太赫兹技术在生物医学中的应用

陈小婉，蒋林华

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院， 上海 200093)

生物医学是包含医学影像、基因芯片以及纳米技术等领域的前沿交叉学科[1]，生物医学的研究内容极其广泛，包括医学微生物学、临床应用、组织病理学等方面。生物医学与生命科学有着较强的关联性，对人类的可持续发展有着重要的意义，因此对生物医学的研究和探索具有十分重要的意义[2]。太赫兹(terahertz，THz)是介于微波和红外区域之间的电磁波，频率范围为0.1～10 THz。近年来，随着THz辐射源和探测技术的进步，THz技术得到了飞跃的发展。由于分子间弱相互作用力，如分子的旋转、晶体的振动、氢键等处于THz波段，因而THz在研究生物分子的结构方面存在一定的优势。

随着社会文明的进步，人类对于疾病诊断的需求越来越迫切，传统用于生物医学的诊断方法如红外光谱、X射线和核磁共振均存在诊断效率低、诊断能力有限等缺点。THz技术依靠其自身的优势，在生物医学领域正在发挥越来越重要的作用。目前，THz技术在生物医学中的应用主要包括以下几个方面：1)通过获取待测物质的THz谱图，利用光谱特征信息对生物分子进行识别和分类；2)利用THz成像采集肿瘤等组织图像，为进一步治疗提供依据[3]；3)THz生物效应的研究仍处于探索阶段，主要研究THz是否对机体组织和细胞造成影响。

随着THz光谱学的进步，THz技术在生物医学中的应用取得了很大的进展。本文介绍的内容分为以下几个方面：THz技术的概述和THz技术常用的仪器；THz技术在2010年至2019年期间在生物医学领域中的应用的总结；化学计量学方法的基本介绍及其与THz技术结合的应用；THz技术的不足以及进一步研究方向的简要讨论。

1 太赫兹技术

1.1 太赫兹光谱技术

1.1.1 太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱系统(terahertz time domain system，THz-TDS)通过光电导工具获取样本的振幅和相位信息，利用傅里叶变换获取样本的吸收系数、折射系数等光学参数。THz-TDS一般由飞秒激光器、THz产生装置、THz探测装置以及时间延迟控制装置组成[4]。根据测量装置的不同，THz-TDS可分为反射式和透射式。它的基本工作原理是：飞秒激光器发射的光束经过分光镜后分为泵浦光和探测光，泵浦光入射到THz波产生装置后,经过延时系统产生THz脉冲。探测光和THz脉冲同时入射到探测装置中，确保了THz探测器的工作，最终通过计算机获取THz范围的时域谱图。

图1 太赫兹时域光谱系统原理图[5]Fig.1 Schematic diagram of THz time-domain spectroscopy system[5]

1.1.2 傅里叶变换红外光谱

通过比较不同频段的信噪比发现，THz-TDS与傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)相比，在3 THz以下检测优势较为明显，而FTIR的优势则处于3～10 THz区间[6]。典型的FTIR主要由红外光源、干涉仪、样品腔、探测器和计算机构成。FTIR的工作原理是：碳硅棒发出连续波长的红外光作为光源，红外光通过凹面镜后转变为平行光，进入迈克尔干涉仪后变为干涉光，干涉光通过反射器后以聚焦光的形式进入样品腔内，聚焦光通过样品后产生的光束进入探测器中，探测器最终将信号传输给计算机[7]。

1.2 太赫兹成像技术

太赫兹成像技术是利用样品的反射或者透射信息分析后得到THz图像。常规的THz成像系统主要由光源、THz光学系统、THz探测器、数据采集系统以及计算机系统组成。THz成像按照THz波的形式可以分为脉冲THz成像和连续波THz成像。脉冲THz成像的工作原理是：检测元件将包含位置信息的THz信号转换成电信号，电信号通过图像处理单元转换成图像，最后将这些信息积分后得到样品的二维图像[8]。与传统成像技术相比，THz成像技术具有更高的空间分辨率和穿透性，可用于非透明材料的识别与成分分析，同时可以实现样品的无损检测[9]。

1.3 新兴技术

1.3.1 太赫兹微流控芯片

近年来，THz结合传感器的应用也引发了广泛的关注。例如，Serita等[10]提出一种将THz与微流控芯片相结合的非线性光学晶体，可用于液体溶液的定量测量。该芯片由THz辐射源、单个微通道和几个原子阵列组成。这项技术的引入使得通过少量体液检测癌症、糖尿病等疾病成为可能，同时可以减少患者在诊断过程中的痛苦。

图2 微量溶液试验的几何示意图(a)和微流控芯片的光学显微镜图(b)[10]Fig.2 A schematic drawing of experimental geometry of trace amounts of liquid solution(a) and an optical microscope image of fabricated microfluidic chip(b)[10]E：电场方向E:The direction of electric field

