图6 细胞凋亡与太赫兹暴露时间的关系[47]Fig. 6 The number of live cells and cells at early and late stages of apoptosis in the sample in relation of the THz radiation exposure time[47]

4.2 太赫兹技术的难题

虽然近年来太赫兹技术取得了喜人的进步，但该新兴高尖技术仍然有所不足。一是目前太赫兹相关研究中标本来源不同、处理方式不同，这使得许多研究结果间可比性较差。常见的标本有手术切除标本、石蜡包埋标本、甲醛固定标本、速冻标本、动物标本等。标本的性质也不尽相同，例如尽管都是癌组织，也有乳腺癌胃癌之分，故未来需要更多的研究来改善太赫兹技术检测的准确性和可重复性。二是水对太赫兹波的强吸收性，虽然可以根据组织不同的水含量加以鉴别(例如癌组织与正常组织、烧伤组织与正常组织等)，但是水的强吸收性也可能遮蔽了被测物质的自身性质，从而影响了太赫兹技术的敏感性。学者们尝试了各种方法来增强太赫兹技术的敏感性和准确性，例如超材料、甘油太赫兹增强剂等[49-50]。Ueno的团队报道了一种金棒结构的硅基板，增强了太赫兹频率区域内的局部表面等离子体共振的信号[51]。三是太赫兹技术的探测速度、信噪比、探测深度等灵敏特性需要从光源和探测接收两方面来进一步完善，克服不同温度的影响，使其能满足临床常规应用的要求。尚丽平及其同事提出了一种使用纳秒激光器加载高压直流电源的光导开关，可产生0 kV～9 kV的可调连续偏置电压，改进了太赫兹光谱技术的发射装置[52]。21世纪以来，太赫兹光源问题已经得到有效突破并且持续改进，提高太赫兹技术的灵敏度对于该技术的发展至关重要。2011年国内首次实现基于天线增强效应的自混频GaN/ALAGaN HEMT探测器，其响应度达到3.6×103 V/W，噪声等效功率达到40 pW/Hz0.5，达到国际领先水平[53]。今年该研究小组实现了基于硅透镜集成的高灵敏度室温太赫兹探测器。在77 K时，响应度达100 kV/W，噪声等效功率下降至1 pW/Hz0.5[54]。在生物医学研究方面，2002年，Nagel等人利用超材料滤波器实现了聚合态DNA的飞秒级别检测，灵敏度是传统时域光谱法的1000倍[55]。2014年，国外报道了一种基于ELC谐振单元的太赫兹微生物组织传感器，该器件采用的缝隙(gap)结构尺度与微生物分子相近，利用附着在超材料表面的液体微生物分子数量和种类的不同，使超材料LC谐振频率发生明显的偏移，从而实现了对霉菌、细菌、真菌和酵母等微生物组织的快速、高灵敏度和高选择性的检测[56]。目前，基于超材料的太赫兹生物传感检测技术尚不成熟，对于微量或低浓度的生物样本检测灵敏度还有待突破，生化检测机理和可靠性研究还有待进一步深入。如何在保证灵敏度的前提下提高生物样品与太赫兹波的互作用，成为研究太赫兹生物传感技术的关键问题。受限于太赫兹设备的生产和运行的高成本，该技术的大规模应用受限，今后随着相关生产技术的进步有望降低成本使得技术得到发展及广泛使用。

5 总 结

本文介绍了太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术目前的应用及研究进展，太赫兹技术目前仍存在以下局限[57]：1) 没有达到光学显微镜的分析水平，目前的分辨率为20 μm～200 μm；2) 对成像的对比机制仍不十分清楚，需要全面了解太赫兹波与生物组织作用的机制；3) 对于较高能量的太赫兹，其生物安全性有待进一步的评估；4) 现有的结论一般为定性，尚不能定量地分析生物组织中水和生物大分子的含量对成像的影响；5) 不能定量区分肿瘤所处的阶段，但不同阶段的肿瘤图像具有一定的对比度。尽管如此，其主要特点和优点是无损快速识别，因此在临床中可用于无损快速检测生化指标，诊断病灶性质等。太赫兹技术还处于试验的初级阶段，相关理论还不够成熟。随着相关设备成本的进一步降低和普及、太赫兹理论的完善、实验的纵深发展，在医学诊断中，尤其是在无损无标记的临床实时检测方面潜力巨大。

1 引 言

太赫兹(Terahertz radiation，THz)又被称为太赫兹波或T射线，在电磁波谱中位于微波和红外线之间，其频率范围在0.1 THz～10 THz(1 THz=1012Hz，或1 THz =4.14 meV光子能)，波长范围在30 μm～3 mm，如图1所示。上世纪80年代以前，太赫兹研究受限于缺乏有效的太赫兹光源和检测方法，相对于微波和红外线的研究进展缓慢，被称为“Terahertz Gap”(太赫兹空隙)。随后，飞秒激光的出现提供了突破口[1]，太赫兹技术迅猛发展至今，在生物医学、质量控制、安保国防、环境监测和航空航天等领域前景开阔。太赫兹技术综合了电子学和光子学的特点，涉及多个领域，属于典型的交叉学科。

文章来源：《医学食疗与健康》 网址: http://www.yxslyjkbjb.cn/qikandaodu/2021/0415/1024.html