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的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

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。     

亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

太赫兹技术及其在国防与安全领域的应用

<正>太赫兹波是指频率介于0.1~10THz之间的电磁波,其波长范围为0.03~3 mm。太赫兹波在电磁波谱中的位置位于微波和红外辐射之间(如图1所示)。由于太赫兹波直接以其频率范围命名,实际上在低频波段与微波重合,在高频波段与红外重合,与之相应,其研究手段也由电子学理论逐渐过渡为光子学理论。所以太赫兹波是宏观电子学与微观光子学的交叉融合区域。     

太赫兹时域光谱技术应用研究进展

随着光子技术和材料科学技术的进步,太赫兹波技术得到了突破性的发展,太赫兹技术的应用研究也迅速扩展到了越来越多的领域。本文介绍了本研究组在太赫兹时域光谱仪软件开发和太赫兹光谱技术应用方面的研究进展。主要包括:太赫兹时域光谱仪操控软件的开发;太赫兹光谱数据库开发;太赫兹光谱智能解析软件的开发;太赫兹光谱技术用于妇科癌组织诊断;太赫兹光谱技术用于中草药大黄的品质鉴定;太赫兹光谱技术用于食品中农药含量分析;太赫兹光谱技术用于同分异构分子分析等。并对实际应用的有关问题进行了讨论。     

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。     

基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法研究

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法,已经被广泛应用于物质成分的测定,而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景,例如片剂药品的有效成分检测、行李安检的危险物品检测等。现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术（THz-TDS）和频域光谱技术（THz-FDS）均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间;且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间（取决于光谱仪的结构）,这对多像素成像系统显得过于迟缓,更无法达到视频成像的速率需求,严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像,只能反映样品的空间分布信息,并不能反映出样品的光谱即成分信息。因此,对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切,太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时,还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法,在设计了该方法装置结构的基础上,理论分析了其工作过程,同时进行了太赫兹光谱的计算。然后从数据采样、数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析,计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。最后,对该方法建模进行仿真研究,模拟实现其完整的探测过程。在仿真研究中,以太赫兹辐射源的频谱分布为例,将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术（THz-TDS）测试结果进行了对比,结果表明时域光谱技术（THz-TDS）所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线,两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。总之,该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测,且在保证分辨率相同的前提下,较时域光谱技术（THz-TDS）显著加快了成谱速率,为实用、高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。     

太赫兹成像技术的进展

近年来随着光子技术和微电子技术的快速发展,太赫兹成像的应用领域越来越广泛,并在药品食品监测、生物医学成像、器件非接触无损检测、文物艺术品研究等领域取得了不错的成果。从太赫兹波的独特性质开始,总结了相比微波和X射线,太赫兹波在成像方面的优越性能。接着从光源方面,对太赫兹连续波成像和太赫兹脉冲波成像进行了比较,包括系统原理、成像特性以及各自优缺点等方面。之后,针对太赫兹成像技术二十年间的发展,本文重点回顾了太赫兹时域光谱成像技术、焦平面阵列探测成像技术、近场成像技术以及亚采样压缩感知成像技术四种方式,并对其基本原理和发展趋势进行了分析。其中,太赫兹时域光谱技术部分以经典的反射式光谱成像系统为例,重点介绍了光谱成像的基本原理、技术发展趋势及其在制药领域的实用案例,并在此基础上介绍了太赫兹源和太赫兹探测器两种成像关键器件的工作原理。焦平面阵列探测成像技术共介绍了CCD型、 Microbolometer型以及CMOS型三种目前较为成熟的面阵相机。近场成像技术分为孔径成像和尖端散射两大成像类型进行介绍,总结了包括近场照明模式、近场收集模式孔径成像技术以及激光太赫兹发射显微镜和扫描隧道显微镜两种典型的尖端散射近场成像技术,内容涉及系统工作的基本原理、当前研究的进展以及该技术在目前的发展中仍然存在的问题。最后一部分对比太赫兹光谱成像技术使用的光栅扫描采样方式,介绍了能够降低系统采样率的压缩感知成像方法。文中主要分析了光调制器作为亚采样关键器件的改进优化过程,以及研究人员对相关算法的改进。     

用太赫兹时域光谱法检测沙粒中的微量原油

由于太赫兹波对极性物质有很高的灵敏度，因此可以利用太赫兹时域光谱技术检测沙粒中含有的微量原油。将微量的原油浓度与太赫兹衰减系数之间建立起线性模型。同时引入有效介质理论来证实太赫兹介电常数与原油含量低于200 ppm之间的线性关系。结果表明，太赫兹时域光谱技术可以成为检测沙粒中微量原油泄漏的有效方法。     

太赫兹波的“半波损失”现象

半波损失是大学物理教学中比较重要且抽象的概念,本文通过太赫兹光谱技术对石英比色皿进行测试直观地观测到半波损失现象。太赫兹波在空比色皿中经过多次反射后会产生半波损失现象,太赫兹时域光谱能够观测到太赫兹波的相位信息,从而观察到太赫兹波的半波损失现象,并经过多种比色皿测试得以证明。本文研究了太赫兹波的这一频段的物理特性,使得太赫兹技术可作为对半波损失现象直接观测的有效手段,值得在大学物理及实验教学中应用。     

超大长宽比U型开口谐振器的太赫兹调控特性

近年来,金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值,及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用,引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构,利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析,讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种U型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上,从而实现了太赫兹的异常透射现象,这种超大长宽比的U型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

火山岩的反射式太赫兹光谱成像实验研究

通过反射式太赫兹光谱成像系统获得火山岩表面的太赫兹时域光谱.提取火山岩不同位置扫描点的太赫兹时域光谱峰值,并与扫描点的位置坐标进行一一对应,得到反射式光谱投影图像.实验结果表明:在火山岩的孔隙处太赫兹波发生散射及衍射效应,孔隙处比其他处有更多损耗,太赫兹反射波的强度相差较为明显,因此可以利用反射式太赫兹光谱成像技术表征火山岩的孔隙形状和分布.     

