第11卷第6期 太赫兹科学与电子信息学报 Vol I No 6 2013年12月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Dee.,2013 文章编号：2095-4980(2013)06-0827-09 太赫兹波生物医学研究的现状与未来 冯华，李飞，陈图南 (第三军医大学西南医院神经外科&物理与生物医学交义实验室，重庆400038) 摘要：20世纪90年代以来，一系列的电子学和光子学技术突破使得大赫兹(THz)技术从实 验研究逐浙发展到非破坏性检测、安全、医疗、通信等重要领城的实际应用。新技术的发展广泛 澈发了研究太赫装波与生物分子和组织问相互作用的兴。与此同时，尽管太赫装技术得到了广 泛应用，人们对大赫兹辐射的生物效应却知之甚少。可以背定，与高能辐射（如禁外线、X射线 伽马射线等)和生物组织的相互作用所引起的生物损伤相比，大赫兹辐射将引起独特的垂电离非热 生物效应。本文介绍了生物介质的大赫兹波表狂技术研究和生物效应研究，总结了太赫蕊技术在 生物医学中的最新进是，进一步分析了太林兹生物医学未来的发展和所面临的关键科学问题。 关键词：生物效应：表任技术；大赫兹生物医学；大赫兹生物医学空隙 中图分类号：TN29 文献标识码：A doi:10.11805/TKYDA201306.0827 Current situation and future trends for THz-biomedicine FENC Hua LIFei CHEN Tunan (Department of Neur gery Interdiseiplinary Laboratory of Physies and Biom cal.Southwest Hospital. Third Military Medical University.Chongqing 400038.China) number of technical breakthroughs in sarted to bring teraherz(THz) wave technol from labo THz radiation have the int dbiologica vely little isk the effect of THz radiatie on biological r that the no non-ionizing THz radiation influer s biological functions must be fundamen ntally different from tho playwhen high al radiation inte eeira racts and dam matter.The lates L s and biological effects.Furthermore,the future trends and the key scientific oroblems of tHz-biomedicine are alse Kebioc ecT-biomdicine Tbmedicine 太赫燕(THz)是规率在0.1THz10THz波长为0.03mm~3mm)的电酸波，在电磁波频谱中占有特殊位置。由 于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，太栋兹频段的电磁波一直未能得到充分研究和应用，太赫兹波在生物 医学中的应用研究也受制于此。近年来，随着电子学科学技术向THz长波段的发展和光子学科学技术向TH2短波 段的发展，电磁波谱中的“太赫兹空隙”逐渐得到填补)，太赫兹波在生物医学中的应用研究也随之成为可能」 由干生物体对THz被且右独特的响应，DNA RNA。蛋白等重要生物大分子的旋转及振动能级多处干TH2 波段，因此可以对生物大分子的结构、性质进行分析鉴定乃至精确操控和调节，不仅可以获得目标样品的轮廓信 息，还可以对其成分进行分析。此外，THz波对组织有一定的穿透能力，同时具有较高的时间分辨率和灵敏度 信噪比高，频率极宽，能量只有X射线的百万分之一，不会引起生物组织的光离化，在生物医学成像方面非常安 全，适用于生物医学成像川。这些特殊优势提示THz被的应用可能为生物医学研究带来革命性进展41，因此。 THz波一经产生就成为生物医学研究焦点。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： 1994-2014Ch al Eleetronie Publishing House.All rights www.cnki.ne
第 11 卷 第 6 期 太赫兹科学与电子信息学报 Vo1．11，No．6 2013 年 12 月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Dec．，2013 文章编号：2095-4980(2013)06-0827-09 太赫兹波生物医学研究的现状与未来 冯 华，李 飞，陈图南 (第三军医大学 西南医院神经外科&物理与生物医学交叉实验室，重庆 400038) 摘 要：20 世纪 90 年代以来，一系列的电子学和光子学技术突破使得太赫兹(THz)技术从实 验研究逐渐发展到非破坏性检测、安全、医疗、通信等重要领域的实际应用。新技术的发展广泛 激发了研究太赫兹波与生物分子和组织间相互作用的兴趣。与此同时，尽管太赫兹技术得到了广 泛应用，人们对太赫兹辐射的生物效应却知之甚少。可以肯定，与高能辐射(如紫外线、X 射线、 伽马射线等)和生物组织的相互作用所引起的生物损伤相比，太赫兹辐射将引起独特的非电离非热 生物效应。本文介绍了生物介质的太赫兹波表征技术研究和生物效应研究，总结了太赫兹技术在 生物医学中的最新进展，进一步分析了太赫兹生物医学未来的发展和所面临的关键科学问题。 