1.3.2 散射型扫描近场太赫兹光谱

THz-TDS主要针对透镜的远场检测，其远场成像分辨率较低，无法满足纳米级别的生物分子的特征检测。但是，Huber等[11]发现了散射型扫描近场太赫兹光谱(scattering-type scanning near-field THz spectroscopy，S-SNTS)检测纳米半导体的可行性。杨忠波等[12]发现S-SNTS可以实现纳米量级光学空间分辨率的指纹检测，尤其是纳米级别生物大分子检测方面的潜力。

2 太赫兹技术在生物医学领域的应用

2.1 太赫兹表征技术的进展

2.1.1 太赫兹光谱技术的应用

2.1.1.1 氨基酸和多肽

近年来，在氨基酸和多肽的太赫兹吸收特征的研究上取得了一些成果。Zhang等[13]利用THz-TDS获得室温下L-丙氨酸在0.5～4.0 THz内的THz谱图，结果表明，分子间振动是形成L-丙氨酸光谱特征的主要原因。此外，由于某些氨基酸异构物有相同的光谱特征，不能通过光谱准确识别，因而Huang等[14]结合THz-TDS和FTIR检测亮氨酸和异亮氨酸在0.1～10 THz范围的吸收光谱，发现在中红外光谱范围内亮氨酸和异亮氨酸的光谱存在显著差异。Yu等[15]尝试利用THz-TDS获取不同环境温度下L-天冬氨酸、L-半胱氨酸、L-丙氨酸和L-酪氨酸的光谱特征，通过试验发现随着环境温度的降低，样品的吸收峰向更高的频率移动，并出现新的吸收峰。此外，Liu等[16]利用THz-TDS采集了丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸以及缬氨酸在0～3.0 THz的光谱图，研究发现对映异构体和外消旋化合物虽然具有相似的结构，但是它们的吸收光谱存在明显差异。

图3 不同氨基酸的THz吸收光谱图[16]Fig.3 The THz absorption spectra of different amino acids [16](a)缬氨酸；(b)丙氨酸；(c)亮氨酸；(d)蛋氨酸 (a)Valine;(b)Alanine;(c)Leucine;(d)Methionine

2.1.1.2 DNA

脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)作为一种生物大分子,具有遗传洞察力，能够指导生物发育和生物功能。由于DNA的能量特征位于THz波段，所以THz可以直接检测DNA的变化[17]。目前，THz技术在DNA领域中也取得了一定的进展。闫慧等[18]利用THz-TDS获得了0.1～3.5 THz范围内胞嘧啶和胸腺嘧啶的吸收谱，结果表明，胞嘧啶分子在试验检测范围内吸收谱特征是由分子间氢键主导的外部振动模式决定的。王芳等[19]利用THz-TDS和FTIR测量了5种DNA在0.5～2.5 THz范围内的吸收光谱，结果表明同源物种DNA的THz吸收光谱形状相似且存在较多相同位置的吸收峰。最近，Tang等[20]将THz技术和微观结构结合检测DNA寡核苷酸，发现4种寡核苷酸在共振频率范围内红移现象存在很大的不同，上述结果表明THz光谱技术在检测和诊断基因突变方面有着很大的潜力。Zhang等[21]将微流控芯片与THz技术结合获取线性单链DNA的THz吸收特征，为获得溶液中生物分子的THz光谱提供了一种新的技术。

图4 不同DNA的THz光谱图Fig.4 The THz spectra of different DNA(a)2’-脱氧胞嘧啶核苷酸和5-甲基胞苷的THz吸收谱[17]；(b)TE缓冲液、质量浓度为0.92 μg/μL和0.23 μg/μL的ssDNA的THz透射谱[21](a)The THz absorption spectra of 2’-deoxycytidine and 5-methylcytidine[17];(b)The THz transmission spectra of the TE buffer, the ssDNA at 0.92 μg/μL and the ssDNA at 0.23 μg/μL[21]

2.1.1.3 蛋白质

蛋白质是一种以氨基酸为基本单位的生物大分子，是生命的物质基础。Tych等[22]利用THz-TDS获取蛋白质晶体在0.3～6.0 THz范围的吸收谱，发现吸收系数降低的原因主要是蛋白质晶体的脱水。Png等[23]采用THz-TDS和远红外光谱技术对溶菌酶纤维、胰岛素纤维和牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)纤维进行追踪，结果表明不同成熟纤维具有不同的吸收特征，散射并不是造成此现象的唯一原因。Penkov等[24]通过THz-TDS获得BSA在1.2～120 cm-1范围内的光谱图，并通过光谱图计算出BSA的介电常数。此外，Han等[25]还通过试验得出，依据THz透射谱获取的折射率信息可以区分不同类型的蛋白质，同时佐证了THz-TDS可作为一种无标签方法来检测生物大分子。Zang等[26]探索发现THz光谱可以反映出蛋白质在温度、pH影响下发生的变性行为，证实了THz光谱可以识别出胃蛋白酶溶液因环境因素引起的蛋白质药物折叠或展开现象。

