太赫兹波，是电磁频谱中频率介于0.1到10太赫（THz）之间、波长位于3毫米至0.03毫米范围内的电磁波。太赫兹技术在众多领域如生命科学、医疗健康、化学分析、农业研究、宇宙观测、公共安全以及通讯科技等方面的应用探索迅速升温，并持续成为跨学科研究的重要焦点。太赫兹在生物医学方面的研究更是在近年来成为了第yi大议题。原因主要在于：高功率、高质量的太赫兹源无论在连续波还是脉冲波方面都取得了进展; 生物大分子的骨架振动、转动以及分子之间弱的相互作用(氢键、范德华力等)正好位于 THz 频段范围内, 能够检测到物质结构和成分的微小变化, 为分析细胞结构和医学诊断提供了新方法; 太赫兹波的光子能量非常低( 1 TH z = 4.1 meV), 是 X 射线的强度的百万分之一, 对生物体无害等。
生物医学的研究对象主要包括生物有机体、离体组织、生物细胞、生物细胞器和生物大分子。生物医学的研究属于生命科学的范畴, 关系人类健康与未来。因此该领域的基础研究和应用研究一直是十分活跃的。从微观的角度讲, 大量的分子尤其是生物分子的转动和振动跃迁在太赫兹频段表现出强烈的吸收和色散, 而且太赫兹波的温度低(4.8~478 K), 能量小(0.4~41 meV), 对生物分子无损伤。因此利用太赫辐射效应, 一方面可以了解体内的“纳米机器”如何控制生物网络的运转, 进而利用这些生物效应对生命活动进行有益的干扰; 另一方面在医学上可为疾病的诊断和治疗提供相应的理论依据。
相比于红外光谱、X 射线等传统光谱分析技术, THz 光谱概括主要有以下 4 点独特的优势：1) 光子能量低, 不足以造成分子的化学损伤, 不会从原子中激发出粒子, 因此不会因为电离而破坏分子; 2) THz 波对极性分子非常敏感, 例如生物中的水分子以及水化作用, 因此对软组织的检测 THz 波比 X射线更具有优势; 3) 太赫兹时域光谱技术(Terahertztime-domain Spectroscopy, 英文简称 THz-TDS)是一种相干测量技术, 能够直接测量经过样品的太赫兹波的振幅和相位信息, 通过傅里叶变换得到表征样品特性之一的折射率和吸收系数; 4) 很多分子的转动、振动能级和分子间的弱相互作用能级, 位于太赫兹波段, 例如分子中氢键的转动运动和振动运动的能级正好落在太赫兹波段。因此太赫兹光谱技术在研究生物分子的结构特性和动力学, 以及医学研究中对生物组织的成像方面有重要的应用价值。
太赫兹分子成像技术原理
生物分子的振动能级和分子间的弱相互作用力位于太赫兹波段, 加上其本身能量较低, 不会对生物产生电离效应, 是一种安全的辐射源。因此太赫兹波科学技术一出现, 就被十分看好应用于生物医学领域。太赫兹波辐射的生物效应主要适合于健康危害评估, 以经验为主的安全标准的发展以及太赫兹器件安全性研发和应用。太赫兹光谱技术在检测低能量、长波长的生物分子间相互作用方面展示了独特的优势。国内外研究者对各种生物大分子都开展了 THz 光谱研究, 也取得了很大的进展, 为从生物研究过渡到医学应用奠定了基础。有科学家预言：太赫兹科学技术在生物医学领域的应用是一场技术变革, 它带来了更精密、更准确、更安全的检测手段, 其应用潜力巨大。
*内容来源： 1.《太赫兹科学技术在生物医学中的应用研究》，何明霞、陈涛
