量只有毫電子伏特,與的振動和轉(zhuǎn)動能級間的間距正好處于THz的頻帶X射線相比,不會因?yàn)楣庵码婋x而破壞被檢測的物范圍之內(nèi)
5、,因此在用THz光譜探測生物樣品時能夠質(zhì),從而可以安全地進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)方面的檢測和診有效地產(chǎn)生共振吸收峰,從而有可能為生物樣品提[1]斷,因此THz在生物成像、醫(yī)療診斷等方面(如皮供指紋譜.已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)表明,利用THz時域膚癌、燒傷診斷)具有重大的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用譜技術(shù)進(jìn)行DNA鑒別是可能的.此外,THz還被用來研究某些生化試劑和酶的特性.可見THz技術(shù)在收稿日期:2004-03-17探測分析生物大分子的種類和構(gòu)成上有著很大的應(yīng)北京市自然科學(xué)基金(6032006)用潛力.在以前的DNA分子等生物探測中,最常用18首都師范大
6、學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2004年的手段是熒光標(biāo)記探測,但往往由于熒光的衰減和在過去的研究工作中人們對THz與水的相互熒光物質(zhì)本身對樣品的作用等因素而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果作用已經(jīng)進(jìn)行了大量的投入,并已經(jīng)得出了一些有的正確分析,而用THz進(jìn)行探測時由于測量原理的用的結(jié)論.人們發(fā)現(xiàn)水等極性分子對THz波有著強(qiáng)[2,3]根本改變,可以直接做到無標(biāo)記探測.烈的共振吸收,這一點(diǎn)完全可以用前面提到的偶極生物分子對THz輻射的響應(yīng)主要來自于由大子模型予以解釋.分子的構(gòu)型和構(gòu)象決定的集體振動模,這種集體振1992年P(guān)ederson和Keiding用THz時
7、域系統(tǒng)在0動模主要反映分子的整體結(jié)構(gòu)信息,而不是光學(xué)方~2THz范圍內(nèi)對苯、四氯化碳和環(huán)己烷進(jìn)行了測[8]法通常測量的相對定域的電子結(jié)構(gòu),或與單個化學(xué)量,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非極性分子對THz來說是透明的.鍵相關(guān)的振動模.同時,由于大分子的結(jié)構(gòu)對環(huán)境非正是利用THz對水分含量的敏感和對非極性常敏感,集體振動模的分布和強(qiáng)度也反映了環(huán)境的分子的透明的特性,人們可以對植物果實(shí)的水分含影響.因此,THz光譜對于研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、量進(jìn)行測定從而進(jìn)行估產(chǎn).對生物組織的水合狀態(tài)分子間的反應(yīng)、分子與環(huán)境間的相互作用等等都具進(jìn)行檢測從而判斷組織的健康狀況
8、.如在對皮膚癌[4]有獨(dú)特的優(yōu)勢.此外,利用泵浦-探測技術(shù)可以通的診斷中,病變組織中的水分含量肯定與正常組織過時間分辨的THz光譜分析,對蛋白質(zhì)等易于變性不同,所以可利用其進(jìn)行診斷.在對肉制品的檢測的大分子在特定的生理過程或其他的相互作用過程中,瘦肉吸收THz射
