太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

太赫兹生物效应的原理和应用

太赫兹技术在过去数十年间发展迅速,作为一种强大的生物大分子表征工具,太赫兹光谱和成像技术展现了其在诊断医学和临床医学中的广阔前景。通过太赫兹光谱系统可以对生物样本的特定成分进行定量分析,类似地,太赫兹成像系统可以给出样品中待测成分的空间分布。以太赫兹光学系统的类型为索引综述了太赫兹诊断医学方面一些具有代表性的研究,并从生物个体、组织、细胞到生物大分子的层面介绍了一些太赫兹生物效应的研究。尽管太赫兹临床医学领域仍处于尝试和初步探索的阶段,但已经呈现了很多具有应用潜力的开创性研究,如太赫兹辅助靶向药物跨膜运输和太赫兹癌细胞DNA去甲基等,为太赫兹技术的生物医学应用奠定了基础。最后总结太赫兹生物效应的研究现状,对该领域的重点研究方向和可能的突破点进行分析展望。     

太赫兹加速——开启紧凑加速器的新途径

太赫兹电子加速技术是近年来先进加速原理的研究热点和前沿之一,有望为未来高品质加速器的小型化提供新思路。自2015年E. A. Nanni成功完成了太赫兹加速的原理性验证实验后,太赫兹电子枪、太赫兹电子加速、太赫兹束流操控及诊断技术取得了巨大的突破,国内外多家单位都深入开展了太赫兹加速的物理与技术研究,并规划建造基于太赫兹加速技术的紧凑型加速器装置。文章将简述太赫兹电子加速的物理原理、关键技术、研究现状以及其所推动的相关应用研究。     

太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹(Terahertz, THz)波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱(超声、 X射线、红外等)检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用...     

太赫兹计量研究与标准研制进展

太赫兹作为新的技术手段在物质成分识别、高速通信、生物医学、安检成像和军事国防等领域具有重要的作用。太赫兹技术的各种应用都建立在对太赫兹本身及其与物质相互作用测量的基础上,因此准确的太赫兹参数测量及相关量值溯源是太赫兹应用的技术支撑和保障。介绍中国计量科学研究院在太赫兹辐射参数计量标准研究中形成的测量技术和溯源方法、研制的测量仪器和测量装置、制定的计量校准法规和建立的计量标准装置,对太赫兹辐射时域、频域、空域和强度等参数给出了量值溯源传递图并进行了测量不确定度分析。提出的太赫兹计量方法和标准装置可保障太赫兹技术研究和应用中的量值可靠,也可为其他太赫兹参数的测量提供参考。     

主要抗生素的太赫兹光谱检测与分析研究进展

抗生素具有治疗各种细菌感染或致病微生物感染类疾病的作用,获得主要抗生素的吸收特性可对抗生素添加进行有效的定性定量监测和控制,在医药、畜牧和水产业等领域都有重要意义和使用价值。太赫兹光谱技术作为一种无损、高效、便捷的新型光谱探测技术,在国防安全、信息通信、材料、环境生物医学、农业和食品安全等领域有良好的应用前景。文章介绍了太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)检测系统的组成结构和工作原理,综述了现阶段太赫兹时域光谱技术在常用抗生素方面检测与分析的主要研究进展,重点归纳了β-内酞胺类、氨基糖苷类、四环素类、喹诺酮类、大环内脂类和磺胺类等主要抗生素的太赫兹定性识别与定量分析研究,给出了太赫兹时域光谱技术在主要抗生素检测方面的研究潜力和存在问题,为太赫兹技术未来用于主要抗生素定性定量快速检测仪器设备研发提供参考。     

