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1、首都师范大学学报(自然科学版)第25卷第4期JournalofCapitalNormalUniversityVol.25,No.42004年12月(NaturalScienceEdition)Dec.2004太赫兹电磁波在生物医学领域中的应用原理及进展孙金海(首都师范大学物理系,北京100037)摘要结合THz电磁波的特点和相关理论综合介绍了THz电磁波在生物医学领域的应用情况和进展状况,并且阐述了THz在生物医学领域所面临的问题及相关技术的发展.关键词:THz,THz成像,生物分子,DNA,蛋白质,氨基酸.中图分
2、类号:O4331,R814前景.本文拟结合近年来THz在生物医学领域中的0引言发展介绍THz在该领域的应用.12太赫兹(1THz=10Hz)频段是指频率从十分之1THz在生物医学领域的应用及进展几到十几个(有的认为到二十个)THz、介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域.长期以随着最近对于产生THz方法研究的不断进步,来,由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法,人人们对THz在生物医学领域应用的研究越来越感们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致兴趣,毫无疑问,THz技术将会成为研究生物医学领于该波段被称
3、为电磁波谱中的THz空隙.该波段也域的重要手段,而且随着大功率THz的产生,THz射是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗线的临床治疗在不久的将来也会成为可能,从而有口.近年来由于自由电子激光器和超快技术的发展,效地弥补X射线在放射治疗上的严重缺陷.为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,THz在电磁波谱中的范围大约为03~20THz,使THz辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研相应的波长为110-3~1510-5m,相应的光子究得到蓬勃发展,THz技术之所以引起人们广泛的-22-20能量为2010~1
4、310J,由于THz光子能关注,首先是由于该波段电磁波的重要性,物质的量要比X射线、射线等的光子能量低的多,所以对THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物人体或其它生物的细胞组织不会产生光致电离作理和化学信息,研究材料在这一波段的光谱对于物用,因而不会使细胞因接受大剂量辐射而发生癌变.质结构的探索有着重要的意义;其次THz电磁波有由于大量生物大分子(质量数大于100的分子)其独特的特点:THz光子的能量只有毫电子伏特,与的振动和转动能级间的间距正好处于THz的频带X射线相比,不会因为光致电离而破坏被检测的物范围之内
5、,因此在用THz光谱探测生物样品时能够质,从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊有效地产生共振吸收峰,从而有可能为生物样品提[1]断,因此THz在生物成像、医疗诊断等方面(如皮供指纹谱.已经有大量的实验表明,利用THz时域肤癌、烧伤诊断)具有重大的科学价值和广阔的应用谱技术进行DNA鉴别是可能的.此外,THz还被用来研究某些生化试剂和酶的特性.可见THz技术在收稿日期:2004-03-17探测分析生物大分子的种类和构成上有着很大的应北京市自然科学基金(6032006)用潜力.在以前的DNA分子等生物探测中,最常用18首都师范大
6、学学报(自然科学版)2004年的手段是荧光标记探测,但往往由于荧光的衰减和在过去的研究工作中人们对THz与水的相互荧光物质本身对样品的作用等因素而影响实验结果作用已经进行了大量的投入,并已经得出了一些有的正确分析,而用THz进行探测时由于测量原理的用的结论.人们发现水等极性分子对THz波有着强[2,3]根本改变,可以直接做到无标记探测.烈的共振吸收,这一点完全可以用前面提到的偶极生物分子对THz辐射的响应主要来自于由大子模型予以解释.分子的构型和构象决定的集体振动模,这种集体振1992年Pederson和Keiding用THz时
7、域系统在0动模主要反映分子的整体结构信息,而不是光学方~2THz范围内对苯、四氯化碳和环己烷进行了测[8]法通常测量的相对定域的电子结构,或与单个化学量,实验发现非极性分子对THz来说是透明的.键相关的振动模.同时,由于大分子的结构对环境非正是利用THz对水分含量的敏感和对非极性常敏感,集体振动模的分布和强度也反映了环境的分子的透明的特性,人们可以对植物果实的水分含影响.因此,THz光谱对于研究生物大分子的结构、量进行测定从而进行估产.对生物组织的水合状态分子间的反应、分子与环境间的相互作用等等都具进行检测从而判断组织的健康状况
8、.如在对皮肤癌[4]有独特的优势.此外,利用泵浦-探测技术可以通的诊断中,病变组织中的水分含量肯定与正常组织过时间分辨的THz光谱分析,对蛋白质等易于变性不同,所以可利用其进行诊断.在对肉制品的检测的大分子在特定的生理过程或其他的相互作用过程中,瘦肉吸收THz射
