第26卷 第6期 电子测量与仪器学报 Vol. 26 No. 6 2012年6月
JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT
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本文于2012年3月收到。
*基金项目: 国家自然科学基金(60977064); 天津市应用基础及前沿技术研究基金(10JCYBJC01400)。
DOI: 10.3724/SP.J.1187.2012.00471
太赫兹科学技术在生物医学中的应用研究*
何明霞1, 2 陈 涛1, 2
(1. 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072; 2. 天津大学 太赫兹中心, 天津 300072) 摘 要: 介绍了近十年来国内外太赫兹科学技术在生物医学领域的研究与应用进展。重点总结了太赫兹辐射的生物效应、太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术, 在生物医学领域的研究与应用的3个大类的成果。有关太赫兹辐射的生物效应, 分不同频率、不同功率和不同辐射时间下样品的生物学反应来介绍。又根据探测样品属性不同分为生物体、生物组织、生物细胞、生物细胞器和生物大分子等6个层次的内容。充分论证了太赫兹科学技术对生物医学的安全性和适用性。由于太赫兹光谱包含丰富的生物分子及分子间的组成信息和构象信息, 在生物医学领域的研究与应用最多。对不同生物大分子的太赫兹特征频谱进行了解读, 对太赫兹光谱技术的应用进行了梳理, 目的为让更多的人了解太赫兹科学技术的优越性和应用前景。在太赫兹波成像技术方面, 总结了其在癌变组织诊断、皮肤烧伤探测等方面的研究应用。为使迷人的太赫兹波科学与技术更好的服务于人类, 尝试较为全面地对太赫兹科学技术在生物医学领域取得的研究成果进行归纳与总结, 同时也探讨了现阶段在生物医学领域所存在的不足, 以及今后努力的方向。
关键词: 太赫兹辐射; 生物效应; 太赫兹光谱; 太赫兹成像; 生物大分子; 医学检测 中图分类号: TN29 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 510.20
Application of terahertz science and technology in biology and medicine research
He Mingxia 1,2 Chen Tao 1,2
(1. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China;
2. Terahertz Center, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: The overview of research and applications about terahertz science and technology in the biomedical field over the last decade home and abroad is introduced. The results of three major categories of research and application in-cluding biological effects of terahertz radiation, terahertz spectroscopy and terahertz imaging technology are summarized. According to the properties of test sample, 6 contents about organism, tissue, biological cells, biological organelles and biological macromolecules etc. are respectively introduced. The safety and applicability in biology and medicine of tera-hertz science and technology are fully demonstrated. Terahertz spectra contains a wealth of biological molecules, molecu-lar composition and conformational information used for research and applications in the biomedical field. This paper de-scribes the characteristics of terahertz spectrum of different biological macromolecules different interpretations, and the application of terahertz spectroscopy, in order to let more people understand the advantages and application prospects of terahertz science and technology. Also the paper summarizes the research application of terahertz imaging technology in cancerous tissue diagnosis, skin burns detection etc. We try a more comprehensive induction and conclusion of terahertz science and technology in the field of biomedical research achievements, but also discuss the shortcomings, as well as the direction of future efforts, so as to the terahertz science and technology serves to humanity better.
Keywords: terahertz radiation; biological effects; terahertz spectroscopy; terahertz imaging; biological macromo-lecules; medical testing
1 引 言
太赫兹波(Terahertz Waves, THz), 也称作T 射线,
通常是指频率范围在0.1~10 THz, 波长在3~0.03 mm (1 THz = 1012 Hz) 之间的电磁波。自20世纪70年代
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首次提出后, 在相当一段时间由于缺少相应的发射和探测技术一直被称作“THz空隙”[1]。20世纪80年代随着技术和材料的发展, 尤其是超快激光技术和半导体材料科学技术的发展, 为太赫兹电磁波的产生和探测提供了有效途径。在很多领域, 如生物学、医学、化学、农学、天文学、国防安全和通信等, 掀起了一股太赫兹研究应用的热潮, 至今方兴未艾[2-3]。
统计表明, 截至2012年3月前报道的近100场有关太赫兹科学的国际会议(不完全统计), 我们发现在生物学和医学领域的研究日益增多。以生物学研究为例, 其在整个太赫兹国际会议中的比例如图1所示[4]。
图1 太赫兹相关的国际会议数量
Fig. 1 International conferences related to
terahertz research
由图1可以看出, 2007年在生物领域的太赫兹研究数量显著增加。2008年召开的红外、毫米波和太赫兹波的国际会议中, 太赫兹在生物医学方面的研究更是成为会议的第一大议题。原因主要在于：高功率、高质量的太赫兹源无论在连续波还是脉冲波方面都取得了进展; 生物大分子的骨架振动、转动以及分子之间弱的相互作用(氢键、范德华力等)正好位于THz频段范围内, 能够检测到物质结构和成分的微小变化, 为分析细胞结构和医学诊断提供了新方法; 太赫兹波的光子能量非常低(1 THz = 4.1 meV), 是X射线的强度的百万分之一, 对生物体无害[4]等。
2太赫兹辐射效应在生物医学中的研究
生物医学的研究对象主要包括生物有机体、离体组织、生物细胞、生物细胞器和生物大分子。生物医学的研究属于生命科学的范畴, 关系人类健康与未来。因此该领域的基础研究和应用研究一直是十分活跃的。从微观的角度讲, 大量的分子尤其是生物分子的转动和振动跃迁在太赫兹频段表现出强烈的吸收和色散, 而且太赫兹波的温度低(4.8~ 478 K), 能量小(0.4~41 meV), 对生物分子无损伤。因此利用太赫辐射效应, 一方面可以了解体内的“纳米机器”如何控制生物网络的运转, 进而利用这些生物效应对生命活动进行有益的干扰; 另一方面在医学上可为疾病的诊断和治疗提供相应的理论依据[5]。
在太赫兹波辐射效应方向的研究主要考虑2个因素, 即太赫兹辐射参数(频率、功率、辐射时间等)和生物样品组成及特性。我们综合了2012年最新的国内外相关的具有代表性的46篇研究文献报道, 具体文献数量及研究内容如图2所示。这些研究成果涉及不同生物对象, 从生物大分子到有机体, 在不同辐射参数下的生物效应[4], 描述了太赫兹辐射效应在生物医学方面的研究状况。
2.1 有机体水平的研究
有机体水平的研究对象主要是活体大鼠和小鼠。唯一对人体进行研究是在2005年, Ostrovskiy等人预测THz辐射可能会加快烧伤修复。为证实假设, 他们分别对表面烧伤和深度烧伤的病人进行THz辐射。辐射参数为0.15 THz和0.03 mW/cm2 , 每天进行7~10次治疗, 每次15 min。结果表明THz辐射能够加速外皮形成, 缩短了皮肤的修复时间。作者指出这种效应主要来自体内代谢产物一氧化氮(NO)对太赫兹的强烈吸收, 并有望成为烧伤治疗的有效方法[6]。
