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期電子測量與儀器學(xué)報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)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室天津3000722.天津大學(xué)太赫茲中心天津300072)摘要:介紹了近十年來國內(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)用進展。重點總結(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間下樣品的生物學(xué)反應(yīng)來介紹。又根據(jù)探測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個層次的內(nèi)容。充分論證了太赫茲科學(xué)技術(shù)對生物醫(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。對不同生物大分子的太赫茲特征頻譜進行了解讀對太赫茲光譜技術(shù)的應(yīng)用進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行歸納與總結(jié)同時也探討了現(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)檢測中圖分類號:TN29文獻標(biāo)識碼:A國家標(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?；痦椖?國家自然科

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。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)動和振動躍遷在太赫茲頻段表現(xiàn)出強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)對生物分子無損傷。因此利用太赫輻射效應(yīng)一方面可以了解

13、體內(nèi)的“納米機器”如何控制生物網(wǎng)絡(luò)的運轉(zhuǎn)進而利用這些生物效應(yīng)對生命活動進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個因素即太赫茲輻射參數(shù)(頻率、功率、輻射時間等)和生物樣品組成及特性。我們綜合了2012年最新的國內(nèi)外相關(guān)的具有代表性的46篇研究文獻報道具體文獻數(shù)量及研究內(nèi)容如圖2所示。這些研究成果涉及不同生物對象從生物大分子到有機體在不同輻射參數(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有機體水平的研究有機體水平的研究對象主要是活體大鼠和小鼠。唯一對人體進行研究是在2005年Ostrovskiy等人預(yù)測THz輻射可能會加快燒傷修復(fù)。為證實假設(shè)他們分別對表面燒傷和深度燒傷的病人進行THz輻射。輻射參數(shù)為0.15THz和0.03mWcm2每天進行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)時間。作者指出這種效應(yīng)主要來自體內(nèi)代謝產(chǎn)物一氧化氮(

15、NO)對太赫茲的強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并且與性別有關(guān)。為此他們分別對雌性和雄性小鼠進行THz輻射。輻射參數(shù)為0.15THz、0.7mW和0.2mWcm2輻射時間為15或30min。3h后用血小板分析儀和數(shù)理統(tǒng)計的方法分析實驗數(shù)據(jù)。實驗表明被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