关键词：生物效应；表征技术；太赫兹生物医学；太赫兹生物医学空隙 中图分类号：TN29 文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201306.0827 Current situation and future trends for THz-biomedicine FENG Hua，LI Fei，CHEN Tu-nan (Department of Neurosurgery & Interdisciplinary Laboratory of Physics and Biomedical，Southwest Hospital， Third Military Medical University，Chongqing 400038，China) Abstract：Since early 1900s, a number of technical breakthroughs in electronics and photonics have started to bring terahertz(THz) wave technologies from laboratory demonstrations to industrial applications such as non-destructive testing, security, medicine, communications, etc. Recent advances in producing THz radiation have stimulated interests in studying the interaction between radiation and biological molecules and tissue. Despite this emerging ubiquity of THz applications, relatively little is known about the effect of THz radiation on biological systems. It is clear that the non-thermal mechanisms by which the non-ionizing THz radiation influences biological functions must be fundamentally different from those at play when high-energy(UV, X-ray, gamma, et al) radiation interacts and damages bio-matter. The latest application progresses of terahertz technique on biomedicine are overviewed by two parts：advances in characterization techniques and biological effects. Furthermore，the future trends and the key scientific problems of THz-biomedicine are also pointed out. Key words：biological effects；characterization techniques；THz-biomedicine；THz-biomedicine gap 太赫兹(THz)是频率在0.1 THz~10 THz(波长为0.03 mm~3 mm)的电磁波，在电磁波频谱中占有特殊位置。由 于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，太赫兹频段的电磁波一直未能得到充分研究和应用，太赫兹波在生物 医学中的应用研究也受制于此。近年来，随着电子学科学技术向THz长波段的发展和光子学科学技术向THz短波 段的发展，电磁波谱中的“太赫兹空隙”逐渐得到填补[1-2]，太赫兹波在生物医学中的应用研究也随之成为可能。 由于生物体对THz波具有独特的响应，DNA、RNA、蛋白等重要生物大分子的旋转及振动能级多处于THz 波段，因此可以对生物大分子的结构、性质进行分析鉴定乃至精确操控和调节，不仅可以获得目标样品的轮廓信 息，还可以对其成分进行分析。此外，THz波对组织有一定的穿透能力，同时具有较高的时间分辨率和灵敏度， 信噪比高，频率极宽，能量只有X射线的百万分之一，不会引起生物组织的光离化，在生物医学成像方面非常安 全，适用于生物医学成像[3]。这些特殊优势提示THz波的应用可能为生物医学研究带来革命性进展[4-5]，因此， THz波一经产生就成为生物医学研究焦点。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； 收稿日期：2013-03-15；修回日期：2013-09-11 基金项目：国家自然科学基金委与中国工程物理研究院联合基金资助项目(NO:U1230128)
828 太赫兹科学与电子信息学报 第11卷 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路目标”之首，并将太赫兹生物医学应用列为主 要方向之一。举全国之力进行研发：欧洲、亚洲、澳大利亚等国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷 纷投人到Tz生物医学应用的研发热湖之中，向“太赫兹生物医学空隙”发起挑战。 国际上已经开展的太赫兹技术在生物医学中的应用包括疾病诊断问，蛋白状态识别四，检测受体绑定网，无 标记DNA测序，生物组织对太赫兹波的吸收及其差异机制o-,对生物样本和生物过程的辐射影响等。这 些研究的本质均在于研究太赫兹波与生物介质的相互作用并揭示其内在机制。