太赫兹技术在农产品品质检测中的研究进展

农产品质量安全日益受到关注。由于传统检测方法存在耗时长、操作复杂、消耗大量溶剂、成本高等问题,因而迫切需要开发快速无损检测技术。在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的太赫兹波,因其所处波段的特殊性,使其具有了瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等一系列特性,太赫兹技术可以有效反映有机生物分子的结构和性质,作为物质“指纹”谱,该技术逐渐应用于有机生物分子的定性、定量分析,在近红外光谱、拉曼光谱、X射线等众多光谱类快速无损检测技术中成为一种极具竞争力的新兴检测技术。首先介绍了太赫兹波特点,太赫兹光谱及其成像技术原理;其次,在其基础上总结了太赫兹数据处理一般流程及其主要步骤中的常用分析方法,着重对定量、定性分析步骤中模型搭建方法、评估方法、评估指标进行了阐述;再次,讨论了近几年来太赫兹技术在农产品品质检测中的几个关键领域应用和研究进展,具体包括农药残留、抗生素、毒素等微量有害物质检测,掺假、转基因和外源异物的鉴别以及农产品内部营养成分含量预测等;最后,系统探讨了太赫兹技术在农产品品质检测领域尚需解决的问题,以此为导向总结需要进一步加强的研究方向,并对太赫兹技术在农产品品质领域未来发展作出展望。已有研究文献表明太赫兹技术在农产品品质检测领域的有效性。尤其,对非极性物质不敏感的特性,使其对已包装农产品的品质检测与评估具有得天独厚的优势。随着机器学习、强化学习等信息科学技术发展,一方面进一步加强太赫兹数据分析技术研究,通过数据自主学习,从数据角度揭示科学规律,构建精度更高、运算开销更小、实时性更强、泛化能力更好的分析模型;另一方面从分子振动理论出发,结合化学、物理学知识,研究太赫兹光谱特性的形成机理,并将获取的先验知识应用于分析模型的构建,通过数据与机理二者有机结合,提高太赫兹光谱分析软实力。未来硬件系统开发上以便携、低成本、灵敏度高为目标,最终实现太赫兹技术应用从实验室研究阶段逐渐走向商用工程化应用。     

太赫兹超分辨近场成像方法研究综述

受衍射极限的限制,传统太赫兹成像分辨率在毫米量级,无法满足目前前沿研究向微纳米尺度发展的主要趋势。高时空分辨率太赫兹成像技术成为当下太赫兹领域最重要的研究热点之一。近场太赫兹成像技术是实验中将太赫兹成像分辨率提升至微纳米量级的重要方法。介绍了近场太赫兹成像技术的基本原理,详述了多种近场太赫兹成像技术的发展历程与技术路线,从时空分辨能力、频谱分辨能力、成像质量、成像信噪比和适用场景等多个角度分析并总结了各种近场太赫兹成像技术的优势和不足。最后,讨论并展望了太赫兹超分辨成像未来的发展趋势。     

大鼠冲击性脑创伤的太赫兹波成像检测

冲击波造成的脑创伤是目前较常见的致死致残疾病之一,对冲击性脑损伤的检测与分类具有重要意义。基于连续太赫兹波成像系统,对不同程度冲击波致伤的大鼠脑组织进行了连续太赫兹波衰减全反射成像检测,并采用支持向量机(SVM)分类器对不同创伤程度的脑组织太赫兹波成像结果进行分类识别。结果表明,太赫兹波衰减全反射成像技术可以实现对轻度、中度冲击性脑创伤脑部组织的检测。通过SVM分类器对不同创伤程度的脑部组织成像结果进行分类识别,其分类识别准确率可以达到86.36%。太赫兹波成像技术有望实现对不同程度冲击性脑创伤的早期精确检测与诊断。     

牙本质龋的太赫兹成像研究

牙本质龋与牙髓感染状态及活力密切相关,龋损深度则决定临床治疗方案,但目前牙本质龋的检测及诊断方法如：视诊、探诊容易受到主观因素影响;X线辅助检查对龋病灵敏度低等,都有一定缺陷,可靠性及有效性仍有待提高。太赫兹时域光谱可以利用不同的物理参数成像,在牙本质龋在体、无损检测方面有较大应用潜力。为探索牙本质龋损的太赫兹光谱图像开展本研究。实验通过搭建透射、反射式扫描太赫兹平台,对15枚含牙本质龋离体牙磨片扫描,通过数据二维重构,获得了不同参数的太赫兹透射和反射图像,再将太赫兹图像与实验室研究龋病的光镜图像与X线图像对比、拟合并进行光镜下、太赫兹图像下龋损面积评价。结果表明：太赫兹图像与光镜图像相符,较X线图像灵敏度更高。反射模式下由于太赫兹反射信号较弱,使得样品厚度,表面粗糙程度以及系统噪声对实验结果影响较大,图像仅能辨识样本轮廓,不能用于区分牙釉质、牙本质及牙本质龋。透射模式下的频域1.4 THz相位差成像、时域信号最小值对应的时间成像都能区分牙釉质,牙本质和牙本质龋,可以用来鉴别三者,其中最小值对应的时间成像效果最佳。对光镜下测得牙本质龋损面积与太赫兹透射模式下的时域信号最小值对应的时间图...     