图5 不同蛋白质的THz光谱图Fig.5 The THz spectra of different proteins(a)溶菌酶纤维[23]；(b)BSA纤维[23]；(c)胰岛素纤维[23]；(d)不同温度的胃蛋白酶[26]；(e)不同pH条件的胃蛋白酶溶液[26]；(f)鸡蛋清溶菌酶晶体[22](a)Lysozyme fibrils[23];(b)BSA fibrils[23];(c)Insulin fibrils[23];(d)Pepsin at different room temperature[26];(e)Pepsin solutions under different pH[26];(f)Hen egg white lysozyme crystals[22]

2.1.2 太赫兹成像技术的应用

2.1.2.1 癌症的检测

目前，癌症早期检测尤其是深部肿瘤的检测效果不佳。研究人员将THz成像技术应用到早期癌症的检测已经取得了不小的成果。如Sim等[27]通过THz成像技术对口腔癌组织在0.2～1.2 THz范围内进行研究，发现THz成像技术对口腔癌细胞的检测比组织学检测更为敏感。Rahman等[28]结合THz扫描反射仪、THz三维成像、THz-TDS将基底细胞癌(basal cell carcinoma，BCC)与健康皮肤样本进行比较，研究发现BCC呈现出不规则细胞模型，健康细胞则显示出规则细胞模型。此外，Cheon等[29]研究发现，利用THz显微成像技术获取浅表软组织肿瘤的指纹谱在癌症早期检测中发挥着重要的作用。近年来，脉冲THz成像被用于鉴别小鼠乳腺癌组织，该技术在鉴别肿瘤组织和脂肪组织中具有较高的准确度。此外，利用THz成像技术对癌症组织的鉴定结果可以辅助校正病理学结果[30]。Yeo等[31]通过THz成像技术研究人体肺部和小肠的恶性肿瘤的组织形态，发现THz成像技术可以辅助内窥镜进行临床诊断。

2.1.2.2 其他方面的应用

THz成像技术不仅可以应用于癌症的检测，而且在诸多领域发挥着重要的作用。Arbab等[32]利用THz技术根据烧伤创面的厚度判定可自愈和需要手术治疗的创面。Baughman等[33]将THz成像应用在骨组织的研究中，发现福尔马林的使用会削弱受伤和未受伤骨组织的差异。此外，Karagoz等[34]利用THz成像技术诊断龋齿，试验结果表明，依据不同区域对THz的吸收速率不同可以区分健康牙齿和龋齿，同时，THz成像技术还可用于牙体疾病和牙体结构缺陷的早期诊断。此外，Lee等[35]通过THz成像重点研究了器官的含水量问题，通过THz获取的吸收系数用来测定器官的水分含量。

图6 不同癌症组织的THz图像Fig.6 THz images of different cancer organizations(a)6个口腔肿瘤样本[27]；(b)新鲜切割和石蜡包埋的小鼠乳腺癌样本[30]；(c)体内和体外肿瘤组织[29]；(d)石蜡包埋的肺部肿瘤组织[31]；(e)石蜡包埋的小肠肿瘤组织[31](a)Six oral tumor samples[27];(b)Freshly excised and formalin-fixed, paraffin-embedded (FFPE) breast cancer samples[30];(c)Tumors in vivo and ex vivo[29];(d)The FFPE lung tumor tissue[31];(e)The FFPE small intestine tumor tissue[31]

图7 不同应用领域的THz图像Fig.7 THz images in different application fields(a)THz重建图像[33]；(b)动物器官的THz图像[35](a)THz reconstructed images[33];(b)THz images of animal organs[35]

