陳小婉，蔣林華

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院， 上海 200093)

生物醫(yī)學是包含醫(yī)學影像、基因芯片以及納米技術等領域的前沿交叉學科[1]，生物醫(yī)學的研究內容極其廣泛，包括醫(yī)學微生物學、臨床應用、組織病理學等方面。生物醫(yī)學與生命科學有著較強的關聯(lián)性，對人類的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義，因此對生物醫(yī)學的研究和探索具有十分重要的意義[2]。太赫茲(terahertz，THz)是介于微波和紅外區(qū)域之間的電磁波，頻率范圍為0.1～10 THz。近年來，隨著THz輻射源和探測技術的進步，THz技術得到了飛躍的發(fā)展。由于分子間弱相互作用力，如分子的旋轉、晶體的振動、氫鍵等處于THz波段，因而THz在研究生物分子的結構方面存在一定的優(yōu)勢。

隨著社會文明的進步，人類對于疾病診斷的需求越來越迫切，傳統(tǒng)用于生物醫(yī)學的診斷方法如紅外光譜、X射線和核磁共振均存在診斷效率低、診斷能力有限等缺點。THz技術依靠其自身的優(yōu)勢，在生物醫(yī)學領域正在發(fā)揮越來越重要的作用。目前，THz技術在生物醫(yī)學中的應用主要包括以下幾個方面：1)通過獲取待測物質的THz譜圖，利用光譜特征信息對生物分子進行識別和分類；2)利用THz成像采集腫瘤等組織圖像，為進一步治療提供依據(jù)[3]；3)THz生物效應的研究仍處于探索階段，主要研究THz是否對機體組織和細胞造成影響。

隨著THz光譜學的進步，THz技術在生物醫(yī)學中的應用取得了很大的進展。本文介紹的內容分為以下幾個方面：THz技術的概述和THz技術常用的儀器；THz技術在2010年至2019年期間在生物醫(yī)學領域中的應用的總結；化學計量學方法的基本介紹及其與THz技術結合的應用；THz技術的不足以及進一步研究方向的簡要討論。

1 太赫茲技術

1.1 太赫茲光譜技術

1.1.1 太赫茲時域光譜技術

太赫茲時域光譜系統(tǒng)(terahertz time domain system，THz-TDS)通過光電導工具獲取樣本的振幅和相位信息，利用傅里葉變換獲取樣本的吸收系數(shù)、折射系數(shù)等光學參數(shù)。THz-TDS一般由飛秒激光器、THz產(chǎn)生裝置、THz探測裝置以及時間延遲控制裝置組成[4]。根據(jù)測量裝置的不同，THz-TDS可分為反射式和透射式。它的基本工作原理是：飛秒激光器發(fā)射的光束經(jīng)過分光鏡后分為泵浦光和探測光，泵浦光入射到THz波產(chǎn)生裝置后,經(jīng)過延時系統(tǒng)產(chǎn)生THz脈沖。探測光和THz脈沖同時入射到探測裝置中，確保了THz探測器的工作，最終通過計算機獲取THz范圍的時域譜圖。

圖1 太赫茲時域光譜系統(tǒng)原理圖[5]Fig.1 Schematic diagram of THz time-domain spectroscopy system[5]

1.1.2 傅里葉變換紅外光譜

通過比較不同頻段的信噪比發(fā)現(xiàn)，THz-TDS與傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)相比，在3 THz以下檢測優(yōu)勢較為明顯，而FTIR的優(yōu)勢則處于3～10 THz區(qū)間[6]。典型的FTIR主要由紅外光源、干涉儀、樣品腔、探測器和計算機構成。FTIR的工作原理是：碳硅棒發(fā)出連續(xù)波長的紅外光作為光源，紅外光通過凹面鏡后轉變?yōu)槠叫泄?，進入邁克爾干涉儀后變?yōu)楦缮婀猓缮婀馔ㄟ^反射器后以聚焦光的形式進入樣品腔內，聚焦光通過樣品后產(chǎn)生的光束進入探測器中，探測器最終將信號傳輸給計算機[7]。