2008年Kirichuck等人首次对活体大鼠展开了THz生物效应的研究[7]。他们认为THz辐射能够引起血小板的功能活动, 并且与性别有关。为此, 他们分别对雌性和雄性小鼠进行THz辐射。辐射参数为0.15 THz、0.7 mW和0.2 mW/cm2 , 辐射时间为15或30 min。3 h后用血小板分析仪和数理统计的方法分析实验数据。实验表明, 被THz辐射的雌鼠和雄鼠都表现出了血小板聚合的恢复能力, 而雌鼠对这种治疗更为敏感。作者认为是代谢产物(NO、O2、CO2、CO)在0.15 THz的选择性吸收造成了这种结果。通过进一步的研究, 该小组证实患有束缚应
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图2 太赫兹波在生物医学方面的研究(n 代表文献数量) Fig. 2 THz research in biomedicine (n is the number of literature)
激的大鼠经过30 min 的THz 辐射后高血脂症改善明显[8]
。
除了上述研究外, 还有对鼠类血凝特性以及行为学变化的研究[9-10]。
这些研究都在一定程度上取得了进展, 为THz 辐射最终应用于临床医学造福人类提供了极有价值的前期研究。 2.2 离体组织与血液的研究
2010年Dalzell 等人分别应用理论模型和实验方法, 研究了生物组织在太赫兹辐射下的损伤阈值[11]。实验对象为新鲜的猪肉组织和蛋白组织, 辐射参数为1.89 THz 、189.92 mW /cm 2 。辐射时间为1 h 。理论模型应用的是Arrhenius 损伤模型。实验结果为猪肉组织没有明显的损伤而蛋白组织出现了肉眼可分辨的凝结。剂量测定数据显示在辐射期间蛋白的温度升高10~12℃。
与此同时测定鹿皮肤组织短时间(2s)对THz 的辐射损伤阈值为7.16 W/cm 2
。
损伤阈值是治疗应用的辐射极限, 在阈值以前能否达到治疗作用还待研究。Androvov 和Kirichuk 等人[12]猜测THz 辐射能够治疗患心绞痛的病人。由于THz 辐射能够被NO 强烈吸收, 因此有望改善血液的流变学参数。为此他们分别采集了健康人和患有心绞痛的病人的全血, 并在其中加入异舒吉(抗心绞痛药, 属硝酸盐类)。一组进行THz 辐射; 另一组作为参照组。辐射参数为 0.24 THz 和1 mW/cm 2
, 辐射持续时间为15 min 。实验结果表明：结果THz 辐射组血黏度下降, 红细胞变形能力增加。
这无疑利于心绞痛的治疗, 该实验为太赫兹辐射应用与其他相似疾病的治疗提供了参考。
2.3 细胞的体外研究
1968年Webb 等人就证明了太赫兹辐射对细胞具有独特的作用[13], 从那时起对细胞的研究一直没用中断。一些研究也表明较弱的太赫兹辐射能够刺激细胞的生长, 而较强的辐射能改变细胞的形态, 激活细胞应急反应机制, 甚至使细胞死亡
[14]
。
2002年Hadjiloucas 等人研究了酵母细胞在THz 辐射下的生长率问题[15]。辐射参数为0.2~0.35 THz 和5.8 mW/cm 2 。辐射时间30~150 min 不等。实验表明THz 辐射能够促进细胞生长, 并且呈现出了一定的统计规律。
单细胞生物的辐射反应较为明显, 多细胞生物的研究也已展开。Jonathan Bock 等人对小鼠的干细胞进行THz 辐射的实验[16]。研究发现虽然89%的蛋白质编码基因对实验中的太赫兹辐射并不敏感, 但剩下的基因的表达明显受到抑制。通过激活过氧化酶活化增生受体γ,太赫兹辐射能够加速干细胞向脂肪型细胞分化。同时分子动力学模拟也显示该受体促进了DNA 与特定功能的基因结合。因此太赫兹辐射有望成为细胞重组的有力工具。
对人类细胞的活性研究是太赫兹辐射研究的另一个重要内容。Clothier 和Bourne 等人在2003年研究了THz 辐射对人类角蛋白细胞影响, 并在2008年做了进一步的实验, 样品扩大到角膜细胞和ND7/23细胞[17-18]。辐射参数为0.15 THz 和24~62 mW/cm 2 , 辐射时间为10~1440 min 。辐射后这些细胞并没有发生可探测出的变化, 没有表现出生长或死亡。
2010年, Gerald 等人对人类皮肤的成纤维细胞
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展开了研究[19]。他们将样品置于温度可控的箱体中, 用2.52 THz的气体激光器进行时间不等的照射, 并用传统的MTT法检测照射后细胞活性。研究表明2.52 THz的辐射对哺乳动物的细胞热效应显著, 因此可以用THz热效应预测传统的热损伤模型。
无独有偶, 美国空军研究实验室近年来也进行了多次实验[19-21], 主要是观察哺乳动物的细胞在高功率的THz辐射下的反应。实验样品为人类皮肤的成纤维细胞和Jurkats细胞(一种白血病T细胞), 采用光泵浦的气体分子THz激光器进行辐射。辐射参数为2.52 THz, 最大辐射照度为227 mW/cm2, 辐射时间为40~80 min。实验主要探讨了高功率辐射造成细胞死亡的原因以及THz辐射是否会对基因表达产生影响。试验中检测到温度升高3~6℃, 细胞出现不同程度的死亡, 具体如表1所示。实验结果表明辐射后细胞死亡的方式有坏死和凋亡两种, 并且一些基因经过辐射后得到了优先表达, 这些基因有望成为THz辐射的标志物。
表1 实验参数与结果
Table 1 Experimental parameters and results
实验样品辐射频率(THz) 方式辐射时间 (min) 辐射照度 (mW/ cm2 )温度升高(℃) 细胞死亡率(%)
成纤维细胞 2.52 连续80 81.5 3.0
10% Jurkats细胞 2.52 连续40 227.0 6.0
62% 成纤维细胞 2.52 连续80 227.0 6.0
凋亡
2.4 生物大分子研究
生物大分子主要是指糖类、蛋白质和核酸等生物分子。它们在细胞中构成了“纳米机器”, 调控着生命活动的运转。在这些分子中, DNA和蛋白质扮演的是控制的角色, 因此对他们的研究无疑为重中之重。
DNA可分为三级结构：一级结构是指构成DNA 的4种脱氧核糖核酸; 二级结构为双螺旋结构; 三级结构是指DNA中单链与双链、双链之间的相互作用形成的三链或四链结构。
对DNA的研究主要涉及基因毒性和损伤评估。2007年Zeni等人针对人类淋巴细胞进行THz基因毒性的研究[22], 实验结果显示THz辐射与基因毒性并不存在统计学意义上的关系。
损伤评估主要是研究DNA在太赫兹辐射下的反应。2009年Alexandrov等人研究了DNA在太赫兹辐射下的呼吸动力学机制[23]。研究表明双链DNA 的分离需要一个阈值振幅, 否则电磁扰动会造成动态的二聚体。因此特定的太赫兹辐射会影响DNA的动态过程, 进而影响DNA的复制和基因的表达。2011年Federov等人通过实验认为THz辐射可能会造成DNA的构象和结构发生变化[24]。
对蛋白质的研究主要涉及酶活性、白蛋白和血红蛋白的THz辐射效应。研究表明, THz辐射能够引起蛋白质的结构变化并且与辐射照度的强度有关[25]。2009年Homenko等人进一步证实低强度(0.08 mW/cm2)的THz辐射会影响酶和抗体的分子识
别[26]。而对牛血清蛋白的研究也表明, 太赫兹辐射对
蛋白质的影响也来自周围水分子的吸收[27]。
2.5 小结
THz辐射效应对在生物医学领域的研究越来越
受到重视。在有机体层面上, 太赫兹辐射能够加快烧
伤修复, 增加纤维蛋白溶解因子, 减少血小板聚合;
在细胞层面上, 强度低的太赫兹辐射能促进细胞增殖, 而高强度辐射会造成生态学可见的变化, 包括
改变细胞的应激反应机制或造成细胞死亡。对细胞
膜而言, 太赫兹辐射会造成其表面流动性和识别能
力增强, 有时也会造成薄膜损坏; 在生物大分子层
面上, 太赫兹辐射会造成酶活动中结构和功能的变化, 而大多数的研究也表明THz辐射在强度较低时
不会对DNA分子的结构和功能造成不利的影响[14]。
3 太赫兹光谱技术在生物医学中的
研究
相比于红外光谱、X射线等传统光谱分析技术, THz光谱概括主要有以下4点独特的优势：1) 光子
能量低, 不足以造成分子的化学损伤, 不会从原子
中激发出粒子, 因此不会因为电离而破坏分子;
2) THz波对极性分子非常敏感, 例如生物中的水分
子以及水化作用, 因此对软组织的检测THz波比X
射线更具有优势; 3) 太赫兹时域光谱技术(Terahertz
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time-domain Spectroscopy, 英文简称THz-TDS)是一种相干测量技术, 能够直接测量经过样品的太赫兹波的振幅和相位信息, 通过傅里叶变换得到表征样品特性之一的折射率和吸收系数; 4) 很多分子的转动、振动能级和分子间的弱相互作用能级, 位于太赫兹波段, 例如分子中氢键的转动运动和振动运动的能级正好落在太赫兹波段。因此太赫兹光谱技术在研究生物分子的结构特性和动力学, 以及医学研究中对生物组织的成像方面有重要的应用价值。
3.1 氨基酸与多肽的太赫兹光谱研究
氨基酸是构成蛋白质的基本单位, 赋予蛋白质特定的分子结构和形态。氨基酸在THz波段的吸收是由分子转动或扭动造成的。因此了解氨基酸的太赫兹光谱特性是了解蛋白质成分和功能的基础。2003年Kutteruf等人测量了20种氨基酸的吸收光谱[28], 观察到大量的振动模式, 然而在当时条件下单分子密度泛函理论并没有提炼出光谱特点, 原因在于太赫兹频段下分子间相互作用, 如氢键和声子模式造成了光谱重叠。为了解分子间的相互作用, Korter等人研究了两种不同的氨基酸的太赫兹光谱, 即L-丝氨酸和L-半胱氨酸的太赫兹光谱[29]。这两种氨基酸在结构上是相同, 只是官能团不同, 分别为—OH和—SH。结果显示, 2种氨基酸的太赫兹光谱有明显的区别, 尤其是在低频段。由此印证了THz光谱能够探测物质结构的微小差异。
