太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究_何明霞

1、第26卷第6期電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)Vol.26No.62012年6月JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTINSTRUMENT471DOI:10.3724SP.J.1187.2012.00471聚華信息：王編輯QQ：916211375太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究何明霞12陳濤12(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津3000722.天津大學(xué)太赫茲中心天津300072)摘要:介紹了近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外太赫

2、茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)展。重點(diǎn)總結(jié)了太赫茲輻射的生物效應(yīng)、太赫茲光譜技術(shù)和太赫茲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用的3個(gè)大類的成果。有關(guān)太赫茲輻射的生物效應(yīng)分不同頻率、不同功率和不同輻射時(shí)間下樣品的生物學(xué)反應(yīng)來(lái)介紹。又根據(jù)探測(cè)樣品屬性不同分為生物體、生物組織、生物細(xì)胞、生物細(xì)胞器和生物大分子等6個(gè)層次的內(nèi)容。充分論證了太赫茲科學(xué)技術(shù)對(duì)生物醫(yī)學(xué)的安全性和適用性。由于太赫茲光譜包含豐富的生物分子及分子間的組成信息和構(gòu)象信息在

3、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用最多。對(duì)不同生物大分子的太赫茲特征頻譜進(jìn)行了解讀對(duì)太赫茲光譜技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了梳理目的為讓更多的人了解太赫茲科學(xué)技術(shù)的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。在太赫茲波成像技術(shù)方面總結(jié)了其在癌變組織診斷、皮膚燒傷探測(cè)等方面的研究應(yīng)用。為使迷人的太赫茲波科學(xué)與技術(shù)更好的服務(wù)于人類嘗試較為全面地對(duì)太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得的研究成果進(jìn)行歸納與總結(jié)同時(shí)也探討了現(xiàn)階段在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所存在的不足以及今后努力的方向。關(guān)鍵詞:太赫茲輻射生物效應(yīng)

4、太赫茲光譜太赫茲成像生物大分子醫(yī)學(xué)檢測(cè)中圖分類號(hào):TN29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼:510.20ApplicationofterahertzsciencetechnologyinbiologymedicineresearchHeMingxia12ChenTao12(1.StateKeyLabatyofPrecisionMeasurementTechnologyInstrumentsTianjinUniversityTianji

5、n300072China2.TerahertzCenterTianjinUniversityTianjin300072China)Abstract:Theoverviewofresearchapplicationsaboutterahertzsciencetechnologyinthebiomedicalfieldoverthelastdecadehomeabroadisintroduced.Theresultsofthreemajca

6、tegiesofresearchapplicationincludingbiologicaleffectsofterahertzradiationterahertzspectroscopyterahertzimagingtechnologyaresummarized.Accdingtothepropertiesoftestsample6contentsaboutganismtissuebiologicalcellsbiologicalg

7、anellesbiologicalmacromoleculesetc.arerespectivelyintroduced.Thesafetyapplicabilityinbiologymedicineofterahertzsciencetechnologyarefullydemonstrated.Terahertzspectracontainsawealthofbiologicalmoleculesmolecularcompositio

8、nconfmationalinfmationusedfresearchapplicationsinthebiomedicalfield.Thispaperdescribestheacteristicsofterahertzspectrumofdifferentbiologicalmacromoleculesdifferentinterpretationstheapplicationofterahertzspectroscopyinder

9、toletmepeopleundersttheadvantagesapplicationprospectsofterahertzsciencetechnology.Alsothepapersummarizestheresearchapplicationofterahertzimagingtechnologyincanceroustissuediagnosisskinburnsdetectionetc.Wetryamecomprehens

10、iveinductionconclusionofterahertzsciencetechnologyinthefieldofbiomedicalresearchachievementsbutalsodiscusstheshtcomingsaswellasthedirectionoffutureefftssoastotheterahertzsciencetechnologyservestohumanitybetter.Keywds:ter

11、ahertzradiationbiologicaleffectsterahertzspectroscopyterahertzimagingbiologicalmacromoleculesmedicaltesting1引言通常是指頻率范圍在0.1~10THz波長(zhǎng)在3~0.03mm太赫茲波(TerahertzWavesTHz)也稱作T射線(1THz=1012Hz)之間的電磁波。自20世紀(jì)70年代本文于2012年3月收到?；痦?xiàng)目:國(guó)家自然科

12、學(xué)基金(60977064)天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究基金(10JCYBJC01400)。體組織、生物細(xì)胞、生物細(xì)胞器和生物大分子。生物醫(yī)學(xué)的研究屬于生命科學(xué)的范疇關(guān)系人類健康與未來(lái)。因此該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究一直是十分活躍的。從微觀的角度講大量的分子尤其是生物分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷在太赫茲頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散而且太赫茲波的溫度低(4.8~478K)能量小(0.4~41meV)對(duì)生物分子無(wú)損傷。因此利用太赫輻射效應(yīng)一方面可以了解

13、體內(nèi)的“納米機(jī)器”如何控制生物網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而利用這些生物效應(yīng)對(duì)生命活動(dòng)進(jìn)行有益的干擾另一方面在醫(yī)學(xué)上可為疾病的診斷和治療提供相應(yīng)的理論依據(jù)[5]。在太赫茲波輻射效應(yīng)方向的研究主要考慮2個(gè)因素即太赫茲輻射參數(shù)(頻率、功率、輻射時(shí)間等)和生物樣品組成及特性。我們綜合了2012年最新的國(guó)內(nèi)外相關(guān)的具有代表性的46篇研究文獻(xiàn)報(bào)道具體文獻(xiàn)數(shù)量及研究?jī)?nèi)容如圖2所示。這些研究成果涉及不同生物對(duì)象從生物大分子到有機(jī)體在不同輻射參數(shù)下的生物效應(yīng)[4]描述

14、了太赫茲輻射效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)方面的研究狀況。2.1有機(jī)體水平的研究有機(jī)體水平的研究對(duì)象主要是活體大鼠和小鼠。唯一對(duì)人體進(jìn)行研究是在2005年Ostrovskiy等人預(yù)測(cè)THz輻射可能會(huì)加快燒傷修復(fù)。為證實(shí)假設(shè)他們分別對(duì)表面燒傷和深度燒傷的病人進(jìn)行THz輻射。輻射參數(shù)為0.15THz和0.03mWcm2每天進(jìn)行7~10次治療每次15min。結(jié)果表明THz輻射能夠加速外皮形成縮短了皮膚的修復(fù)時(shí)間。作者指出這種效應(yīng)主要來(lái)自體內(nèi)代謝產(chǎn)物一氧化氮(

15、NO)對(duì)太赫茲的強(qiáng)烈吸收并有望成為燒傷治療的有效方法[6]。2008年Kirichuck等人首次對(duì)活體大鼠展開了THz生物效應(yīng)的研究[7]。他們認(rèn)為THz輻射能夠引起血小板的功能活動(dòng)并且與性別有關(guān)。為此他們分別對(duì)雌性和雄性小鼠進(jìn)行THz輻射。輻射參數(shù)為0.15THz、0.7mW和0.2mWcm2輻射時(shí)間為15或30min。3h后用血小板分析儀和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明被THz輻射的雌鼠和雄鼠都表現(xiàn)出了血小板聚合的恢復(fù)能力而雌