太赫兹技艺在医药领域应用概述

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1、太赫兹技艺在医药领域应用概述1引言1.1研究背景及意义自发现了无线电波以来，科研人员们深入研究了从Y射线到千米波的电磁波及其性质，并且它们在各个领域得到了广泛且充分的应用。然而在20世纪80年代之前，对太赫兹波段的研究是空白的，这是因为缺乏先进的产生方法与检测技术，直到近20年，超快激光技术的发展，很大程度上促进了太赫兹技术及其应用技术的研究与发展。目前，太赫兹波段己经迅速形成一门新的极具活力的研究领域，以至于2004年被美国《技术评论》杂志评为科学技术研究和发展的九个开拓性新兴领域之一⑴。THz技术之所以引起

2、人们广泛的关注，是因为物质的THz光谱包含丰富的物理和化学信息，对物质结构的研究有重要意义，并且相对于其他频段的电磁波，太赫兹具有独特的优点：首先，各种有机分子的弱相互作用以及大分子的骨架震动，偶极子的转动和振动跃迁以及晶体的低频振荡所对应的吸收频率都位于THz阶段，因此，利用物质的THz的频域吸收谱可以分析其物质成分，进行定性鉴别或者产品质量控制，以及研究分子动力学以及晶体的性质；其次，太赫兹穿透性很强，可以穿过多种非线性物质如塑料、布料、纸箱等，可以用来探测隐秘走私，包括毒品、武器、易爆物等，也可以用在生物

3、医学领域，例如检查包扎后伤口的愈合程度，牙齿的检测以及胸腔肿瘤的检查等；再次，THz波的单光子能量特别低，ITHz对应只有4.1meV的能量(通常的X射线的能量在keV量级)，用THZ检测物质时不会破坏被检测物质的成分，可以对生物组织进行活体检查。由此来看，THz在研究隐秘性物质检测，生物的构型和构象，药物的检测鉴别，医学领域等方面具有诱人的前景。1.2太赫兹技术在部分医学领域的发展状况近些年来，由于太赫兹波低能量，穿透力强，指纹峰灵敏等优点在医学领域有极大的研究价值，太赫兹技术在医学领域已有较大发展。目前，在

4、生物方面，人们利用分析生物大分子的种类和构成，研究生物大分子的结构、分子间的反应、分子与环境间的相互作用；在药学方面，对药物成分的探测，异构体的区分，药物的多晶型的鉴别，混合物的定性和定量分析等方面都有较多的探究；在医学诊断方面，现在已可以做到对正常组织与癌症组织的区分，癌症组织边缘的检测等。下面将主要介绍本论文主要研究的方面进行介绍。近年来，人们在利用太赫兹技术研究研究生物大分子的结构、分子间的作用等方面具有较大的兴趣。氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，对人类身体健康起重要作用，有很重要的研究价值。

5、食品中的氨基酸的检测，利用传统方法则需要复杂的提纯方法，并且纯度要求很高，过程繁锁浪费时间，而利用太赫兹技术可以直接对物体进行检测，通过对氨基酸的太赫兹光谱进一步的处理与分析，即可达到目的，操作简单便捷。如图1-2所示为多肽与L-丙氨酸的折射率与消光系数谱图。2太赫兹技术基础理论与实验原理2.1THz技术理论概要太赫兹应用的两个关键技术分别是太赫兹光谱检测技术和太赫兹成像技术，它们共同的主要组成部分分别是太赫兹发射源、太赫兹探测器和时间延迟系统。THz发射源的大功率、高效率、低造价、便携的特性将决定太赫兹的各种

6、应用技术能否成功投入到实际应用⑴。而高灵敏度和高信噪比的探测手段也是太赫兹技术发展的至关重要的问题⑴。下面将分别从太赫兹电磁波的产生和探测两部分介绍太赫兹常用的相关技术。就目前来说，根据产生机理可将太赫兹源分为基于电子学的太赫兹源，例如反向波振荡器、自由电子激光器、浅掺杂的P型锗半导体激光器、量子级联激光器；基于光学、光子学及非线性的太赫兹福射源，例如利用超短激光脉冲产生太赫兹波，利用非线性频率变换过程产生太赫兹波；基于远红外光菜浦产生的太赫兹电磁波⑴。根据太赫兹源的性质又分连续太赫兹波和脉冲太赫兹波，上述产生

7、方式中自由电子激光器和热福射源产生的是连续太赫兹波，它们都有一个共同的缺点即无法有效的消除系统的背景噪声，而超短激光脉冲对不同材料激发产生的脉冲太赫兹波，由于其探测脉冲很快，测量过程中实验系统来不及反应背景噪声，从而解决这一难题。利用超短激光脉冲作用光电导天线和非线性晶体是两种最常见的产生脉冲太赫兹的方式。2.2太赫兹时域光谱系统太赫兹时域光谱(THztime-domainspectroscopy，THz-TDS)技术是太赫兹光谱技术典型的代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术，具有信噪比高、可大带宽，可在

8、室温下工作等优点。通过THz-TDS系统可得到被测样品的复折射率、介电常数和光电导率等参数，通过将这些参数的分析与处理即可得到样品相应的物理化学特性。THz-TDS系统主要由飞秒激光器、太赫兹产生装置、太赫兹探测装置、光学传输系统和时间延迟系统等几部分组成。其中，根据太赫兹产生与探测装置的机理分为不同的光谱检测系统。图2-6所示为实验室中自行搭建的太赫兹时域光谱检测系统，经过巧妙的光路