国内也对氨基酸的光谱特性展开了研究。马士华等人用太赫兹时域光谱技术研究了室温条件下的多晶天冬氨酸样品的光谱特征[30]。发现了天冬酰胺在0.5~2.4 THz内有2个吸收峰, 一个是1.642~1.758 THz的宽带峰; 另一个是位于2.266 THz的吸收峰。随后王卫宁等人展开了组氨酸和精氨酸的太赫兹光谱研究, 得到了样品在0.2~2.8 THz的特征吸收峰并给出了与之对应的分子振动模型[31]。因此可以根据蛋白质的太赫兹光谱响应探测分子的结构和振动情况。
多肽是α-氨基酸以肽链连接在一起而形成的化合物, 它也是蛋白质水解的中间产物。多肽链分子间存在范德华力等静电作用力, THz波对此非常敏感, 因此可以利用THz光谱鉴定多肽的氨基酸组成、排列顺序和晶体结构。2005年Yamamoto等人得到了多聚甘氨酸和多聚L-丙氨酸在波数7~55 cm-1 范围内的吸收系数和折射率[32]。光谱结果显示多聚甘氨酸在波数45.5 cm-1 处出现吸收峰, 作者认为是分子间的转动造成的。
Plusquellic等人[33]通过检测不同晶型的多肽获得了明显不同的太赫兹光谱, 发现在50~500 cm-1 波段短链晶型有明显的特征吸收。
3.2 DNA的太赫兹光谱研究
脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid, 缩写为DNA)又称去氧核糖核酸, 是一种生物大分子, 可组成遗传指令以引导生物发育与生命机能运作。太赫兹波对DNA构形和构象的变化非常敏感, 因此可以通过太赫兹光谱进行基因分析或无标记探测。
DNA分析是通过鉴别核酸上的碱基序列对基因结构和功能进行分析[34]。DNA分子对THz光谱的响应主要来自互补的DNA中—NH2 中氢键的振动模式。M. Brucherseifer等人研究指出DNA的组成和拓扑结构对依赖于双螺旋碱基对的氢键的运动非常敏感, 因此有望研究基于DNA互补杂交的无标记传感器[35]。另外, 应用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)可以检测出一些遗传疾病的单点变异。2002年M.Nagel 等人[36]应用THz-TDS技术研究了遗传性的血色素沉着症的DNA序列。观察三组杂交DNA对THz的透过谱和共振频率。实验表明, DNA的序列差异越大, THz的透过率越小, 共振频率越低。因此THz光谱能够区别DNA的自由链和杂交链。这种技术的高灵敏度甚至可以和荧光标记技术媲美。
太赫兹光谱对DNA序列的检测虽然前景可观, 但一直处于定性分析的阶段, 直到2006年James Kolodzey等人应用经验模式分解(EMD)的方法去除了随机噪声, 得到了具有高可靠性的DNA的太赫兹光谱, 从而使定量分析成为可能[37 ]。
生物芯片是当前研究的另一个创新点。在生物芯片上, 未知碱基顺序的分子被已知碱基序列的分子进行荧光标记, 但该方法会降低检查的准确性并增加成本和准备时间。因此, 一些“无标记”的方法逐渐被研究者看重[34]。
2012年Arun Arora等人首次应用太赫兹时域光谱技术, 对经过PCR(聚合酶链式反应)扩增的DNA 进行无标记的定量检测。频谱范围为0.3~1.2 THz, DNA样品的碱基对有133对和697对2种, 其水溶液的浓度均为0~0.3 ng/μl。研究表明, 两种DNA样
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品的吸收系数均与浓度成反比。因此, THz-TDS技术有望成为DNA无标记检测的新方法, 最小检测浓度可低至0.1 ng/μL[38]。
3.3 蛋白质的太赫兹光谱研究
蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物大分子, 是生命的物质基础。蛋白质分子上氨基酸的序列和由此形成的立体结构构成了蛋白质结构的多样性。蛋白质具有一级、二级、三级、四级结构, 结构不同决定了它们的功能各异。很多蛋白质的集体振动模式在THz范围内, 因此可以根据测定他们的THz光谱来分析他们的结构和功能。
Markelz等人首次利用THz-TDS系统研究了牛血清蛋白和胶原质等在0.06~2.00 THz波段的性质。实验表明这些生物分子的大量低频振动模式具有红外活性[39]。2008年Balu等人对两种光活性蛋白质系统—视紫质和菌视紫红质进行了太赫兹光谱研究[40]。
结果显示二者的振动模式密度非常相似, 即二者具有相同的结构。这表明蛋白质分子集体具有宽泛的、近似线性的介电响应, 这有利于研究蛋白质的构象变化。
水化作用(hydration)是物质与水发生化合的反应。当蛋白质溶于水形成溶液时, 离子的静电力破坏了原来的水结构, 在其周围形成一定的水分子层, 成为水化壳层。水化作用会影响太赫兹的吸收。2005年He Mingxia等人[41]研究了猪肉和小鼠组织的时域光谱特征。研究表明, 由于水含量的不同, 脂肪组织和瘦肉组织表现出来不同的频率响应。Markelz等人利用THz-TDS系统和蛋清溶菌酶研究了蛋白质的水化作用和配体结合问题[42-44]。实验表明, 蛋白质水化作用的介电响应频率为0.15~1.95 THz, 当水和蛋白质质量比为0.27时水化作用最为显著。
除了上述研究外, 蛋白质的THz光谱还涉及了对蛋白质分子动力学[39]以及蛋白质折叠[40]的研究。2009年He Mingxia等人[45]首次把THz光谱技术应用与研究淀粉纤维蛋白质特性, 并申请了专利。研究表明, 不同构象的胰岛素蛋白, 在频率0.2~2.0 THz 波段, 其随频率变化的吸收系数和折射率呈现很明显的不同。THz光谱技术对这种淀粉纤维蛋白的研究提供了一种有效的新方法。这些研究在一定程度上弥补了其他光谱的不足, 从更微观的角度解读了蛋白质结构和功能的特点, 为全面了解蛋白质特性奠定了基础。
4 太赫兹成像技术生物医学中的研究
太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具发展前景的方向之一。自从1995年Hu和Nuss[46]首次提出逐点扫描式太赫兹太赫兹时域光谱成像技术以来, 一系列新的THz成像技术相继被提出, 如THz 实时成像[47]、THz层析成像[48]和THz分子成像等[49]。太赫兹成像作为一种新颖的成像方式在医学上的应用近年来备受青睐。这主要是太赫兹波较其他电磁波应用于医学研究的优越性：对细胞间质水有很高的敏感性; 对人体无害; 空间分辨率高, 可达几十微米。能够很清晰的看到一些病变组织的病灶, 结合一些微结构器件可以得到高品质的图像。
4.1 癌症的检测
每年全球有700万人死于癌症, 多数都是因为发现时已属于中晚期。因此找到一种有效的检测手段无疑是有效治疗的必要保证。现在的主要手段是组织病理学检查。主要是在显微镜下观察肿瘤细胞及其排列方式, 进而确定病变的种类和程度, 一直以来是疾病诊断尤其是肿瘤诊断的“金标准”。但病理诊断需借助经验判断及主观认识, 有一定的偏差。THz成像技术的发展无疑为肿瘤的诊断提供了一个全新可靠的方法。如前所述, THz成像具有分辨率高、无损伤的特点, 在当今医学成像领域备受瞩目。
在对癌症的成像研究中报道较多的为对基底细胞癌(Basal Cell Carcinoma)的诊断。它是最常见的恶性皮肤肿瘤之一。2002年Woodward等人[50]首先使用了太赫兹脉冲成像技术对基底细胞癌开展了体内与体外的研究, 利用不同组织对太赫兹波的吸收特性不同区分健康组织和癌变组织。同时, 英国的Leeds大学和TeraView公司的研究人员近年来进行了多次基底细胞癌的研究, 发现癌变组织的反射率要大于健康组织, 根据吸收系数或反射率所成的太赫兹图像准确的区分了两种组织的界限和病变程度[51-55], 这在医学上无疑是一个突破性进展。
2011年Kodo Kawase 等人[56]利用太赫兹技术对人类皮肤的特性进行了详细的研究。这不同于以往的皮肤癌变的成像检测, 是对太赫兹成像技术新的提升。第一利用太赫兹断层扫描技术得到了皮肤多层结构的图像。实验采用反射式太赫兹时域光谱
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系统, 带宽高达25 THz, 轴向分辨率为5 m。第二将角质层样品置于金属微结构传感器上, 在太赫兹时域光谱系统中进行检测。传感器的介电常数随着样品的放置而发生变化, 提高了对样品组成成分变化的探测能力。
2007年Enatsu等人[57]利用THz-TDS系统对石蜡封装的肝癌样品开展了研究。选择在1.5 THz频率处的折射率和吸收系数进行成像。得出癌变组织的密度小于健康组织, 对太赫兹的折射率和吸收系数较小。2011年Yasuhiro Miura等人[58]利用透射式成像技术, 证明了在3.6 THz频率处对肝癌组织成像对比度较为显著。并首次从组织病理学的角度解读了太赫兹图像, 为THz成像技术应用于医学奠定了一定的理论基础。
组织中的水含量对太赫兹影响极大, 而脂肪组织中水含量较小, 对乳腺癌的检测十分有利。脂肪组织的水化作用层次高, 利用太赫兹的传播, Pickwell 等人已证明穿透深度可达9 mm。Fitzgerald等人对22个福尔马林固定的乳腺癌样品进行实验, 太赫兹成像显示的病变区域与确定为乳腺癌区域的相关系数达0.82。除此之外, Ashworth等人对20个新鲜乳腺癌样品进行太赫兹透射成像实验。发现癌变区域的折射率较高, 但原因不明, 可能与乳房内部结构和多孔性有关[59-61]。
以上利用太赫兹成像技术研究皮肤癌、乳腺癌和肝癌等癌变组织已取得一定的成果。2011年韩国首次报道了脑瘤的太赫兹成像[62]。研究人员利用反射式脉冲太赫兹波, 分别对患有神经胶质瘤(脑瘤中最为常见的种类)的小鼠和健康的小鼠的脑部进行成像, 并与可见光成像和核磁共振成像进行对比。研究表明太赫兹成像对健康区域和肿瘤区域的区分非常明显。肿瘤区域的太赫兹强度较强。这也说明肿瘤区域的细胞间质水含量较多。在健康小鼠的脑图像中有明亮的区域代表了大脑中的灰质。其明亮度明显高于其他成分所在的区域, 因为灰质是由蛋白质和油脂组成的。