1.2 太赫茲成像技術

太赫茲成像技術是利用樣品的反射或者透射信息分析后得到THz圖像。常規(guī)的THz成像系統(tǒng)主要由光源、THz光學系統(tǒng)、THz探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機系統(tǒng)組成。THz成像按照THz波的形式可以分為脈沖THz成像和連續(xù)波THz成像。脈沖THz成像的工作原理是：檢測元件將包含位置信息的THz信號轉換成電信號，電信號通過圖像處理單元轉換成圖像，最后將這些信息積分后得到樣品的二維圖像[8]。與傳統(tǒng)成像技術相比，THz成像技術具有更高的空間分辨率和穿透性，可用于非透明材料的識別與成分分析，同時可以實現(xiàn)樣品的無損檢測[9]。

1.3 新興技術

1.3.1 太赫茲微流控芯片

近年來，THz結合傳感器的應用也引發(fā)了廣泛的關注。例如，Serita等[10]提出一種將THz與微流控芯片相結合的非線性光學晶體，可用于液體溶液的定量測量。該芯片由THz輻射源、單個微通道和幾個原子陣列組成。這項技術的引入使得通過少量體液檢測癌癥、糖尿病等疾病成為可能，同時可以減少患者在診斷過程中的痛苦。

圖2 微量溶液試驗的幾何示意圖(a)和微流控芯片的光學顯微鏡圖(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：電場方向E:The direction of electric field

1.3.2 散射型掃描近場太赫茲光譜

THz-TDS主要針對透鏡的遠場檢測，其遠場成像分辨率較低，無法滿足納米級別的生物分子的特征檢測。但是，Huber等[11]發(fā)現(xiàn)了散射型掃描近場太赫茲光譜(scattering-type scanning near-field THz spectroscopy，S-SNTS)檢測納米半導體的可行性。楊忠波等[12]發(fā)現(xiàn)S-SNTS可以實現(xiàn)納米量級光學空間分辨率的指紋檢測，尤其是納米級別生物大分子檢測方面的潛力。

2 太赫茲技術在生物醫(yī)學領域的應用

2.1 太赫茲表征技術的進展

2.1.1 太赫茲光譜技術的應用

2.1.1.1 氨基酸和多肽

近年來，在氨基酸和多肽的太赫茲吸收特征的研究上取得了一些成果。Zhang等[13]利用THz-TDS獲得室溫下L-丙氨酸在0.5～4.0 THz內的THz譜圖，結果表明，分子間振動是形成L-丙氨酸光譜特征的主要原因。此外，由于某些氨基酸異構物有相同的光譜特征，不能通過光譜準確識別，因而Huang等[14]結合THz-TDS和FTIR檢測亮氨酸和異亮氨酸在0.1～10 THz范圍的吸收光譜，發(fā)現(xiàn)在中紅外光譜范圍內亮氨酸和異亮氨酸的光譜存在顯著差異。Yu等[15]嘗試利用THz-TDS獲取不同環(huán)境溫度下L-天冬氨酸、L-半胱氨酸、L-丙氨酸和L-酪氨酸的光譜特征，通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的降低，樣品的吸收峰向更高的頻率移動，并出現(xiàn)新的吸收峰。此外，Liu等[16]利用THz-TDS采集了丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸以及纈氨酸在0～3.0 THz的光譜圖，研究發(fā)現(xiàn)對映異構體和外消旋化合物雖然具有相似的結構，但是它們的吸收光譜存在明顯差異。

圖3 不同氨基酸的THz吸收光譜圖[16]Fig.3 The THz absorption spectra of different amino acids [16](a)纈氨酸；(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

脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)作為一種生物大分子,具有遺傳洞察力，能夠指導生物發(fā)育和生物功能。由于DNA的能量特征位于THz波段，所以THz可以直接檢測DNA的變化[17]。目前，THz技術在DNA領域中也取得了一定的進展。閆慧等[18]利用THz-TDS獲得了0.1～3.5 THz范圍內胞嘧啶和胸腺嘧啶的吸收譜，結果表明，胞嘧啶分子在試驗檢測范圍內吸收譜特征是由分子間氫鍵主導的外部振動模式?jīng)Q定的。王芳等[19]利用THz-TDS和FTIR測量了5種DNA在0.5～2.5 THz范圍內的吸收光譜，結果表明同源物種DNA的THz吸收光譜形狀相似且存在較多相同位置的吸收峰。最近，Tang等[20]將THz技術和微觀結構結合檢測DNA寡核苷酸，發(fā)現(xiàn)4種寡核苷酸在共振頻率范圍內紅移現(xiàn)象存在很大的不同，上述結果表明THz光譜技術在檢測和診斷基因突變方面有著很大的潛力。Zhang等[21]將微流控芯片與THz技術結合獲取線性單鏈DNA的THz吸收特征，為獲得溶液中生物分子的THz光譜提供了一種新的技術。