一方面研究太赫兹波经过生物样品 后波谱信息本身的特点，获得特征性物理参数（波谱指纹），成为生物大分子、细胞乃至病理或生理组织的波谱学 检测标记，对样本进行物质识别或反应过程解读，并可进一步利用波谱差异或强度差异结合一定的数学方法实现 多种成像：另一方面研究太赫兹波经过生物样品后生物样品的变化，获得生物性质变化指标，以研究太赫兹生物 效应及其安全性或开发特殊的应用方式。这两方面的研究，前者可归纳为“太赫兹生物表征研究”，后者可归纳 为“太赫兹生物效应研究”。两类研究相同点在于其核心内容均为太赫兹被与生物介质的相互作用，包括从生物 分子到亚细胞结构、细胞、组织、器官、系统、个体等至少6个尺度的研究范围，均依赖于太赫兹技术本身的进 步，均有待在不同检测环境（在体、离体、液相环境等）下获得发展；不同点在于检测分析手段不同，获得的数据 不同，研究的出发点和应用的发展方向不同。下面将这两方面研究的代表性进展做简要综述。 太赫兹波生物表征技术研究进展 太赫 赫泼生物表征技术主要包括波检测和成像拉术两大方面而成像方法往往又依赖于成像对象的特征性 基 的分子构像，状以及水分子与蛋白质 11 TH ain spectroscopy System)L 且发现 有可 光话 开始出现天 到 浓 间相互作用 的影 距 蛋 a 13 和2.3 院Keith 米团能的 赫 A里的兰 因素 型机电系统BioMEMS(BiO 可测 为检测 率，已用于离休 的神经轴索 蛋白质 H心等2利用太林兹时域光谱系统研究】 血红蛋白不同氧化状态的分子群体动态：日本神户大学 h等利用时域光谱系统研究了短肽甘氨酸(G )和甘氨酸(G1 6球状蛋白、细菌视紫红质(BR 等生物分子的低率动态】 德国被鸿鲁尔大学 等2研究了人血清白蛋白在70℃和55℃不可遇 和可逆热变形过程中太赫兹吸收峰(0，.1TH21TH2和2.1TH2-28TH2范围内)的特征性变化 发现太赫兹吸收峰 也随者蛋白热变性的逆转表现出逆转特征，这一特征反应了血清白蛋白水合结构的动态变化。目前，对生物大分 子的检测大多还仅限于物质识别阶段，虽有少量分千动力学方面的研究，如碱性裤酸酶活性和抗原抗体远 离相互作用的太赫兹检测等但运用太赫兹技术进行微量乃至单个生物分子静态结构和动态反应过程的研 究仍有很长的路要走」 在特定生物组织检测方面，国际上众多研究机构对人体或模式动物在进行正常组织太赫兹特征研究的同时还 进行了病变组织的诊断学研究。英国利兹大学Fitzgerald等0对健康志愿者捐献的血液、横纹肌、 皮肤、脂肪 静肚其至神经组组进行了05H)0下日2之问的大赫兹折米率和服米系数检测研室结果发抑太转益拾测对人 体不同组织具有良好的辨识度，初步证实了临床在体检测或成像研究的可行性：维也纳理工大学固态电子研究所 J Darmo等]在3.4THz下对大鼠脑组织切片进行了成像研究（图1），发现该频率THz波谱可分辨脑组织不同区域中 脂肪、水、蛋白含量的差异：首尔Yosi大学等机构联合进行了太赫兹对新鲜脑组织的成像研究2，发现THz波 1994-2014 China Academic Joumal Eleetronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
828 太赫兹科学与电子信息学报 第 11 卷 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，并将太赫兹生物医学应用列为主 要方向之一，举全国之力进行研发；欧洲、亚洲、澳大利亚等国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷 纷投入到THz生物医学应用的研发热潮之中，向“太赫兹生物医学空隙”发起挑战。 国际上已经开展的太赫兹技术在生物医学中的应用包括疾病诊断[6]，蛋白状态识别[7]，检测受体绑定[8]，无 标记DNA测序[9]，生物组织对太赫兹波的吸收及其差异机制[10-11]，对生物样本和生物过程的辐射影响等[12]。这 些研究的本质均在于研究太赫兹波与生物介质的相互作用并揭示其内在机制。一方面研究太赫兹波经过生物样品 后波谱信息本身的特点，获得特征性物理参数(波谱指纹)，成为生物大分子、细胞乃至病理或生理组织的波谱学 检测标记，对样本进行物质识别或反应过程解读，并可进一步利用波谱差异或强度差异结合一定的数学方法实现 多种成像；另一方面研究太赫兹波经过生物样品后生物样品的变化，获得生物性质变化指标，以研究太赫兹生物 效应及其安全性或开发特殊的应用方式。这两方面的研究，前者可归纳为“太赫兹生物表征研究”，后者可归纳 为“太赫兹生物效应研究”。两类研究相同点在于其核心内容均为太赫兹波与生物介质的相互作用，包括从生物 分子到亚细胞结构、细胞、组织、器官、系统、个体等至少6个尺度的研究范围，均依赖于太赫兹技术本身的进 步，均有待在不同检测环境(在体、离体、液相环境等)下获得发展；不同点在于检测分析手段不同，获得的数据 不同，研究的出发点和应用的发展方向不同。下面将这两方面研究的代表性进展做简要综述。 1 太赫兹波生物表征技术研究进展 太赫兹波生物表征技术主要包括波谱检测和成像技术两大方面，而成像方法往往又依赖于成像对象的特征性 太赫兹波谱信息，因此，被测物质的波谱特征成为太赫兹表征研究的重点。 生物分子检测方面，太赫兹波对糖、脂类、氨基酸乃至蛋白质的分子构像[13]、状态以及水分子与蛋白质间 相互作用十分敏感。Kikuchi等[14]首次利用变角THz-TDS(Time-Domain spectroscopy System)测定L-半胱氨酸和L- 组氨酸的氨基酸单晶体；Plusquellic等[15-16]利用THz-FTIR(Fourier Transform Interferometer)技术检测不同晶型的 多肽，获得了明显不同的THz波谱，并且发现短链晶型的多肽在THz波段有明显的特征吸收；中国北京大学Junhui Xue等[17]利 用0.2 THz~2.25 THz波段时域光谱仪检测了糖-金属复合物的太赫兹吸收光谱；中国西安光机所 Zhuanping Zheng等[18]报道了L-丙氨酸在0.5 THz~4.0 THz之间的光谱吸收特征。