国内的相关研究也已经展开。天津大学He Mingxia等人开展了基底细胞癌高品质太赫兹图像的研究。试图在太赫兹时域光谱系统中结合生物传感器和扫描探针获得高品质图像。
可见, 太赫兹成像技术的应用已由体外发展到体内, 由表面皮肤发展到体内脏器, 由普通区域发展到敏感区域如大脑。
4.2 烧伤成像
我国烧伤年发病率约为1.5%~2%, 即每年约有2000万人遭受不同程度烧伤, 其中约5%的烧伤病人需要住院治疗。根据烧伤损伤到皮肤不同的深度, 可粗略的将烧伤分成一度、二度、三度和四度烧伤。烧伤评估的核心在于确定烧伤的深度, 进而及时有效的确定治疗方案。目前常用的检测方法是视觉和触觉评估, 由于烧伤具体程度需要3~5 d才能全方位体现, 因此靠视觉和触觉评估极不准确, 经常错误施治或延误病情。况且这种方法完全依赖外科医生的经验, 缺乏统一的标准。
其他应用于烧伤诊断的技术包括超声波检测、绿色荧光成像、激光多普勒血流成像(laser Doppler perfusion imaging, LPI)、偏振光断层扫描成像(polarization sensitive optical coherence tomography, PS-OCT)和核磁共振成像等。这些方法中最常使用的是LPI和PS-OCT, 但由于其光散射较为严重, 深度分辨率不高, 因此应用受到限制。
烧伤组织的检测主要是确定水肿的组成和状态。太赫兹成像对水肿组织中液体流动以及成分的变化非常敏感, 因此有望成为检测皮肤烧伤的精确方法, 并已处在实验研究阶段。
首次的体外烧伤实验是在1990年[63], 实验样品是猪的皮肤烧伤组织, 烧伤痕迹为“X”字样。开始先对未烧伤的皮肤进行太赫兹成像, 接着对写有“X”字样的烧伤组织成像, 最后对裹上三层纱布的该组织成像。对比图像可清楚的看到烧伤的轮廓。烧伤组织中水含量少, 所以反射率小。
2007年Bjarnason等人[64]首次进行了体内烧伤研究, 实验对象为一只雄性大鼠。实验分别得到了烧伤前、烧伤后10 min、1 h和7 h的太赫兹图像。烧伤部位成“+”形状。由图像可知, 烧伤10 min后组织中的水分急速的向周围扩散, 形成水肿; 1 h后这种变化趋于稳定; 7 h后周围未烧伤组织恢复正常, 如图3所示。
烧伤组织在病理学上分为血凝区域, 血瘀区域和充血区域。其中对于血瘀区域的成像在医学史上尚属首次, 可见太赫兹成像技术在生物医学上应用的优越性和发展潜力。
?478 ?电子测量与仪器学报第26卷
图3 THz体内烧伤成像
Fig. 3 THz imaging of burn in vivo
4.3 其他成像研究
随着在太赫兹波发射和探测技术研究新进展, 太赫兹成像技术也随之日渐成熟。应用范围几乎包含了生物和医学领域的各个分支。
众所周知, 角膜中的水含量与角膜的透明度和折射率有关。水含量的异常可导致多种眼科疾病。利用水对太赫兹的敏感性可以对角膜进行成像, 其中起主要作用的是角膜的水化作用。2010年Bennett 等人[65]已证明反射式太赫兹成像技术能够应用于角膜疾病检测, 并且应用水化作用的成像机制和其他眼科检测技术相比具有优越性。
除了对软组织的研究, 太赫兹成像技术也应用到了硬组织的领域, 如对牙组织和骨组织的成像。2006年Pickwell等人[66-67]对龋齿进行了太赫兹反射式成像研究。患有龋齿的牙齿其珐琅质缺少必要的矿物质, 导致太赫兹的折射率发生变化。这就意味着太赫兹成像技术能检测出细微的肉眼观察不到的牙齿的缺陷。2011年Baughman等人[68]对鸡的股骨组织进行了太赫兹成像。实验采用不同的成像方法, 包括峰值成像, 延迟时间成像和不同频率点的成像。在0.5 THz以下, 只有样品中的高密度和低密度区域表现出不同的颜色深度。在0.5~0.8 THz时软骨表现出吸收峰。在这些低频段, 图像能较好的区分不同的细胞类型, 不同类型的细胞对太赫兹的透过率不同。在1 THz以上, 不同的组织区域不能准确的区分。因此骨组织的成像参考频率在0.5~0.8 THz, 可区分细胞类型, 组成成分和密度等信息。
近年来随着太赫兹技术和应用的成熟, 出现了一种新的成像方法—太赫兹分子成像。2010年, Joo hiuk Son[69]进行了太赫兹分子成像实验。所用技术方案的原理如图4所示。首先用特异性的纳米抗体颗粒结合病灶区域, 然后用激光照射, 会发生表面等离子体效应, 该效应会对入射的太赫兹进行调制, 辐射会造成细胞中水的温度升高, 通过检测反射的太赫兹波就能得到细胞的信息。因此可见纳米探针的应用会改善成像的灵敏度和分辨率。实验的对象是活体小鼠的癌变组织, 并得到了分子水平的图像。因此太赫兹分子成像技术能够应用于癌变组织具体目标的检测, 细胞的可视化和分子跟踪。
图4 太赫兹分子成像技术原理
Fig. 4 Principle of THz molecular imaging
Seung等人[70]也论证了太赫兹成像技术的可行性, 这意味着该技术已经进入了临床前阶段。
在过去的十年, 太赫兹成像技术在生物医学方面的应用已经引起了众多研究者的兴趣, 并且在成
第6期太赫兹科学技术在生物医学中的应用研究?479 ?
像方法和理论分析都取得了一定的进展。虽然太赫兹成像技术还处在发展阶段, 但通过以上研究不难发现太赫兹成像技术将会是未来最具潜力的成像技术。
4.4 太赫兹医学检测仪器
随着太赫兹技术的不断发展, 以太赫兹检测和成像为核心的太赫兹科学仪器正在形成一个极具吸引力的技术市场。目前已有多家国外公司研制的太赫兹医学成像系统和相对成熟的仪器进入市场。具有代表性的有美国的PicoMatrix公司和Zomega Technology公司、英国的Teraview公司、日本的Nikon 公司等[71]。
2000年英国剑桥的Teraview公司研发的PI Imaga 2000型太赫兹检测仪是第一台实际应用的无损检测设备, 用于对药品的检测。一直以来Tetaview 公司不遗余力的将太赫兹检测技术实用化, 仪器化。先后研发了透射式、反射式等医用仪器, 目前已推出TPS Spectra 3000系列, 如图5所示。开发新的医疗仪器的最终目的是要能应用于医学临床。2010年Teraview公司又推出手持式THz探针在保乳手术中具有潜在的应用价值[72]。它能够得到样品的反射信号并实时的显示。图6所展示的是测量前臂皮肤信号。
我国科技计划对开发新科学仪器非常重视。THz 技术的仪器化工作非常重视, 2011年国家科技部设立了太赫兹科学仪器研发项目。2012年4月又发布了《“十二五”国家科技计划人口与健康领域2013年度备选项目征集指南》中, 又把太赫兹波检测技术列
图5 Teraview公司TPS Spectra 3000
Fig. 5
TPS Spectra 3000 of Teraview Co
图6 太赫兹检测仪器在活体检测中的应用
Fig. 6 Application of THz instrument in
live-body detection
入其中, 认定为“医疗器械前沿关键技术及创新产品开发”。
发展科学技术的终极目的是造福人类。太赫兹光谱和成像技术正在向实用化和仪器化发展, 尤其是在国内, 仪器化的进程刚刚起步。天津大学THz 研究中心在这方面做了初步的探索, 研发了太赫兹光谱仪用于药品的检测, 如图7所示[71], 为太赫兹小型化仪器化奠定了一定的基础。
图7 THz时域系统光谱仪
Fig. 7 THz-TDS spectrometer
5 结论
生物分子的振动能级和分子间的弱相互作用力位于太赫兹波段, 加上其本身能量较低, 不会对生物产生电离效应, 是一种安全的辐射源。因此太赫兹波科学技术一出现, 就被十分看好应用于生物医学领域。本文介绍了太赫兹科学技术在生物医学领域的研究进展。内容包括太赫兹辐射的生物效应, 太赫兹光谱检测技术和太赫兹医学成像。一直属于太赫兹科学技术研究与应用的热点。
太赫兹波辐射的生物效应主要适合于健康危害
?480 ?电子测量与仪器学报第26卷
评估, 以经验为主的安全标准的发展以及太赫兹器件安全性研发和应用。主要介绍了太赫兹波辐射在有机体、组织、细胞、细胞器和生物大分子层次的研究。这些研究为观察生物效应提供识别和借鉴新方法[14]。
太赫兹光谱技术在检测低能量、长波长的生物分子间相互作用方面展示了独特的优势。国内外研究者对各种生物大分子都开展了THz光谱研究, 也取得了很大的进展, 为从生物研究过渡到医学应用奠定了基础。光谱研究的主要目的是得到研究对象的特征谱, 现阶段解读THz光谱的主要困难在于所获得的光谱缺少相应太赫兹波段的分子振动模型对照。由于分子多种模式的能级相应位于太赫兹电磁波频段, 它们之间的相互影响会造成光谱的重叠现象出现, 来带对太赫兹光谱解读的困难。另外, 生物体所处的水环境, 包括细胞间质和代谢产生的水分等液体, 表现出对太赫兹波的强烈吸收特性。也成为太赫兹光谱解读的一个难点。值得注意, 近两年来一些研究者已关注把水与生物分子作用的机理, 初步应用于对太赫兹频谱的解读, 正逐步形成太赫兹成像的对比机制。多年来, 尤其是在生物医学研究应用领域, 人们一直认为生物样品太赫兹光谱成像机理主因是由于水含量的不同所致。但近几年的研究表明组织中结构的变化也是影响成像结果的主要因素之一。
有科学家预言：太赫兹科学技术在生物医学领域的应用是一场技术变革, 它带来了更精密、更准确、更安全的检测手段, 其应用潜力巨大。但目前在不同领域的研究应用都存在一些亟待解决的问题。如在生物分子领域亟待解决的问题有：1)更为深刻和详尽的了解生物分子与水分子的相互作用, 由宏观水含量的研究转到微观水化作用的影响上, 了解水分子是如何在生物分子周围分布并与之作用的; 2)需要定量的计算生物分子结构变化时能量的变化, 为此需要建立相应分子的计算机模型和展开相关的实验。在医学光谱成像领域, 要全面深入的了解生物组织成像的对比机制, 包括水含量、结构和生物分子含量的差异, 这些都影响着健康组织和病变组织结构和生物效应的变化。了解以上原理就可以着手制定太赫兹光谱和成像技术的标准, 为最终应用于临床医学奠定基础[73]。参考文献:
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Journal of Molecular Structure, 2011, 1006(1-3): 66-76.