圖4 不同DNA的THz光譜圖Fig.4 The THz spectra of different DNA(a)2’-脫氧胞嘧啶核苷酸和5-甲基胞苷的THz吸收譜[17]；(b)TE緩沖液、質量濃度為0.92 μg/μL和0.23 μg/μL的ssDNA的THz透射譜[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 蛋白質

蛋白質是一種以氨基酸為基本單位的生物大分子，是生命的物質基礎。Tych等[22]利用THz-TDS獲取蛋白質晶體在0.3～6.0 THz范圍的吸收譜，發(fā)現(xiàn)吸收系數(shù)降低的原因主要是蛋白質晶體的脫水。Png等[23]采用THz-TDS和遠紅外光譜技術對溶菌酶纖維、胰島素纖維和牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)纖維進行追蹤，結果表明不同成熟纖維具有不同的吸收特征，散射并不是造成此現(xiàn)象的唯一原因。Penkov等[24]通過THz-TDS獲得BSA在1.2～120 cm-1范圍內的光譜圖，并通過光譜圖計算出BSA的介電常數(shù)。此外，Han等[25]還通過試驗得出，依據(jù)THz透射譜獲取的折射率信息可以區(qū)分不同類型的蛋白質，同時佐證了THz-TDS可作為一種無標簽方法來檢測生物大分子。Zang等[26]探索發(fā)現(xiàn)THz光譜可以反映出蛋白質在溫度、pH影響下發(fā)生的變性行為，證實了THz光譜可以識別出胃蛋白酶溶液因環(huán)境因素引起的蛋白質藥物折疊或展開現(xiàn)象。

圖5 不同蛋白質的THz光譜圖Fig.5 The THz spectra of different proteins(a)溶菌酶纖維[23]；(b)BSA纖維[23]；(c)胰島素纖維[23]；(d)不同溫度的胃蛋白酶[26]；(e)不同pH條件的胃蛋白酶溶液[26]；(f)雞蛋清溶菌酶晶體[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 太赫茲成像技術的應用

2.1.2.1 癌癥的檢測

目前，癌癥早期檢測尤其是深部腫瘤的檢測效果不佳。研究人員將THz成像技術應用到早期癌癥的檢測已經(jīng)取得了不小的成果。如Sim等[27]通過THz成像技術對口腔癌組織在0.2～1.2 THz范圍內進行研究，發(fā)現(xiàn)THz成像技術對口腔癌細胞的檢測比組織學檢測更為敏感。Rahman等[28]結合THz掃描反射儀、THz三維成像、THz-TDS將基底細胞癌(basal cell carcinoma，BCC)與健康皮膚樣本進行比較，研究發(fā)現(xiàn)BCC呈現(xiàn)出不規(guī)則細胞模型，健康細胞則顯示出規(guī)則細胞模型。此外，Cheon等[29]研究發(fā)現(xiàn)，利用THz顯微成像技術獲取淺表軟組織腫瘤的指紋譜在癌癥早期檢測中發(fā)揮著重要的作用。近年來，脈沖THz成像被用于鑒別小鼠乳腺癌組織，該技術在鑒別腫瘤組織和脂肪組織中具有較高的準確度。此外，利用THz成像技術對癌癥組織的鑒定結果可以輔助校正病理學結果[30]。Yeo等[31]通過THz成像技術研究人體肺部和小腸的惡性腫瘤的組織形態(tài)，發(fā)現(xiàn)THz成像技術可以輔助內窺鏡進行臨床診斷。

2.1.2.2 其他方面的應用

THz成像技術不僅可以應用于癌癥的檢測，而且在諸多領域發(fā)揮著重要的作用。Arbab等[32]利用THz技術根據(jù)燒傷創(chuàng)面的厚度判定可自愈和需要手術治療的創(chuàng)面。Baughman等[33]將THz成像應用在骨組織的研究中，發(fā)現(xiàn)福爾馬林的使用會削弱受傷和未受傷骨組織的差異。此外，Karagoz等[34]利用THz成像技術診斷齲齒，試驗結果表明，依據(jù)不同區(qū)域對THz的吸收速率不同可以區(qū)分健康牙齒和齲齒，同時，THz成像技術還可用于牙體疾病和牙體結構缺陷的早期診斷。此外，Lee等[35]通過THz成像重點研究了器官的含水量問題，通過THz獲取的吸收系數(shù)用來測定器官的水分含量。