太赫兹超材料生物传感器的应用研究进展

太赫兹（THz）波,是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波,在电磁波谱中处于红外与微波之间。太赫兹波的光子能量相对于可见光更低,1 THz对应的能量大约只有4.14 meV,意味着这将大大减少对生物体内组织器官的辐射而引起的伤害,不会对生物分子产生电离。因此,该波段在基础科学、人体安检、危险品检测、高速通信和医学成像等领域具有重要的潜在应用价值。但在医药和生物探测的应用中,通常需要检测微量的分析物,这就需要更高的灵敏度和检测的准确度。但是现存的检测方法受到太赫兹波强度检测可靠性不高的影响。基于超材料的生物传感可以通过增强局域电磁谐振,实现亚波长分辨,大大提高了传感器的分辨率与灵敏度,引起了人们的广泛关注。超材料是一种人工设计的周期性结构,通过合理设计可以增强局域电磁谐振响应,实现亚波长分辨,大大提高传感器的分辨率与灵敏度。太赫兹超材料传感器为生物传感领域提供了一种新的检测方法,具有灵敏度高、响应速度快、无标记检测等优点。随着微纳加工技术的快速发展,制作超材料太赫兹传感器的成本不断降低,从而在生物医学领域具有非常大的潜在应用价值。基于超材料的太赫兹传感器的研究已成为目前一个非常热门的国际前沿方向。但是关于太赫兹超材料传感器的最新研究进展未见报道,为此通过大量搜集并整理相关资料,综述了太赫兹超材料传感器在各种生物探测场景中的最新应用,分别从医学诊断、食品安全、农药检测等方面展开介绍。最后,对太赫兹超材料在生物传感器的发展和应用前景进行了总结和展望。该研究将为人们充分掌握太赫兹超材料生物传感器的最新应用进展提供重要参考,同时为太赫兹超材料传感器的发展和应用提供方向性的指导。     

骨关节炎软骨的近红外光谱学研究及分期诊断

骨关节炎是一种威胁中老年人群公共健康和生活质量的重大医学疾病。骨关节炎的早期病变主要表现在细胞外基质成分含量的变化,患者自身很难发现,现有的临床方法和实验方法也不能较准确地识别骨关节炎的早期病变。近年来,傅里叶变换近红外（FTNIR）光谱技术因为其分析速度快、成本低、易于穿透组织获得样本的光谱信息等特点已被用于手术导航、无损检测和疾病诊断等各个领域。基于以上优势,采用FTNIR技术对不同深度分区（表层区、过渡区、深层区）的健康和骨关节炎的关节软骨进行NIR光谱采集和预处理,结合主成分分析（PCA）和Fisher判别（FDA）分别研究不同的预处理方式对判别结果的影响、不同深度下基质成分含量的变化以及骨关节炎分期识别。比较其他2种（基线校正、二阶导数3次多项式25点Savitzky-Golay平滑）预处理方式,同分区中一阶导数2次多项式21点Savitzky-Golay平滑预处理的判别结果最优,其中表层区的识别率高达95%（初始案例）和90%（交互验证案例）;表层区的判别结果优于过渡区,更优于深层区,恰可证明骨关节炎的早期病变主要发生在表层区。在骨关节炎分期识别中,经数据优化后模型的初始案例识别率为100%,交互验证识别率为93.3%,预测集的识别率为87.5%。结果表明：NIR光谱的一阶导数预处理结合PCA-FDA方法能有效地鉴别关节软骨病变与否并进行骨关节炎的分期诊断,对骨关节炎监测和早期诊断研究具有重要意义,并有潜力应用于骨关节炎的原位分期和早期临床诊断。     

室内人体隐匿物被动太赫兹成像研究进展

太赫兹波由于其极低的光子能量和对非极性物质较强的穿透特性已成为人体隐匿物检测应用的热点。本文以室内人体隐匿物品探测为主要应用背景,简要介绍了太赫兹波段的大气传播特性;重点分析了基于辐射检测的室内被动太赫兹成像原理和系统的关键技术,包括辐射计和阵列扫描方式等;回顾了国内外被动太赫兹成像技术在人体安检领域的研究现状。综合考虑系统成本和成像时间,一定数量的高灵敏度辐射计加上扫描机构成像的方式在未来很长一段时间里将是被动太赫兹成像系统的主流方式。     