作者简介:
何明霞：女, 1965年出生, 博士, 天津大学副教授, 主要从事光电检测技术、THz波光谱技术研究及应用。
E-mail: hhmmxx@https://www.doczj.com/doc/848279599.html,
He Mingxia: female, born in 1965, Ph.D., associate pro-fessor of Tianjin University. Her research area covers photoelec-tric detection, THz spectrum technology and THz imaging.
陈涛：男, 1985年出生, 硕士研究生, 主要从事THz 医学成像和图像处理方面的研究。
E-mail: chentao2006@https://www.doczj.com/doc/848279599.html,
Chen Tao: male, born in 1985, M.Sc. candidate. His re-search area covers THz imaging and image processing.
安捷伦PXI测试解决方案助力新兴应用发展
作为PXI联盟的核心成员(https://www.doczj.com/doc/848279599.html,)和金牌赞助商, 安捷伦科技积极参加了于2012年5月29日在上海举办的 PXI TAC大会。会上安捷伦展示了近期推出的多款基于PXI平台的测试系统及解决方案, 包括802.11ac MIMO信号分析系统、高带宽信号流盘方案、8通道同步高速数字化仪M9703A等。
针对快速增长的802.11ac市场, 安捷伦适时推出了相应的解决方案, 该系统可实现160 MHz最佳分析带宽（最高达780 MHz/ch, 支持4通道MIMO(最高4X4)及高阶调制256QAM, 其EVM<-44 dB, 配合安捷伦VSA 89600软件对802.11ac标准进行物理层参数测量。
安捷伦高带宽信号流盘方案是基于PXI模块化超宽带矢量分析仪, 其频率范围覆盖50 MHz~26.5 GHz, 分析带宽高达250 MHz(最大可达780 MHz或1.5 GHz), 实现双通道连续采集最大100 MHz + 100 MHz带宽的信号流盘, 持续时间可超过13个小时。最新的配置方案可实现两通道并行流盘。其主要针对宽带信号进行实时捕获、记录、后处理及信号仿真等应用。
新近推出的8通道同步高速数字化仪M9703A 是安捷伦专门针对高速数据采集应用而开发的高性能产品, 高达3.2 GSa/s(交织模式为4通道), 12位分辨率, 模拟带宽高达1 GHz. 板上存储器可达4 GB, 并在同一机箱内配置成40个同步通道。该系统是行业中不可或缺的高速数采解决方案。并且其板上FPGA为未来系统设计者提供了理想的开发手段。
如欲了解更多有关安捷伦PXI产品的信息, 请访问https://www.doczj.com/doc/848279599.html,/find/pxi
不同频率的电磁波及太赫兹的简介 一．电磁波介绍 不同频率的电磁波电与磁可以说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场[1]，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁波能有效的传递能量和动量。电磁波是电磁场的一种运动形态。 从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 当电磁波频率低时，主要藉由有形的导电体才能传递；当频率渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射即由辐射现象传递能量」的原理一样。 在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。 电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位臵之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速（每秒3×1010厘米）。光波就是电磁波。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度
方向相同和量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长。 无线电波3000米～0.3毫米。 红外线0.3毫米～0.75微米 可见光0.7微米～0.4微米。 紫外线0.4微米～10毫微米 X射线10毫微米～0.1毫微米 γ射线0.1毫微米～0.001毫微米 宇宙射线小于0.001毫微米 传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。 电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。 电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=E×H,其中s为坡印庭矢量，E 为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能。 电磁波具有能量，电磁波是一种物质。 二．太赫兹简介 1．简介 太赫兹电磁脉冲或称为THz波（太赫兹波）或称为T射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的
细胞学说的建立： “一切生物，包括单细胞生物、高等动物和植物都是由细胞组成的，细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位”。这就是著名的细胞学说(ce11theory)。细胞学说的基本内容 一切生物都是由细胞组成的 所有细胞都具有共同的基本结构 生物体通过细胞活动反映其生命特征 细胞来自原有细胞的分裂 细胞的基本定义 细胞是构成生物有机体的基本结构单位 细胞是代谢与功能的基本单位 细胞是生物有机体生长发育的基本单位 细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性 细胞的主要共性 所有细胞都具有选择透性的膜结构 细胞都具有遗传物质 细胞都具有核糖体 细胞膜又称细胞质膜(plasma membrane)是指包围在细胞表面的一层极薄的膜，主要由膜脂和膜蛋白所组成。质膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外，在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用 膜功能 界膜和细胞区域化；调节运输；功能定位与组织化；信号转导；参与细胞间的相互作用；能量转换 细胞核(nucleus) 细胞核由核膜、核仁、染色质(染色体)和核基质组成，是细胞内遗传信息贮
存、复制和转录的场所，也是细胞功能及代谢、生长、增殖、分化、衰老的控制中心。 核基质 在核液中存在着一个主要由非组蛋白纤维组成的网络状结构，被命名为核基质。由于它的形态与胞质骨架很相似，相互之间又有一定的联系，也被称为核骨架。 染色质与染色体 染色质是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的线性复合结构，是遗传物质在间期细胞的存在形式，常呈网状不规则的结构。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。 核糖体(ribosome) 核糖体普遍存在于真核细胞和原核细胞中，是专门用来合成蛋白质的细胞器，这种颗粒小体由rRNA和蛋白质组成。 内质网(endoplasmic reticulum，ER) 内质网是由一层单位膜形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统，广泛存在于真核细胞中，是细胞内生物大分子合成基地。光滑内质网是脂类合成的重要场所 。粗糙内质网主要功能是合成分泌蛋白、多种膜蛋白和酶蛋白。 能量转换细胞器 线粒体是普遍存在于真核细胞中的一种重要细胞器。由于线粒体是细胞进行氧化磷酸化并产生ATP的主要场所，细胞生命活动所需能量的80%是由线粒体提供的，因此被称为细胞的“动力工厂”。 生殖是生命的特征之一，通过生殖，生命才得以延续、繁衍并完成进化过程。无性生殖 无性生殖(asexual reproduction)是不经过生殖细胞的结合，由母体直接产生新个体的生殖方式。 有性生殖 有性生殖(sexual reproduction)是高等动、植物普遍存在的生殖方式，是经过两性生殖细胞(卵细胞和精子)的结合，形成合子的方式。 第一次减数分裂 前期Ⅰ：细线期（染色线(chromonema)染色粒(chromomere)）；偶线期（联会(synapsis)，联会复合体(synaptonemal complex)二价体(bivalent)）；粗线期（四分体(tetrad)非姐妹染色单体(non-sister chromatid)交叉(chiasma)和交
论文题目： 光电技术在生物医学中的应用——现状与发展 学院 专业名称 班级学号 学生 2013年12月19日
摘要： 简要介绍光电技术在生物医学应用中的发展概况，从基因表达与蛋白质——蛋白质相互作用研究方面，重点讨论了生物分子光子技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后简要讨论了医学光学成像技术在组织功能成像和脑功能成像中的应用原理。 关键词：光电技术，医学诊断与治疗，分子光子学，医学成像
1.生物医学光子学发展简介 光电技术在生物医学中的应用实质上就是生物医学光子学的研究畴。生物医学光子学是近年来受到国际光学界和生物医学界广泛关注的研究热点。在国际上一般称为生物医学光子学或生物医学光学。 光子学以量子为单位，研究能量的产生、探测、传输与信息处理。光子技术在生物与医学中的应用即定义为生物医学光子学，其相应产业涉及人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。研究容包括:光子医学与光子生物学，X-射线成像，MRI ，PET等。近年来，生物医学光子学在生物活检、光动力治疗、细胞结构与功能检测、对基因表达规律的在体观测等问题上取得了可喜研究成果，目前正在从宏观到微观多层面上对大脑活动与功能进行研究。美国《科学》杂志在最近儿年已发表相关论文近20篇。随着光子学技术的发展，生物医学光子学将在多层次上对研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象产生重要影响。 在国际上已经成立了国际生物医学光学学会(International Biomedical Optics Society)，简称IBOS。IBOS每年与国际光学工程学会(SPIE)联合举办学术会议。国外 学术交流方面，作为生物医学工程和光学工程领域重要国际会议的“生物医学光学国际学术研讨会”(International BiomedicalOptics Symposium，简称BIOS)每年在美国和欧洲各举办一次。在国，国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。在第六届学术会议上发表学术论文75篇，论文摘要27篇。 从光电技术(或光子技术)在生物医学中的应用现状可以看到，光子医学与光子生物学的研究和应用围是广泛而且深入的，并正在形成有特色的学科和产业。例如，由于生物超微弱发光与生物体的细胞分裂、细胞死亡、光合作用、生物氧化、解毒作用、肿瘤发生、细胞和细胞间的信息传递与功能调节等重要的生命过程有着密切的联系，基于生物超微弱发光的生物光子技术在肿瘤诊断、农业、环境监测、食品监测和药理研究等方面己经得到应用。 下面主要从生物分子光子技术和医学光学成像技术两个方面介绍当前的研究现状 与发展趋势。