蛋白质太赫兹检测方面，2000年 开始出现了太赫兹TDS系统被应用到蛋白质检测的文献报道[19]。德国鲁尔大学研究人员利用太赫兹波清楚地观察 到水分子与蛋白质之间的相互影响和相互作用[20]，发现太赫兹波可检测到不同温度、不同浓度下蛋白质与水之 间相互作用的差异，测量并预计蛋白质对水分子的影响距离约为15 Å~20 Å；俄罗斯N N Brandt等[21]利用太赫兹 波检测蛋白内氨基酸和冠醚的相互作用，以预测蛋白功能改变，在1.3 THz, 2.1 THz和2.3 THz均发现冠醚特征峰； 美国麻省理工学院Keith Johnson等[22]研究了生物结合水纳米团簇的太赫兹振动特性，认为水纳米团簇是影响蛋白 折叠和药物攻击癌细胞DNA效果的关键因素；法国里尔大学Abdennour Abbas等[23]利用集成太赫兹电路方法，设 计了生物微型机电系统BioMEMS(Biological MicroElectro-Mechanical System)，可测定0.14 THz~0.22 THz内检测 频率，已用于离体一氧化碳合酶活性的活性检测，并在受伤水蛭的神经轴索周围实时测量了一氧化氮合酶的活性， 为在体神经损伤探测提供了新的可能方法。蛋白质的动态结构变化也是太赫兹探测的重要靶标，美国纽约州立大 学 的Yunfen He等[24]利用太赫兹时域光谱系统研究了血红蛋白不同氧化状态的分子群体动态；日本神户大学 Shintaro Kawaguchi等[25]利用时域光谱系统研究了短肽甘氨酸(Gly)和甘氨酸(Gly)、6球状蛋白、细菌视紫红质(BR) 等生物分子的低频率动态；德国波鸿鲁尔大学Trung Quan Luong等[26]研究了人血清白蛋白在70 ℃和55 ℃不可逆 和可逆热变形过程中太赫兹吸收峰(0.1 THz~1 THz和2.1 THz~2.8 THz范围内)的特征性变化，发现太赫兹吸收峰 也随着蛋白热变性的逆转表现出逆转特征，这一特征反应了血清白蛋白水合结构的动态变化。目前，对生物大分 子的检测大多还仅限于物质识别阶段，虽有少量分子动力学方面的研究，如碱性磷酸酶活性[27]和抗原抗体远距 离相互作用的太赫兹检测等[28-29]，但运用太赫兹技术进行微量乃至单个生物分子静态结构和动态反应过程的研 究仍有很长的路要走。 在特定生物组织检测方面，国际上众多研究机构对人体或模式动物在进行正常组织太赫兹特征研究的同时还 进行了病变组织的诊断学研究。英国利兹大学Fitzgerald等[30]对健康志愿者捐献的血液、横纹肌、皮肤、脂肪、 静脉甚至神经组织进行了0.5 THz~2.0 THz之间的太赫兹折光率和吸光系数检测，研究结果发现太赫兹检测对人 体不同组织具有良好的辨识度，初步证实了临床在体检测或成像研究的可行性；维也纳理工大学固态电子研究所 J Darmo等[31]在3.4 THz下对大鼠脑组织切片进行了成像研究(图1)，发现该频率THz波谱可分辨脑组织不同区域中 脂肪、水、蛋白含量的差异；首尔Yonsei大学等机构联合进行了太赫兹对新鲜脑组织的成像研究[32]，发现THz波
第6蝴 冯华等，太抹滋波生物医学研穷的现状与未来 829 谱可风分脑灰质（神经元构成，是脑功能区的总和）与白质（神经轴突构成，主要为信号传导纤维之间存在反射泸 谱差异（图2）：韩国国家研究实验室Euna Jung等圳联合韩国蔚山大学医学中心等单位利用0.4THz和0.8THz波段 时域光谱系统进行了正常关节软骨和炎性关节软骨水含量的定量研究：美国加州先进手术和介人技术中心Davd Bennett等研究了太赫兹波段眼角膜水化检测方法，拟应用于角膜疾病的早期诊断和屈光手术术中监测。 p white matte 202 近来较多的班究报道工电水溢与成像可在胎城切后对乳腺皮肤城一结肠警 理学性质进行快速判定， 魔行快定在体反射式组织树理检测试验性样机。在乳的诊断方面英国剑桥大学 究 理切片进行检测 里组线 识别准确率达92 Chcn等53利用0,32TH2波近场成像系统对冰冻和脱水乳腺切片进行病理分析，并进一步对人乳腺癌细胞 异种移植形成的奥腔席进行 谱分析能好识别庙组 在皮肤控病 斯方面 rd等m于2O03年开始利用太赫兹时域和频城系统对皮肤基底细胞癌进行检测 这2个频 式成像系统实现了猪和大鼠的表皮烧伤区域和正常皮肤的在体差异成像，验证了 皮肤烧伤诊断中的可行性：美国华盛顿大学神经外科Dale P Winet 等I通过反射式TDS 系统研究大鼠实验性全层烧伤皮肤组织 为明确THz波对皮肤 行了在体检测，研究认为目前大量皮肤太赫兹病理检测结果都是基于正常和病理组织之间水含量的差异 认为T2波对受检标木内水成分具有高度的敏感性，水分子结合状态以及水含量是太赫兹检测炎症 肿瘤等病鸡 组织的重要依据42之 天津大学YY Wang博士等利用太赫兹参量振荡技术研究了不同生物组织薄皮中水 的含量和区域分布，为研究生物水合组织病理的诊关系开创了新方法。在牙科，太赫兹技术已被用于龋齿牙釉 质脱矿4、龋齿再矿化成像和光周化材料周化过程检测。对于深部病理组织，韩国延世大学Yong Min Huh 等发现脑胶质瘤组织内含水量高于正常脑组织，在太赫兹成像中表现出明显的特异性：日本上智大学Yasuhire Ma等利用石标本进行研容发转移肝硫组。广、肌糊死在3T波段的存在明显特征光香 中文大学Wai-Chi Kan等I4检测了关节软骨炎症的太赫兹反射波谱特征】 与以上对生物自体成分直接进行太林兹波检测的方法同样值得注意的是，利用外源太林兹波敏感物质间接反 应生物信自的拾调方法。北京大学LY,等研穷了瑞水化合物半到熊隐与金屈离子树和衫相互作用的太赫燕表 征：日本东京大学Takayuki Hasebe等sl通过太林兹波谐振激励方法，高灵敏度地检测到外源的凝集素CON-A与 体内萄萄糖结合量的动态变化，提示抗生物煮蛋白-生物素之间的相互作用可以成为太林兹检测的把点：韩国列 世大学Seung jae oh等到利用15m大小的表面等离子体调制的纳米金探针标记了小鼠体表生长的A431表皮样岛 细胞.利用THz检测术可以准确地酒时检测纳米金深計反应种盥的范围，这一检测方法较折红外深测技术灵数 度提高了4倍以上。 此外，太林兹波生物检测技术还用于药物分析、药品质控、药代动力学乃至外科手术材料研究。中国河北大 学的LiD等s利用太赫兹波尝试分析了二氢吡啶类钙离子挡抗剂Azelnidipine的品体结构：中国科学院Yuping Yag等s)与美国俄克拉荷马州立大学联合进行了中药复方金雀异黄素和鹰嘴豆芽素A的太赫兹光谐特征：美国 10042014h al Eleetronic Publishing House.All rights eserved. htp: www.cnki.ne