2.2 生物效应的应用

针对THz表征技术的研究越来越广泛，但是关于THz生物效应的研究进展则相对落后。现阶段，THz生物效应的研究主要集中在THz辐射对生物体、组织、细胞的影响上。为研究THz辐射对哺乳细胞的影响，Williams等[36]观察了在THz辐射下人的角膜上皮细胞、视网膜色素上皮细胞以及胚胎干细胞的形态和生命活动，试验结果表明,THz辐射对上述细胞的重要生命活动没有影响。 Wilmink等[37]研究THz辐射和高温对人真皮纤维细胞的影响，发现2.52 THz辐射下哺乳动物细胞产生的生物效应主要是热效应。Jo等[38]以小鼠为研究对象，将小鼠的皮肤在THz光束下照射1 h，对比小鼠的组织学和分子生物学结果发现，在小鼠的皮肤表面，THz辐射会在分子水平上产生生物效应，引发明显的组织学变化。Bogomazova等[39]则将目光转向了生物效应的非热效应上。他们将THz辐射下的人胚胎干细胞(human embryonic stem cells，hESCs)与未被辐射的hESCs进行了比较，发现试验组与对照组没有明显差异，说明THz辐射对hESCs没有明显损伤。近年来，更多的研究人员开始关注温度对THz辐射的影响。如Franchini等[40]将成人成纤维细胞在20 ℃环境中暴露在0.15 THz辐射下，试验结果表明，THz辐射会影响成人成纤维细胞基因组的完整性。

3 化学计量学方法及其应用

为了提高数据处理的效率，化学计量学方法常被广泛用于去除光学参数中的一些无关信息。目前，化学计量学方法主要用于光谱预处理和多元分析两个方面[5]。常见的化学计量学方法主要包括主成分分析(principal component analysis，PCA)、人工神经网络(artificial neural network，ANN)、支持向量机(support vector machine，SVM)、偏最小二乘算法(partial least-square method，PLS)、最小二乘支持向量机(least squares support vector machine，LS-SVM)以及线性判别分析(linear discriminant analysis，LDA)。不同的方法可以实现不同的处理效果，如PCA可以简化数据模型，提高数据分析的效率；SVM在处理小样本、非线性数据上占据着优势；PLS则善于分析高维数据。此外，还有一些化学计量学方法应用于光谱数据分析，如决策树(decision tree，DT)、遗传算法(genetic algorithm，GA)、聚类分析(cluster analysis，CA)、随机森林(random forest，RF)、偏最小二乘判别分析(partial least squares discrimination analysis，PLS-DA)等。

在THz技术应用在生物医学领域的过程中，化学计量学方法的使用不仅可以加快数据处理的速度，还可以提高数据分析的精度。如Qi等[41]利用THz-TDS结合PLS-DA、SVM实现对宫颈癌的快速诊断。PLS结合SVM被应用在三元氨基酸的定量分析中，试验结果表明，SVM结合乘法散射校正(multiplicative scatter correction，MSC)是识别L-谷氨酸、L-谷氨酰胺和L-酪氨酸三元混合物的最佳模型[42]。Zhang等[43]将DT、SVM和RF结合，加快了传统中草药的鉴别效率。此外，利用SVM对THz成像技术获取的图像进行分类，有效提高了对浸润性乳腺癌的识别精准度[44]。Wang等[45]结合PCA、LDA和SVM对大黄样品进行定性分析，为大黄样品的鉴定提供了一个更准确、无污染的方法。Sterczewski等[46]采用PLS、PCA辅助研究了THz光谱与药物的分子描述符之间的关系。Zou等[47]将THz光谱与PCA结合分析小鼠和恒河猴大脑中的髓磷脂缺乏程度，试验发现该技术可以更为有效地区分髓磷脂缺乏和正常的大脑组织。Nowak等[48]利用THz结合核支持向量机(kernel support vector machine，KSVM)识别杂环化合物，大大降低了测试成本。

4 总结与展望

本文着重介绍了THz技术在生物医学领域的应用。整理相关研究发现，THz光谱技术能够高效、准确地对蛋白质、DNA等生物大分子进行识别和分类，THz成像技术在癌症检测、龋齿的治疗等方面也取得了良好的效果。但是，THz生物效应的研究相对滞后，目前的研究仍然主要集中在THz辐射的安全性领域。

虽然THz技术在生物医学领域取得了一定的成就和突破，但仍然存在一些不足之处，需要在未来的研究中加以解决，具体分为以下几个方面：1)相对于THz技术，对THz辐射的生物效应，特别是非热效应的研究相对较少，在下一步研究中我们需要更关注THz生物效应方面；另外，HTz技术对生物医学领域的贡献还有待进一步探索；2)为了消除水分对THz辐射的吸收所带来的影响，在试验环境中通常需要额外的干燥技术，但是生物样本中含有大量的水分，在干燥过程中会造成试验结果的不准确，该问题需要进一步探索解决；3)物质的识别主要通过其在THz区域的特征峰来判定，为了提高识别效率和精度，进一步建立和完善THz指纹图谱库是十分必要的。

THz技术在生物医学领域的应用为科研和工业带来了巨大的效益。随着THz技术的发展，该技术必将在生物医学领域取得重大突破，为人类健康做出更大的贡献，相信在不久的将来，THz技术一定会在更多领域带来令人瞩目的成就。