太赫兹（Terahertz，缩写为THz）是频率单位, 1太赫兹等于1012赫兹。太赫兹波是指频率0.1～10太赫兹、介于毫米波和红外线之间的电磁波。太赫兹科学技术泛指直接研究和应用太赫兹波本身，以及利用太赫兹波研究开发的所有理论和应用，是一个非常重要、尚未开发的前沿领域。 太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。 在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。包括美国国防部、航空航天局在内，全世界已有100多个机构在从事相关研究，例如，日本政府把太赫兹技术确立为“国家支柱技术十大重点战略目标之首”予以支持。由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理 太赫兹科学技术的军事应用 张振伟 牧凯军 张存林 论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。 太赫兹波在军事上的优势 太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太 赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。作为 美国能源部的宣传页，从中可以一窥太赫兹技术的概貌。 电磁波谱图，注意太赫兹波段的位置。
1、一级结构（Primary Structure):多聚体中组成单位的顺序排列。含义主要包括 1、链的数目； 2、每条链的起始和末端组分； 3、每条链中组分的数目、种类及其顺序； 4、链内或链间相互作用的性质、位置和数目。测定方法：1、生化方法：肽链的拆开、末段分析、氨基酸组成分析、多肽链降解、肽顺序分析 2、质谱技术（Mass Spectrometer)和色谱层析分析技术。 2、二级结构（Secondary Structure）是指多聚体分子主链（骨架）空间排布的规律性。测定方法：1、圆二色技术（Circular dichroism CD）、红外光谱（Infrared spectrum）和拉曼光谱（Raman spectrum ）技术。 3、水化作用 (Hydration)：离子或其他分子在水中将在其周围形成一个水层。 笼形结构(cage structure)：疏水物质进入水后水分子将其包围同时外围水分子之间较容易互相以氢键结合而形成笼形结构。 4、能量共振转移（energy resonance transfer): 将分子视为一个正负电荷分离的偶极子，受激发后将以一定的频率振动，如果其附近有一个振动频率相同的另一分子存在，则通过这两个分子间的偶极－偶极相互作用，能量以非辐射的方式从前者转移给后者，这一现象称为～。 5、脂多形性（lipid polymorphism):不同的磷脂分子可形成不同的聚集态或不同的结构，称为“相”，同一磷脂分子在不同的条件下也可以形成不同的聚集态，这一性质称为脂多形性。 6、相分离（phase separation）：由两种磷脂组成的脂质体，当温度在两种磷脂的相变温度之间时，一种磷脂已经发生相变处于液晶态，另一种磷脂仍处于凝胶态，这种两相共存的现象称为相分离。 7、相变：（phase transition）:是指加热到一定稳定时脂双层结构突然发生变化，而脂双层仍然保留的现象。这一温度成为相变温度，温度以上成为液晶相，相变温度以下称为凝胶相。 8、协同运输（cotransport）：细胞利用离子顺其跨膜浓度梯度运输时释放的能：量同时使另一分子逆其跨膜浓度梯度运输。 9、被动运输（passive transport）：是指溶质从高浓度区域移动到一低浓度区域，最后消除两区域的浓度差，是以熵增加驱动的放能过程。这种转运方式称为被动运输。 10、主动运输（active transport）：主动运输是指物质逆浓度梯度，在载体的协助下，在能量的作用下运进或运出细胞膜的过程。Na+、K+和Ca2+等离子，都不能自由地通过磷脂双分子层，它们从低浓度一侧运输到高浓度一侧，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。 11、易化扩散（facilitated diffusion）：在双层脂分子上存在一些特殊蛋白质能够大大增加融资的通透性，溶质也是从高浓度侧向低浓度侧运输，这种运输方式被称为易化扩散。这些蛋白质被称为运输蛋白。 12、离子通道（ion channel）：是细胞膜的脂双层中的一些特殊大分子蛋白质，其中央形成能通过离子的亲水性孔道，允许适当大小和适当电荷的离子通过。 13、长孔效应（longpore effect）：当一个离子从膜外进入孔道，要与孔道内的几个离子发生碰撞后才能通过孔道，这种现象称为长孔效应。 14、双电层（electrical double layer ）：细胞表面的固定电荷与吸附层电荷的净电荷总量与扩散层电荷的性质相反，数值相等，形成一个双电层。 15、自由基（ free radical FR ）：能独立存在的、具有不配对电子的原子、原子团、离子或分子。 16、基团频率（ group frequency ）：一些化学基团（官能团）的吸收总在一个较狭窄的特定频率范围内，是红外光谱的特征性。在红外光谱中该频率表现基团频率位移，即特征吸收峰。 17、infrared spectroscopy(红外光谱):以波长或波数为横坐标,以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。 18、圆二色谱（circular dichroism spectrum, CD）：记录的是物质对紫外光与可见光波段左圆偏振光和右圆偏振光的吸收存在的差别与波长的关系，是分子中的吸收基团吸收电磁波能量引起物质电子能级跃迁，其波长范围包括近紫外区、远紫外区和真空紫外区。 19、圆二色性（activity of circular dichroism）：手性物质对左右圆偏振光的吸收度不同，导致出射时左右圆偏振光电场矢量的振幅不同，通过样品后的左右圆偏振光再次合成的光是椭圆偏振光，而不再是线性偏振光，这种现象称为~。 20、旋光性（activity of optical ratation）：左右圆偏振光在手性物中行进（旋转）速度不同，导致出射时的左右圆偏振光相对于入射光的偏振面旋转的角度不同，通过样品后的左右圆偏振光再次合成的光相对于入射光的偏振面旋转了一定的角度，称为~。 21、荧光(fluorescence)：受光激发的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。寿命为10-8~ 10 -11s。由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数kf为106~109s-1。分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构（2）具有一定的荧光量子产率。
微生物制药技术 工业微生物技术是可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、生态环境危机和改造传统产业的根本技术依托。工业微生物的发展使现代生物技术渗透到包括医药、农业、能源、化工、环保等几乎所有的工业领域，并扮演着重要角色。欧美日等国已不同程度地制定了今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划，可以看出工业微生物技术在未来社会发展过程中重要地位。 微生物制药技术是工业微生物技术的最主要组成部分。微生物药物的利用是从人们熟知的抗生素开始的，抗生素一般定义为：是一种在低浓度下有选择地抑制或影响其他生物机能的微生物产物及其衍生物。(有人曾建议将动植物来源的具有同样生理活性的这类物质如鱼素、蒜素、黄连素等也归于抗生素的范畴，但多数学者认为传统概念的抗生素仍应只限于微生物的次级代谢产物。)近年来，由于基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，报道的微生物产生的除了抗感染、抗肿瘤以外的其他生物活性物质日益增多，如特异性的酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其活性已超出了抑制某些微生物生命活动的范围。但这些物质均为微生物次级代谢产物，其在生物
合成机制、筛选研究程序及生产工艺等方面和抗生素都有共同的特点，但把它们通称为抗生素显然是不恰当的，于是不少学者就把微生物产生的这些具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物统称为微生物药物。微生物药物的生产技术就是微生物制药技术。可以认为包括五个方面的内容： 第一方面菌种的获得 根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买；从大自然中分离筛选新的微生物菌种。 分离思路新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。具体分离操作从以下几个方面展开。 定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。
太赫兹技术及其应用概述 来源：互联网 太赫兹技术（T-RAY）是指利用太赫兹波的技术,所谓的太赫兹科学，就是研究电滋波中的某一段，但这段电滋波能“看透”许多东西。100多年前，在红外天文学上人们曾提到太赫兹，但在科研和民用方面很少有人触及。在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹发展滞后的主要原因在于缺少探测器和发射源，直到近10几年，随着科研手段的提高，人们在这一领域的研究才有了较大发展。目前人类对太赫兹的研究已发展成为一个新的领域，研究太赫兹的单位也从20年前的3个发展到全世界的200多个。 太赫兹波指的是频率在0.1THz~10.0THz范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹波谱学、太赫兹成像和太赫兹通信是当前研究的三大方向。在安全检查、无损探测、天体物理、生物、医学、大气物理、环境生态以及军事科学等诸多科学领域有着重要的应用。具有极高截止频率的肖特基二极管能够在室温下实现太赫兹波的混频、探测和倍频，是太赫兹核心技术之一；此外，在低损耗的衬底上实现太赫兹电路是太赫兹技术得以实现的基础。 太赫兹波是频率范围在0.1T至10THz(波长在3mm至30um)的电磁频谱，它介于毫米波与远红外光之间，是至今人类尚未充分认知和利用的频谱资源，有望对通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、安全检查等领域带来深刻变革。 太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。 经过近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高（波长比微波小1000陪以上），所以其空间分辨率很高。又由于