强场宽带太赫兹波辐射的研究进展

太赫兹光谱分析和检测技术在材料特性研究、医学诊断、环境监控等方面具有广阔的应用前景。目前高性能太赫兹源的缺乏是太赫兹光谱检测和成像技术发展缓慢的制约因素之一。因此,强场宽带太赫兹源的开发一直是太赫兹领域的研究重点。综述超快飞秒激光脉冲驱动下强场太赫兹波辐射的研究进展,详述激光激励金属纳米薄膜、气体和液体中等离子体辐射宽频强场太赫兹波的现象和物理机制,并比较了各种强场太赫兹产生方法的特点和优缺点,最后讨论基于超快激光激发物质产生太赫兹波的发展前景及所面临的挑战。     

基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究

叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一。太赫兹波处于红外和微波之间,对样品水分变化非常敏感,当太赫兹光谱穿透含水丰富的叶片时,叶片中水分等物质能对太赫兹光谱产生强烈的吸收,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹光谱技术对植物叶片进行成像。本研究利用太赫兹技术检测植物叶片的水分含量,初步探讨植物叶片中水分和太赫兹成像的相关关系。实验采集离体绿萝叶片,每隔一定时间通过太赫兹光谱仪对叶片逐点扫描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获取植物叶片的二维图像。结果表明,不同频率下,绿萝离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据图像,能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含量差异。通过叶片时域幅值的平均值、叶片频域平均值与叶片水分含量建立相应的回归模型,时域最小幅值光谱与水分含量建立的最佳模型预测相关性达0.989 1,预测均方根误差为0.024 4 g。研究表明太赫兹技术用于植物叶片的水分含量检测具有较好的研究潜力。     

基于太赫兹时域光谱技术的红木分类识别

提出了一种利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）进行红木分类识别方法。红木价格昂贵,同时由于种类繁多难以识别,导致红木市场以次充好,以假乱真的现象层出不穷,严重扰乱了市场秩序,给生产者和消费者造成巨大的经济损失,传统的红木分类识别方法难以兼顾准确性和快速性,因此需要研究一种新的方法对现有木材分类识别方法进行补充和发展。相比于传统方法,太赫兹波对红木具有良好的穿透性及指纹特性,在红木的分类识别中有较大的应用潜力。选用5种红木（巴里黄檀、奥氏黄檀、大叶紫檀、小叶紫檀、交趾黄檀）作为试验样品木材。利用THz-TDS系统得到木材的太赫兹时域光谱,通过对五种木材的太赫兹时域光谱进行快速傅里叶变换,得到木材太赫兹频域光谱,并对太赫兹时域光谱提取光学参数,分别得到木材的太赫兹折射率谱和吸收系数谱,结果表明不同种类的木材在时域光谱上具有时间延迟线与振幅的差异,在频域光谱上显示衰减趋势及幅值各不相同,在吸收系数谱中各种类红木吸收峰出现的频段不同,能够直观地展示出各种类木材之间的区别,表明THz-TDS进行红木分类识别具有一定的可行性。利用连续投影算法（SPA）提取吸收系数谱和折射率谱的特征频率,对吸收系数谱260个频率点筛选出28个特征频率点,频段占比10.77%;对折射率谱260个频率点筛选出12个特征频率点,频段占比4.62%。分别建立基于吸收系数谱和折射率谱的随机森林分类模型和支持向量机（SVM）红木分类模型,并对各模型分类结果进行对比。实验结果表明,THz-TDS具有良好的木材识别效果,基于木材太赫兹吸收系数谱和折射率谱建立的随机森林分类模型对红木种类有着较好的分类性能,总体分类准确率分别达到了94%和96%,能够准确对红木种类进行分类识别。利用太赫兹时域光谱技术实现了红木的分类识别,为红木的分类识别提供了一个新的思路和技术方案,能够作为近红外光谱木材检测方法的补充,同时为太赫兹技术在木材分类识别领域的应用提供了理论基础。     

L-天冬酰胺及其一水合物的太赫兹光谱研究

本文利用太赫兹时域光谱技术测量了室温条件下无水L-天冬酰胺与L-天冬酰胺一水合物的光谱特征,发现二者存在显著的差异,并利用太赫兹时域光谱技术实时检测L-天冬酰胺一水合物受热脱水的动态过程.结果表明太赫兹波对晶体结构变化、含结晶水状况以及分子间弱相互作用敏感.结合差示扫描量热法与热重分析联用、傅里叶变换红外光谱、粉末X射线衍射等多种技术分别从热学性质、分子振动等方面进行了表征,进一步确认了太赫兹实验结果的可靠性.采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)下的PBE交换-关联泛函,对L-天冬酰胺一水合物进行模拟计算,对实验所得太赫兹光谱与分子结构以及相互作用间的关系进行了讨论分析.