第6期 冯 华等：太赫兹波生物医学研究的现状与未来 829 谱可区分脑灰质(神经元构成，是脑功能区的总和)与白质(神经轴突构成，主要为信号传导纤维)之间存在反射波 谱差异(图2)；韩国国家研究实验室Euna Jung等[33]联合韩国蔚山大学医学中心等单位利用0.4 THz和0.8 THz波段 时域光谱系统进行了正常关节软骨和炎性关节软骨水含量的定量研究；美国加州先进手术和介入技术中心David Bennett等[34]研究了太赫兹波段眼角膜水化检测方法，拟应用于角膜疾病的早期诊断和屈光手术术中监测。 近来较多的研究报道了THz光谱与成像可在肿瘤切除后对乳腺癌、皮肤癌、结肠癌、肝癌、口腔疾病等的病 理学性质进行快速判定，其中乳腺、皮肤、口腔等浅表器官的病理组织检测已经开始进行在体研究，美国 TERAVIEW公司推出了在体反射式组织病理检测试验性样机。在乳腺癌的诊断方面，英国剑桥大学Ashworth PC 等利用0.15 THz~2.0 THz脉冲对乳腺癌病理切片进行检测，可准确区分出脂肪、病理组织和正常乳腺；澳大利亚 Fitzgerald AJ等利用THz脉冲成像方法对乳腺癌离体切片和正常乳腺组织进行辨别，识别准确率达92%；台湾大学 Chen等[35-36]利用0.32 THz波近场成像系统对冰冻和脱水乳腺切片进行病理分析，并进一步对人乳腺癌细胞在裸鼠 异种移植形成的乳腺癌进行检测，THz波谱分析能良好识别病变组织。在皮肤疾病诊断方面，英国剑桥大学R M Woodward等[37]于2003年开始利用太赫兹时域和频域系统对皮肤基底细胞癌进行检测；美国洛厄尔大学Cecil S Joseph等[38]进行了人类非黑色素瘤皮肤癌的连续波太赫兹透射成像，工作频率为1.39 THz和1.63 THz，这2个频率 下病理和正常组织数据之间存在60%左右的差异，可在手术中应用此方法划定手术区域；加州大学洛杉矶分校的 Taylor Z D等[39]利用0.5 THz反射式成像系统实现了猪和大鼠的表皮烧伤区域和正常皮肤的在体差异成像，验证了 太赫兹检测技术在皮肤烧伤诊断中的可行性；美国华盛顿大学神经外科Dale P Winebrenner等[40]通过反射式TDS 系统研究大鼠实验性全层烧伤皮肤组织，确定0.5 THz~0.7 THz之间存在较强的特征反射。为明确THz波对皮肤疾 病进行诊断的内在机制，英国剑桥大学E Pickwell等[41]利用太赫兹有限时域差分系统对健康志愿者皮肤含水量进 行了在体检测，研究认为，目前大量皮肤太赫兹病理检测结果都是基于正常和病理组织之间水含量的差异，一般 认为THz波对受检标本内水成分具有高度的敏感性，水分子结合状态以及水含量是太赫兹检测炎症、肿瘤等病变 组织的重要依据[42]之一。天津大学Y Y Wang博士等[43]利用太赫兹参量振荡技术，研究了不同生物组织薄皮中水 的含量和区域分布，为研究生物水合组织病理的诊断关系开创了新方法。在牙科，太赫兹技术已被用于龋齿牙釉 质脱矿[44-45]、龋齿再矿化成像[46]和光固化材料固化过程检测[47]。对于深部病理组织，韩国延世大学Yong Min Huh 等[32]发现脑胶质瘤组织内含水量高于正常脑组织，在太赫兹成像中表现出明显的特异性；日本上智大学Yasuhiro Miura等[48]利用石蜡标本进行研究，发现转移肝癌组织、心肌梗死病灶在3.7 THz波段均存在明显特征光谱；香港 中文大学Wai-Chi Kan等[49]检测了关节软骨炎症的太赫兹反射波谱特征。 与以上对生物自体成分直接进行太赫兹波检测的方法同样值得注意的是，利用外源太赫兹波敏感物质间接反 应生物信息的检测方法。北京大学Lei Yu等[50]研究了碳水化合物半乳糖醇与金属离子铽和钐相互作用的太赫兹表 征；日本东京大学Takayuki Hasebe等[51]通过太赫兹波谐振激励方法，高灵敏度地检测到外源的凝集素CON-A与 体内葡萄糖结合量的动态变化，提示抗生物素蛋白-生物素之间的相互作用可以成为太赫兹检测的靶点；韩国延 世大学Seung Jae Oh等[13]利用15 μm大小的表面等离子体调制的纳米金探针标记了小鼠体表生长的A431表皮样癌 细胞，利用THz检测技术可以准确地通过检测纳米金探针反应肿瘤的范围，这一检测方法较近红外探测技术灵敏 度提高了4倍以上。 此外，太赫兹波生物检测技术还用于药物分析、药品质控、药代动力学乃至外科手术材料研究。中国河北大 学的LiD等[52]利用太赫兹波尝试分析了二氢吡啶类钙离子拮抗剂Azelnidipine的晶体结构；中国科学院Yuping Yang等[53]与美国俄克拉荷马州立大学联合进行了中药复方金雀异黄素和鹰嘴豆芽素A的太赫兹光谱特征；美国 Fig.1 Imaging of rat brain slices at 3.4 THz Fig.2 Spectral differences between white matter and gray matter 图1 3.4 THz波大鼠脑切片成像 图2 脑白质与灰质THz反射波谱差异 Capsula intema ventricle Cortical cortex Commisura hippocampas Corpus callosum Basal ganglia anterior 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 f/THz 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 amplitude gray matter white matter