第十二章太赫兹成像在生物医学中的应用 12.1 发展机遇 太赫兹科学在医学方面存在大量机遇。例如，它可以帮助人们提高空间分辨率和数据获取速率；还能帮助人们更好地理解太赫兹在复杂介质中的传播；再如发展内窥镜来观察体内的上皮表层。 太赫兹科学在医学中应用的最好例子如图 12-1所示。利用太赫兹反射式成像，研究人员无需进入到生物体内就可以确定细胞癌肿瘤的范围和深度。另外，利用太赫兹技术还可以探测X射线所无法成像的龋齿，以及对骨组织的进行三维成像。 12.2 应用潜力 太赫兹辐射有望成为一种新的医学成像技术。水虽能强烈吸收太赫兹辐射，但不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异正好产生了成像对比度。对于牙齿、皮肤、乳房等器官的研究表明：太赫兹成像能发现其它成像技术无法观察到的特征。图 12-1就表明了太赫兹技术作为诊断工具的潜力。图中(a)部分给出了一个典型的皮肤癌的图像，从该图很难确定这个体内癌变的范围和深度。图 (b)和(c)中给出了它的宽带太赫兹反射图。其中(b)利用表面细节特征进行了一定的优化处理。(c)对200-300μm米的深度进行了优化处理。这两副图显示出了(a)中所无法看到的肿瘤范围。将(d)和(e)中标准的病理学照片与以上这些成像照片作对比，由这些图可以看出太赫兹成像技术在医学上的实力。
图 12-1 皮肤创伤的太赫兹图像 12.3 基本原理 太赫兹辐射具有对生物材料高分辨率（100μm）成像的潜力，因为它的成像对比度机制和目前的成像技术不同。虽然核磁共振能在不同深度成像，同时还会提供一些化学信息，但它不适用于表面或很薄的上皮组织层成像。超声技术基于组织对声波的反射和吸收，其分辨率极限为500μm。目前，研究人员有可能实现太赫兹技术与超声成像技术的相互结合。光学层析(OCT)技术利用飞秒近红外光在表面或表面附近成像。该技术可以提供很高的分辨率和真实的结构信息，但成像的深度限制在1-1.25mm，而且其对比度机制基于组织中光学参数的变化。另外还有一些采用共焦结构或高频谱成像的光学技术，它们也能用于组织的表征成像。值得一提的是，上述的所有光学方法和太赫兹成像技术都是相容的。 太赫兹成像可以提供组织表层下1-2cm的信息，而这一深度取决于组织中的水含量。虽然太赫兹图像的对比度与水含量有关，但局部环境的改变对观察到的信号也有显著的影响。在波导中传输的太赫兹或许能促进内窥方面的应用，同时探测器技术和成像算法的改进应该会使成像质量得到进一步提高。 12.4 太赫兹在生物医学中的应用 在生命科学和医学诊断学领域，太赫兹成像技术势必会与已有的成像技术相抗衡，甚至会超越后者。在这一领域中，太赫兹成像有着巨大的潜力。它是研究树木年代学、病理学等的有力工具。 12.4.1 树密度测绘 树木的宏观密度是木材和纸厂的一个关键参量，而且在木材加工过程中还是要经常测定它的宏观密度。但是从科学角度来说，还是木材的微观密度波动比较有研究价值。特别地，与树的年轮相关的不同密度有着非常高的利用价值，是树木年代学研究领域的中心。从这些年轮的密度轮廓，树木年代学家能得到气候变化的情况及过去几个世纪的森林燧石信息。 太赫兹成像能够有效的对数密度进行测量。为证明这一点，现以水青冈（山毛榉）实验为例。由于太赫兹辐射对水有很高的灵敏度，所以先将14×14×1.7mm3
医学细胞生物学教学网络资源应用摘要：以新疆医科大学的课程中心网络资源配置为例，目前的基础医学课程教学中已注入多媒体技术、数字化技术和网路技术等元素，使教学手段更加多元化，使课程内容更加直观化、形象化，显著提高了教学效率和质量，以网络为基础的各种知识学习逐渐成为世界教学发展的一种趋势。 关键词：医学细胞生物学;网络资源;医学教育 随着中国特色社会主义新时代的到来，国家应用型人才需求对医学类高校基础课程教学提出了新的要求[1]。以网络为基础的各种知识学习逐渐成为世界教学发展的一种趋势，基于此，新疆医科大学建立了课程中心网站。目前就以《医学细胞生物学》基于课程中心网站的教学方法和模式应用为例做以下分析： 一、采用学导式、启发式为主的教学法 《医学细胞生物学》作为医学教学中的一门基础桥梁课程针对大学一年级的医学生开设，经过中学生物学学习后积累了一定的生物学知识，为学生启用发散性思维和进一步思维创新奠定了基础，使医学生在未来遇到复杂现实问题时，能联系多学科知识，寻求对问题全新、独特性的解决方法，进而做出临床诊断[2]。多年以来，在《医学细胞生物学》教学方法探索的道路上教师们匍匐前进、推陈出新，从更新教学理念和教学模式入手，认真研究教学方法，从传统的知识型传授走向知识传授与探索相结合，从灌输式走向启发式和互动式教学，逐渐普及翻转课堂，课前10分钟活动以及细化到PBL教学模式。以上
课生动、活跃的课堂气氛完成“精彩五十分钟讲堂”，课下能和学生沟通，能及时回答学生提问，到随时注意网络课程互动栏目动态，以便随时联系学生，及时回答学生问题，将教师对待专业的积极性传递给学生，能启发学生的积极性为教学目的。根据《医学细胞生物学》学科自身与临床疾病发病机制密切相关的特点，构建一种以实例为基础的新教学模式，如讲到溶酶体一章，联系在临床上矽肺病，它的临床运用，让学生学会思考问题并提出解决的方法，提高了学生的学习意识和理论结合实际的能力。除此之外，在医学细胞生物学教学中还持之以恒地开展校级和院级知识竞赛和绘图比赛、精讲、网络作业、网络师生交流平台、开放性实验等第二课堂也激发学生学习的积极性。 二、网络与视频资源的建立及使用 为了适应《医学细胞生物学》教学方法的不断改进及学生对网络资源的需求，为了发挥好“课程中心”网站服务教学、服务学生、提高教学质量的重要支撑作用，新疆医科大学自2012年起开始了“课程中心”网站建设以及完善工作，在这方面有了一定的成就。新疆医科大学“课程中心”建立了涉及22门医学专业，所有相关专业课程网站，所有课程网站浏览权限均是对外开放的，目前点击量近500万，自2012年起每个课程网站均在实时更新、随时完善。就本科生的《医学细胞生物学》网站而言2012年已建立，随后被评定为精品课程，目前点击量已达66944，目前“医学细胞生物学”课的网站全部已建立，网页具体内容包括以下10个方面；1.课程简介；课程总体简介和课程建设规划，这对学生深入了解这门课程十分重要，很好的回答了所
射电天文及太赫兹技术的应用与发展 目录： 1. 射电天文学的介绍； 2. 太赫兹波段的特点； 3. 太赫兹科学技术与应用发展； 4. 高度灵敏探测技术和超导技术的发展； 5. SMA及ALMA计划，后端频谱处理技术，南极天文台太赫兹望远镜计划介绍。 摘要：射电天文学理论认为由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮 （N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz 技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。 关键词：射电天文太赫兹超导 正文： 一：射电天文： 对于研究射电天体来说，测到它的无线电波只是一个最基本的要求。人们还可以应用颇为简单的原理，制造出射电频谱仪和射电偏振计，用以测量天体的射电频谱和偏振。研究射电天体的进一步的要求是精测它的位置和描绘它的图像。一般说来，只有把射电天体的位置测准到几角秒，才能够较好地在光学照片上认出它所对应的天体，从而深入了解它的性质。为此，就必须把射电望远镜造得很大，比如说，大到好几公里。这必然会带来机械制造上很大的困难。因此，人们曾认为射电天文在测位和成像上难以与光学天文相比。可是，五十年代以后，射电望远镜的发展，特别是射电干涉仪（由两面射电望远镜放在一定距离上组成的系统）的发展，使测量射电天体位置的精度稳步提高。五十年代到六十年代前期，在英国剑桥，利用许多具射电干涉仪构成了“综合孔径”，系统，并且用这种系统首次有效地描绘了天体的精细射电图像。接着，荷兰、美国、澳大利亚等国也相继发展了这种设备。到七十年代后期，工作在短厘米波段的综合孔径系统所取得的天体射电图像细节精度已达2″，可与地面上的光学望远镜拍摄的照片媲美。射电干涉仪的应用还导致了六十年代末甚长基线干涉仪的发明。这种干涉仪的两面射电望远镜之间，距离长达几千公里，乃至上万公里。用它测量射电天体的位置，已能达到千分之几角秒的精度。七十年代中，在美国完成了多具甚长基线干涉仪的组合观测，不断取得重要的结果。
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议手册 2015.3.25-27四川成都 主办单位：太赫兹科学协同创新中心，中国电子学会太赫兹分会 承办单位：自然科学基金-中科院太赫兹科学技术前沿发展战略研究基地，863-12专家组，中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路 国家级重点实验室，电子科技大学物理电子学院 金牌赞助商：成都至上兴邦科技有限公司
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议组织机构 大会主席：刘盛纲院士 大会委员会： 高级顾问：陈佳洱院士、周炳琨院士 主席团：刘盛纲院士、吴培亨院士、姚建铨院士、庄松林院士、范滇元院士、杨国桢院士、褚君浩院士、龚知本院士、樊明武院士、刘永坦院士、雷啸霖院士、吴一戎院士、李树深院士、金亚秋院士、许宁生院士、牛憨笨院士、彭堃墀院士、王育竹院士、朱中梁院士、涂铭旌院士、林祥棣院士、姜文汉院士、郭光灿院士、李言荣院士、龚克教授、谢维信教授 委员：陈健、罗先刚、刘濮鲲、蒋亚东、曹俊诚、张存林、崔铁军、冯志红、汪力、张伟力、唐传祥、金飚兵、王华兵、常胜江、盛政明、施卫、秦华、刘峰奇、刘伟伟、朱亦鸣、王金淑、姜万顺、杨梓强、鄢扬 会议执行主席：喻胜 会议秘书长：张雅鑫 副秘书长：钟任斌
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议安排 会议时间：2015年3月25日-27日 时间安排： ●3月25日报道 ●3月26-27日会议 会议地点：电子科技大学沙河校区一教 会议报告形式： ●4份大会特邀报告（报告时间35分钟，提问时间5分钟） ●23份主题报告（报告时间20分钟，提问时间5分钟） ●20份口头报告（报告时间12分钟，提问时间3分钟） ●63份张贴报告 参展公司： 金牌赞助：成都至上兴邦科技有限公司 会议赞助：上海铭剑科技有限公司 （按笔画排名）中国电子科技集团公司第四十一研究所 北京先锋科技有限公司 成都美克锐科技有限公司
复旦大学课程教学大纲
教学内容及要求： 绪论 教学内容 1. 微生物的定义和分类 2. 原核细胞型、真核细胞型和非细胞型微生物的种类及区别 3. 微生物的发展史 4. 医学微生物学概况 教学要求 1. 熟悉微生物的主要特性，原核细胞型和真核细胞型微生物的区别 2. 了解微生物的发展史及医学微生物的概况 第一篇细菌学 第 1 章细菌的形态与结构
教学内容 6. 细菌合成代谢和分解代谢产物及其意义
3. 熟悉紫外线和滤过除菌法的原理及应用 4. 了解化学消毒剂的杀菌原理及其种类、
第 4 章噬菌体 教学内容 1. 噬菌体的生物学性状 2. 毒性噬菌体和温和噬菌体教学要求 1. 掌握毒性噬菌体、温和噬菌体、溶原性转换的概念 2. 熟悉噬菌体的形态与基本结构及复制过程第 5 章细菌的遗传与变异教学内容1．细菌遗传变异的概念 2．遗传变异的物质基础，包括细菌染色体、质粒和转位因子、整合子及噬菌体基因组等3．自发突变和诱发突变、点突变和染色体畸变、突变的后果及实际意义 4．细菌转化、转导、接合、溶原性转换所致的基因转移与重组 5．细菌遗传变异在诊断、预防、治疗等方面的应用，Ames 试验、遗传工程等教学要求 1．掌握基因转移与重组，包括转化、转导及溶原性转换的概念、转移方式及后果；掌握 F 质粒、Hfr 、R 质粒的特性、转移方式及后果 2．熟悉质粒、转位因子等遗传物质的特性及功能 3．熟悉Ames 试验的原理、方法及意义 4．了解突变的类型、突变鉴定的经典实验及突变的实际意义 5．了解细菌遗传变异的实际应用 第 6 章细菌的耐药性 1. 抗菌药物的概念及种类 2. 抗菌药物的抗菌机制 3. 细菌耐药的遗传、生化机制及预防耐药的方法