基于双阈值canny均衡化算法的太赫兹图像增强

存在于微波与远红外之间的太赫兹波,因其无损害,稳定性高等独特性质使太赫兹光谱与成像技术在近几年来得到了迅猛的发展。太赫兹波独有的无损伤检测特性,在安全检测方面具有良好的发展前景,获得广大学者的研究和关注。经过太赫兹成像系统获得的太赫兹图像,虽然可以识别出隐藏的武器或其他金属制品,但是太赫兹图像的对比度和清晰度均较差,不能完全符合人眼的视觉效果,也不利于机器识别。目前,对太赫兹图像质量的提高和改善,成为太赫兹成像技术长远发展和广泛应用的关键问题。实验采用太赫兹波投射式成像系统对藏于物体中的金属心型吊坠和金属箭头进行成像,扫描步长0.5 mm,由于太赫兹光源大,能量起伏等系统缺陷,以及外部环境的复杂与干扰,导致成像所得图像均有背景噪声严重,边界模糊等问题,成像质量较差。提出一种基于双阈值的canny均衡化太赫兹图像增强算法,根据太赫兹图像自身性质限制,确定阈值和对图像均衡化的范围,实现图像降噪并引入双阈值canny算法和梯度幅值算法,使图像的对比度和清晰得到整体提高,并保留和突出太赫兹图像的细节信息,获得高分辨率、边缘清晰的图像。实验表明该算法对太赫兹图像具有良好的降噪效果,能够保留图像细节信息,图像对比度和图像质量得到增强和提高,同时增强了太赫兹成像技术对隐藏缺陷或隐藏物体的辨别能力和透视能力,为其在安检应用方面提供必要保证。     

基于THz-TDS的陶瓷纤维复合材料缺陷检测分析

新型陶瓷纤维复合材料由短切氧化硅纤维及其胶合物经高温烧结得到的一种轻质多孔材料,材料微观结构特性直接影响着宏观结构特性和功能特性.该类材料的孔隙度分布在84％ ～95％ 之间,微观孔径主要集中在100μm范围内,偶尔有少量纳米孔.陶瓷纤维复合材料以其耐高温、低密度、高比强和抗烧蚀等优异性能在超高声速飞行器外层隔热部件得...     

基于微流控技术的磁流体载基液的太赫兹透射特性研究

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10 THz的电磁波,其波长在30～3 000 μm范围内。由于自然界许多小分子的振动、转动等的频率均在太赫兹波段,并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、生物医学等领域。但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的,因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料：磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料,其打破了传统磁性材料的固体形态。磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应,而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率;另外,在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗,可作为靶向治疗的载药系统。由于磁流体的组成部分-载基液成本较高,因此在实验中运用了微流控技术。微流控技术对检测样品的消耗少、检测速度快,并且可以根据实验需求自行设计沟道,因此是一种便捷的、灵活性好的检测方式。采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片,再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式,形成2 cm×2 cm的方形区域,然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合,其沟道厚度为50 μm,可以用于对少量液体的探测,并且可以使载基液呈薄膜状。之后将太赫兹技术和微流控技术相结合,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性,通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现,装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片,这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。     

太赫兹时域光谱在邮件隐匿危险品检测中的应用

随着电子商务的快速发展,邮件数量剧增,在邮件中隐匿危险品已经成为犯罪分子重要的犯罪手段,威胁公共安全和社会稳定。邮件的安全检查变得尤为重要,而常规的检测技术不能准确识别危险品。太赫兹波是介于红外和微波之间的电磁波,邮件中隐匿的爆炸物、毒品和有害生物因子等在太赫兹波段存在特征吸收光谱,而邮件常用的非极性包装材料可以被太赫兹波穿透。太赫兹波还具有低能性、相干性等特性,这些特性使得太赫兹技术可以实现邮件隐匿危险品高灵敏度的无损检测。文章介绍了太赫兹技术的特性,太赫兹时域光谱系统的组成和获取光学常数的菲涅尔公式解析法。该方法通过样品透射或反射信号和参考信号来获取包括吸收光谱在内的材料参数。将样品的太赫兹特征吸收光谱和已建立的各种危险品的光谱特征数据库进行比对,可以判断是否为危险品以及危险品种类。对爆炸物、毒品在太赫兹波段的特征吸收光谱的研究成果,及在各种非极性材料遮挡下吸收光谱的特异性的研究进展进行了总结。获取吸收光谱的解析法适用于较厚样品,针对薄样品,还介绍了一种P-谱法。该方法不需要参考信号就能准确获取覆盖物下样品的吸收光谱。除直接利用吸收光谱做检测外,近些年还提出了很多其他识别危险品的方法,如光谱动力学分析法,化学计量学方法和基于太赫兹时域光谱的成像分析法等。其中,光谱动力学分析法可以很好的区分吸收频率有重叠的物质;化学计量学方法可以对混合物进行成分的定性和定量分析;光谱成像法可以完成较大面积的隐匿危险品识别。分析了太赫兹时域光谱技术识别有害生物因子的可行性,以及针对有害生物因子携带量小的特点,总结了太赫兹时域光谱技术在提高生物因子检测灵敏度方面的研究进展。探讨了太赫兹技术在邮件安检应用中一些有待解决的问题,如太赫兹功率有限、受环境因素影响较大、缺乏统一的标准等,展望了未来的发展趋势。