830 太赫兹科学与电子信息学报 第11卷 害城大学M D King等研究了布洛芬品体结构的太林兹波谱特征：英国伦辣大学Gianluca pastorelli等l5幻利用3D 太赫兹歌冲成像方法，研究了整复外科塑形聚合物的结构组分：日本东京理科大学药学部Issei Takeuchi等研究 了海藻糖二水合物微球的太赫兹结品检测方法：日本三共株式会社Jin Hisazumi等57利用太赫兹脉冲成像方法研 究了水合与影水苍破片的大林兹图像弟异.日本大版大学Aarkus Schirme等5到对药片人类牙货，人类手发讲 行了实时太赫兹彩色成像。越来越多的太赫兹波医药研究得到开展，甲芬那酸[5列和甘露醇6]等常用药物的多品 型制剂太赫兹检测研究也已经见诸文献报道，可以预见，将来大多数药物的太赫兹波谱特征将得到全面研究，最 终形成太林兹波段药物波谱数报库」 综观以上太林兹被生物医学表征技术的研究成果可以发理在接诉在体条件的有杂拾训环培中讲行从组到 到分子的多尺度生物标本检测是当前国际太赫兹生物医学应用研究的热点和难点。随着太赫兹波产生和探测技术 的讲步以及太赫兹技术生物医学应用经验的积累，其检测环墙深渐由固态向液态发展，拾测对象由浅表宏观尺由 标本向深部微观尺度发展，研究目标由现象发现向机制发掘不断深人，如，在检查环境方面，英国格拉斯大学 Shimul C Saha等s提出了一种矢量太林滋频率对生物溶液环境中试样的透射检测方式，该装置利用硅微光栅结 构得到人工绝缘双折射效果，可以测量液体的介电函数，在2THz-5.5THz波段，在溶液中测量了包括蔗糖、鲑 鱼脱氧核糖核酸(DNA)、鲱鱼DNA与牛血清白蛋白等物质；最近，香港中文大学Edward PJ Parrott等62利用 TERAVIEW公司产品，开展了太赫兹技术在体成像的小波分析研究。太赫兹技术组织检测技术逐渐开始向在体 发展，太赫兹检测仪器和平台也向生物医学适应型发展，美国空军研究实验室Gerald J.Wilmink(美国科学院院士) 等6别制作了集成小型化的便携太赫兹生物医学检测仪，并对水和肌肉等生物组织进行了检测：日本东京医学与 齿科大学M-ABru等l开发的太赫兹检测系统能够对完全依照现行临床肿癌病理标本制作方法提供的样品进行 检测，为太赫兹检测进人临床应用积极准备。因为太赫兹波谱识别和成像技术的响应结构一般认为在分子水平 能否达到足够微税的研究尺度是能否发现太林兹生物响应机理的关键向题之一。不难看出，能否实现检测环境 检测尺度等方面的突破关系到太赫滋波最后能否成为科研和临床革命性技术方法。 2 太赫兹波生物效应及其安全性研究 四 、太赫持茨商酸新作和生活糕来教、假多 应用前 被生物执效应研 容易开促 物效应研究均为“Tz-BRIDGE”这 一际A 作项目所支持61。该项目旨在研 赫兹波与 互作用机制 1扫的 而太林兹辐射可被水强列 66 研究项目报告脂质体 细胞诱性在大赫波的影 发生变化 但尚无法明确这些效应背后的确切机制（热或非热调控机制）。 军方研究机构出于国家战略目的 也对太赫兹波生物效应研究给子大力支持」 美国空军研究实验W 研究了人类细胞暴露(1min-40 n在连被太赫辐射252TH2.27WMm下的基因性和细胞杀伤作用。 该研究运用了流式细胞分析技术和MT nide)法对暴露在太赫兹照射下的 山k细韵的总死亡率和分别广 情湿讲行检测 绝大多数的细胞是露在上太赫波中超 0m后都发生了+知坏死比中60%的nt细胞在话了30min 口有0活40mm 在同一研究中 细 应激反应基因如调亡、代谢、蛋白质水解、分子伴侣、氧化还原调控和DNA缘复等得到监测 辐射影响的主要是编码炎性细胞因子的基因主要有L2诱导T细胞激酶(ITK).ILRAP.RAD1同源蛋白(RAD1).白 ATPVOD2 杆状病毒LAP重复含右3B1RC3)的 和B-细胞CLL/淋巴11A-锌指蛋白 BC111A1在后孤中 表明细陶温府博加超过？℃细胞活力受到明显影南，执休克蛋白和DNA损伤标记均星现出表达升高迹象。同时 对照研究发现，仅仅简单地将细胞暴露于超过生理情况3℃以上的环境中时，相同的热休克蛋白表达升高也被悲 这到因出。该组研穷结里提示))涉对过细胞的影白主要是通过温进升高所引起的执效应。线而在对温由 升高进行严格控制的实验中，太转兹波也展现出较明显的非热生物效应。以色列特拉维夫大学A Korenstein-Iam 等证实例人体状四细胞接受二 个非常薄弱的连续太赫兹波(0.1THz,0.031mwcm3)照射6h以上，可能会导致基 因组不稳定，细胞非整倍染色体数量增加30%以上。此外，俄罗斯Olshevskaya等ol报道，软体动物神经元直接 1994-2014 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights http www.cnki.ne