太赫兹技术各种应用 “Terahcrtz”一词是弗莱明（Fletning）于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，THz波又被称为T-射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域，长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙（THzGap）” THz波具有很多独特的性质，从频谱上看，THz辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域，THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线，从能量上看，THz波段的能量介于电子和光子之间。THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注，美国、欧洲和日本尤为重视。2004年美国技术评论（TechonlogyReview）评选“改变未来世界十大技术”时，将THz技术作为其中的紧迫技术之一。2005年日本政府公布了国家10大支柱技术发展战略规划，THz位列首位。 一、THz波的特性 THz波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域.在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠；在频域上，THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1、THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术 能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比（大于）THz电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点； 2、THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从CHz至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质； 3、THz波的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。THz波的时域光谱技术（THz-TDS）直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz波的振幅和相位。因此，无需使用Kramers-Kronig 色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确； 4、THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量大约只有4mV https://www.doczj.com/doc/848279599.html, 光子能量，比X射线的光子能量弱107--108倍。因此，THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查； 5、THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多；
太赫兹波的特点 ?（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X 射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。 （2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV（毫电子伏特），只是X 射线光子能量的108 分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。 （3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性，因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。 （4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。 （5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。 （6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。 太赫兹波的产生 ?（1）通过FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer）使用热辐射源产生，如汞灯和SiC棒； （2）是通过非线性光混频产生； （3）是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生； （4）是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激光器直接产生。目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注，此外，还可以用半导体表面产生THz波。 太赫兹波的研究现状 ?太赫兹波现象其实早已为人们所发现，然而早期因缺乏有效的太赫兹波产生和探测技术，使得相关研究进展极其缓慢[2]。进入20世纪80年代后，激光技术的迅速发展为研究有效太赫兹波的产生和探测技术孕育了基础。据文献报道，1983年 D.H.Anston[3]首次利用光学技术，通过超短激光脉冲激发光电导天线产生了相干脉 冲宽带THz辐射。鉴于D.H.Auston做出的巨大贡献，光导天线后来常被称为“Auston switeh”。紧接着，D.Grischkowsky和D.H.Auston等又开发出了基于超短激光脉冲激发光电导天线的THz时域光谱探测技术。这种基于基于超短激光脉冲激发光电导天线的太赫兹波产生和探测技术至今仍然是实验设备应用的主流。1990-1992年，X.C.zhang和D.H.Auston[4]等又提出了原理上完全不同的太赫兹波产生与探测方法一基于瞬态电光取样及其逆过程的THz产生与探测技术。 至此，太赫兹波的产生与探测技术虽然还不成熟，但已经能够用于相关仪器的制造与生产，为科研人员研究太赫兹波与物质相互作用提供了必备的实验手段。太赫兹科学和技术有极大的应用潜力，但目前还受太赫兹辐射源的限制，比如：产生的太赫兹辐射强度不高、带宽不够宽、能量转化效率低等因素，所以太赫兹领域的发展还需更大的努力。
太赫兹及其产生方法 摘要：太赫兹技术是20世纪80年代末产生的一种高新技术，近年来颇受关注。它在基础研究、生物科学等众多领域都有非常重要的应用前景。THz波具有很多的优越性，具有重要的研究价值。本文简要的介绍了THz波及其在公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信方面的应用，然后深入的阐述了THz波的产生方法。 关键词：THz波的应用THz波产生方法 1.引言 随着现代科学技术的发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来。从云计算到物联网，从激光到太赫兹技术的出现都给了我们很大的机遇，同时也存在一定的挑战。为在国际竞争中立于不败之地，我们国家在“十二五”战略新兴产业发展重点中提出了应大力发展信息产业、生物产业、航空航天产业、新能源产业、新材料产业、节能环保产业、新能源汽车产等新型产业，另外国家还确定了五项科技领域，而太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起着举足轻重的作用。 2.太赫兹简介及其应用 2.1太赫兹简介 太赫兹通常是指频率在0.1~10THz的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。 2.2 THz的应用 由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很，又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信等领域带来了深远的影响。
太赫兹技术及其应用详解 太赫兹研究主要集中在0.1-10 THz 频段。这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域。起初，这一频段被称为THz Gap （太赫兹鸿沟），原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频，即电子学频谱和光学频谱之间。其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，高频段与光学领域的远红外频段（波长0.03-1.0 mm）有重叠。由于这一领域的特殊性，形成了早期研究的空白区。但随着研究的开展，太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现，其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面，如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。太赫兹之所以具有良好的应用前景，主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。例如：自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段，这对检测生物信息提供了一种有效的手段; 太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体造成损坏，可以实现无损检测; 太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，从而可作为探测隐蔽物体的手段; 太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱，易于对各种材料进行光谱分析; 此外，太赫兹频段的带宽很宽，从0.1-10 THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源。 相对于毫米波技术，太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等，而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。 1、太赫兹源伴随着太赫兹波生成技术的发展，太赫兹源的研究已有很多有价值的新进展。研发低成本、高功率、室温稳定的太赫兹源是发展太赫兹技术的基础。太赫兹源的分类多种多样，按照产生机理，可以分为基于光学效应和基于电子学的太赫兹源。按照源类型可以分成3 类：非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹连续波源。