830 太赫兹科学与电子信息学报 第 11 卷 雪城大学M D King等[54]研究了布洛芬晶体结构的太赫兹波谱特征；英国伦敦大学Gianluca Pastorelli等[55]利用3D 太赫兹脉冲成像方法，研究了整复外科塑形聚合物的结构组分；日本东京理科大学药学部Issei Takeuchi等[56]研究 了海藻糖二水合物微球的太赫兹结晶检测方法；日本三共株式会社Jin Hisazumi等[57]利用太赫兹脉冲成像方法研 究了水合与脱水茶碱片的太赫兹图像差异；日本大阪大学Markus Schirmer等[58]对药片、人类牙齿、人类毛发进 行了实时太赫兹彩色成像。越来越多的太赫兹波医药研究得到开展，甲芬那酸[59]和甘露醇[60]等常用药物的多晶 型制剂太赫兹检测研究也已经见诸文献报道，可以预见，将来大多数药物的太赫兹波谱特征将得到全面研究，最 终形成太赫兹波段药物波谱数据库。 综观以上太赫兹波生物医学表征技术的研究成果，可以发现，在接近在体条件的复杂检测环境中进行从组织 到分子的多尺度生物标本检测是当前国际太赫兹生物医学应用研究的热点和难点。随着太赫兹波产生和探测技术 的进步以及太赫兹技术生物医学应用经验的积累，其检测环境逐渐由固态向液态发展，检测对象由浅表宏观尺度 标本向深部微观尺度发展，研究目标由现象发现向机制发掘不断深入，如，在检查环境方面，英国格拉斯大学 Shimul C Saha等[61]提出了一种矢量太赫兹频率对生物溶液环境中试样的透射检测方式，该装置利用硅微光栅结 构得到人工绝缘双折射效果，可以测量液体的介电函数，在2 THz~5.5 THz波段，在溶液中测量了包括蔗糖、鲑 鱼脱氧核糖核酸(DNA)、鲱鱼DNA与牛血清白蛋白等物质；最近，香港中文大学Edward P J Parrott等[62]利用 TERAVIEW公司产品，开展了太赫兹技术在体成像的小波分析研究。太赫兹技术组织检测技术逐渐开始向在体 发展，太赫兹检测仪器和平台也向生物医学适应型发展，美国空军研究实验室Gerald J. Wilmink(美国科学院院士) 等[63]制作了集成小型化的便携太赫兹生物医学检测仪，并对水和肌肉等生物组织进行了检测；日本东京医学与 齿科大学M-A Brun等[64]开发的太赫兹检测系统能够对完全依照现行临床肿瘤病理标本制作方法提供的样品进行 检测，为太赫兹检测进入临床应用积极准备。因为太赫兹波谱识别和成像技术的响应结构一般认为在分子水平， 能否达到足够微观的研究尺度是能否发现太赫兹生物响应机理的关键问题之一。不难看出，能否实现检测环境、 检测尺度等方面的突破关系到太赫兹波最后能否成为科研和临床革命性技术方法。 2 太赫兹波生物效应及其安全性研究 近年来，太赫兹波越来越广泛地运用到了军事和民用领域，太赫兹波离人们的工作和生活越来越近，但是针 对太赫兹生物效应的研究却非常少，远落后于应用研究的发展。与其他波段电磁波的生物效应研究类似，太赫兹 波生物效应分为热效应和非热效应两大类。基于太赫兹波的低能性及其与生物大分子振动转动能级的重叠性，其 非热生物效应可能具有独特的性质和应用前景。 太赫兹波生物热效应研究相对容易开展。目前大多数太赫兹波生物效应研究均为“THz-BRIDGE”这一国际合 作项目所支持[65]。该项目旨在研究太赫兹波与细胞和生物分子的相互作用机制，以期对可能的太赫兹辐射遗传 毒性进行评估。与该项目有关的一些研究发现，太赫兹引起的生物效应主要由热机制介导，这一结论并不意外， 因为水是所有生物体中最重要的溶剂，而太赫兹辐射可被水强烈吸收[66]。一些THz-BRIDGE研究项目报告脂质体 和细胞膜透性在太赫兹波的影响下发生变化，但尚无法明确这些效应背后的确切机制(热或非热调控机制)。美国 军方研究机构出于国家战略目的，也对太赫兹波生物效应研究给予大力支持。美国空军研究实验室Wilmink等[67] 研究了人类细胞暴露(1 min~40 min)在连续波太赫兹辐射(2.52 THz, 227 mW/cm2 )下的基因毒性和细胞杀伤作用。 该研究运用了流式细胞分析技术和MTT(Methylthiazolyldiphenyl-tetrazolium bromide)法对暴露在太赫兹照射下的 Jurkat细胞的总死亡率和分别凋亡、坏死情况进行检测，结果发现，绝大多数的细胞暴露在上述太赫兹波中超过 20 min后都发生了凋亡和坏死，其中60%的Jurkat细胞存活了30 min，只有20%活到40 min。在同一研究中，细胞 应激反应基因如凋亡、代谢、蛋白质水解、分子伴侣、氧化还原调控和DNA修复等得到监测，研究发现太赫兹 辐射影响的主要是编码炎性细胞因子的基因，主要有IL2诱导T细胞激酶(ITK),ILRAP,RAD1同源蛋白(RAD1)，白 细胞介素6，白细胞介素8，ATPVOD2，杆状病毒IAP重复含有3(BIRC3)的，和B-细胞CLL/淋巴瘤11A-锌指蛋白 (BCL11A)。在后续研究中[68]，人皮肤纤维细胞暴露于连续的THz辐射(2.52 THz，84.8 mW/cm2 )长达80 min，结果 表明细胞温度增加超过3 ℃，细胞活力受到明显影响，热休克蛋白和DNA损伤标记均呈现出表达升高迹象。同时， 对照研究发现，仅仅简单地将细胞暴露于超过生理情况3 ℃以上的环境中时，相同的热休克蛋白表达升高也被观 察到。因此，该组研究结果提示2.52 THz波对细胞的影响主要是通过温度升高所引起的热效应。然而，在对温度 升高进行严格控制的实验中，太赫兹波也展现出较明显的非热生物效应。以色列特拉维夫大学A Korenstein-Ilan 等证实[69]，人体淋巴细胞接受一个非常薄弱的连续太赫兹波(0.1 THz, 0.031 mW/cm2 )照射6 h以上，可能会导致基 因组不稳定，细胞非整倍染色体数量增加30%以上。此外，俄罗斯Olshevskaya等[70]报道，软体动物神经元直接
第6期 冯华等：太赫兹波生物医学研究的现状与未来 831 暴露在体外接受太赫兹辐射40h-50h后，神经元的细胞膜和细胞内结构出现形态异常。类似的，日本R Shiurba 等1报道，以非常低的功耗，非相干，广谱太赫兹辐射(30THz以内)对低等真核生物进行较长时问(72)连续照 射后，其基因组也发生异常变化。对于哺乳动物，Boian S Alexandrov等美、英科研人员研究了小鼠间充质干细 胞对太赫兹波的反应。该研究运用了2个大功率太林兹波源，一个可产生宽带太赫兹波（以10THz为中心频率）， 另一个为连续波激光器(2.52THz)。试验中严格控制温度升高，并使用定量PR-PCR技术检测热敏基因的转录活性 变化，研究发现，HSP105,HSP90和CPR并没有受到影响，而一些非热敏基因的表达（脂联素，GLUT4,PPARG) 却出现变化。以上的多项研究中，受测生物介质的温度均得到严格控制，避免了温度明显升高，所观察到的 研究结果均为太赫滋波的非热生物效应。 与太赫兹波生物医学表征研究对生物大分子在介观尺度进行检测的挑战类似，太赫兹生物效应研究基本上对 目前所知不同尺度生物结构进行了有益探索。英国诺丁汉大学生物医学院N Bourr心等l开展了太赫兹技术细胞 水平的效应研究，研究了具有分化为神经元潜能的ND723细胞系和皮肤角质形成细胞与0.14THz的相互作用， 检测了0.15THz作用24h后谷胱甘肽(GSH)和热休克蛋白70的水平，评估了THz对角膜屏森的影响。美国哈佛 医学院】Bok等与洛斯阿拉莫斯国家实验室联合7进行了太赫兹对细胞的生物效应研究（图3），研究了宽谱太赫 兹镉射与基因改变的关系，发现太赫兹镉射可通过过氧化物衡体增殖物激活受体Y(PPARG)促进细胞分化的作用， 太赫兹福射是一种普在的细胞遗传信息重新编程的工具。德国维尔茨堡大学H Hintzsche等利用0，IO6THz招 射源对单层培养的人-仓鼠杂交细胞在培养皿中进行照射，辐射功奉密度从0.043mWcm2至4.3mW/cm',以保 持在深水条件下为阴性对照组。以非整倍休的诱导剂杀虫剂敌百虫(100mgm)作为阳性对照，曝光周期为6h。 研究结果显示，该THz辐射影响了细胞有丝分裂后期和末期染色单体的分离。以上研究说明，Tz镉射可在DNA 蛋白、外加药物分子等多个水平与细胞成分相互作用。 her 在器官和个体水平 太赫兹的独特生物效应也得到了初步研究。德国Knutte等m发现人类皮肤盘绕的汗 管系统具有螺旋天线的形态，加之皮肤特有的介电性能，使其在0.07TH20.6TH范围内发生电磁响应。以 3太赫兹波生物医学应用的发展展望 目前，全谱段太林兹波的产生和检测仍需交替使用多种技术分段加以实现.在未来，有望使用某种单一技术 1994-2014 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第6期 冯 华等：太赫兹波生物医学研究的现状与未来 831 暴露在体外接受太赫兹辐射40 h~50 h后，神经元的细胞膜和细胞内结构出现形态异常。类似的，日本R Shiurba 等[71]报道，以非常低的功耗，非相干，广谱太赫兹辐射(30 THz以内)对低等真核生物进行较长时间(72 h)连续照 射后，其基因组也发生异常变化。对于哺乳动物，Boian S Alexandrov等美、英科研人员研究了小鼠间充质干细 胞对太赫兹波的反应。该研究运用了2个大功率太赫兹波源，一个可产生宽带太赫兹波(以10 THz为中心频率)， 另一个为连续波激光器(2.52 THz)。试验中严格控制温度升高，并使用定量PR-PCR技术检测热敏基因的转录活性 变化，研究发现，HSP105,HSP90和CPR并没有受到影响，而一些非热敏基因的表达(脂联素，GLUT4，PPARG) 却出现变化[72]。以上的多项研究中，受测生物介质的温度均得到严格控制，避免了温度明显升高，所观察到的 研究结果均为太赫兹波的非热生物效应。 与太赫兹波生物医学表征研究对生物大分子在介观尺度进行检测的挑战类似，太赫兹生物效应研究基本上对 目前所知不同尺度生物结构进行了有益探索。英国诺丁汉大学生物医学院 N Bourne 等[73]开展了太赫兹技术细胞 水平的效应研究，研究了具有分化为神经元潜能的 ND7/23 细胞系和皮肤角质形成细胞与 0.14 THz 的相互作用， 检测了 0.15 THz 作用 24 h 后谷胱甘肽(GSH)和热休克蛋白 70 的水平，评估了 THz 对角膜屏障的影响。美国哈佛 医学院 J Bock 等与洛斯阿拉莫斯国家实验室联合[74]进行了太赫兹对细胞的生物效应研究(图 3)，研究了宽谱太赫 兹辐射与基因改变的关系，发现太赫兹辐射可通过过氧化物酶体增殖物激活受体 γ(PPARG)促进细胞分化的作用， 太赫兹辐射是一种潜在的细胞遗传信息重新编程的工具。德国维尔茨堡大学 H Hintzsche 等[75]利用 0.106 THz 辐 射源对单层培养的人-仓鼠杂交细胞在培养皿中进行照射，辐射功率密度从 0.043 mW/cm2 至 4.3 mW/cm2 ，以保 持在深水条件下为阴性对照组。以非整倍体的诱导剂杀虫剂敌百虫(100 mg/ml)作为阳性对照，曝光周期为 6 h。 研究结果显示，该 THz 辐射影响了细胞有丝分裂后期和末期染色单体的分离。以上研究说明，THz 辐射可在 DNA、 蛋白、外加药物分子等多个水平与细胞成分相互作用。 在器官和个体水平，太赫兹的独特生物效应也得到了初步研究。德国 Knuttel 等[76-77]发现人类皮肤盘绕的汗 管系统具有螺旋天线的形态，加之皮肤特有的介电性能，使其在 0.07 THz~0.6 THz 范围内发生电磁响应。以色 列希伯来大学 Safrai 等[78]利用此原理研究发现在 0.11 THz 频段，人精神压力变化引起的排汗反应改变可被电磁 信号记录下来，提示太赫兹波甚至有可能成为神经心理方面基础和应用研究中的刺激和记录手段。 3 太赫兹波生物医学应用的发展展望 目前，全谱段太赫兹波的产生和检测仍需交替使用多种技术分段加以实现，在未来，有望使用某种单一技术 Fig.3 Effects of THz radiation on mouse stem cells 图 3 太赫兹照射对小鼠干细胞分化的影响[74] control 2 h 6 h (b) control Petri dish cell growth medium thermal contact with holes under Petri dishes near-infrared fs THz pulses laser pulses argon gas BBO plasma filament cells cells Petri dish No Petri dish(reference) 0 10 20 30 f/THz 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 power magnitude (a)