圖6 不同癌癥組織的THz圖像Fig.6 THz images of different cancer organizations(a)6個口腔腫瘤樣本[27]；(b)新鮮切割和石蠟包埋的小鼠乳腺癌樣本[30]；(c)體內和體外腫瘤組織[29]；(d)石蠟包埋的肺部腫瘤組織[31]；(e)石蠟包埋的小腸腫瘤組織[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]

圖7 不同應用領域的THz圖像Fig.7 THz images in different application fields(a)THz重建圖像[33]；(b)動物器官的THz圖像[35](a)THz reconstructed images[33];(b)THz images of animal organs[35]

2.2 生物效應的應用

針對THz表征技術的研究越來越廣泛，但是關于THz生物效應的研究進展則相對落后?，F(xiàn)階段，THz生物效應的研究主要集中在THz輻射對生物體、組織、細胞的影響上。為研究THz輻射對哺乳細胞的影響，Williams等[36]觀察了在THz輻射下人的角膜上皮細胞、視網(wǎng)膜色素上皮細胞以及胚胎干細胞的形態(tài)和生命活動，試驗結果表明,THz輻射對上述細胞的重要生命活動沒有影響。 Wilmink等[37]研究THz輻射和高溫對人真皮纖維細胞的影響，發(fā)現(xiàn)2.52 THz輻射下哺乳動物細胞產(chǎn)生的生物效應主要是熱效應。Jo等[38]以小鼠為研究對象，將小鼠的皮膚在THz光束下照射1 h，對比小鼠的組織學和分子生物學結果發(fā)現(xiàn)，在小鼠的皮膚表面，THz輻射會在分子水平上產(chǎn)生生物效應，引發(fā)明顯的組織學變化。Bogomazova等[39]則將目光轉向了生物效應的非熱效應上。他們將THz輻射下的人胚胎干細胞(human embryonic stem cells，hESCs)與未被輻射的hESCs進行了比較，發(fā)現(xiàn)試驗組與對照組沒有明顯差異，說明THz輻射對hESCs沒有明顯損傷。近年來，更多的研究人員開始關注溫度對THz輻射的影響。如Franchini等[40]將成人成纖維細胞在20 ℃環(huán)境中暴露在0.15 THz輻射下，試驗結果表明，THz輻射會影響成人成纖維細胞基因組的完整性。

3 化學計量學方法及其應用

為了提高數(shù)據(jù)處理的效率，化學計量學方法常被廣泛用于去除光學參數(shù)中的一些無關信息。目前，化學計量學方法主要用于光譜預處理和多元分析兩個方面[5]。常見的化學計量學方法主要包括主成分分析(principal component analysis，PCA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificial neural network，ANN)、支持向量機(support vector machine，SVM)、偏最小二乘算法(partial least-square method，PLS)、最小二乘支持向量機(least squares support vector machine，LS-SVM)以及線性判別分析(linear discriminant analysis，LDA)。不同的方法可以實現(xiàn)不同的處理效果，如PCA可以簡化數(shù)據(jù)模型，提高數(shù)據(jù)分析的效率；SVM在處理小樣本、非線性數(shù)據(jù)上占據(jù)著優(yōu)勢；PLS則善于分析高維數(shù)據(jù)。此外，還有一些化學計量學方法應用于光譜數(shù)據(jù)分析，如決策樹(decision tree，DT)、遺傳算法(genetic algorithm，GA)、聚類分析(cluster analysis，CA)、隨機森林(random forest，RF)、偏最小二乘判別分析(partial least squares discrimination analysis，PLS-DA)等。

在THz技術應用在生物醫(yī)學領域的過程中，化學計量學方法的使用不僅可以加快數(shù)據(jù)處理的速度，還可以提高數(shù)據(jù)分析的精度。如Qi等[41]利用THz-TDS結合PLS-DA、SVM實現(xiàn)對宮頸癌的快速診斷。PLS結合SVM被應用在三元氨基酸的定量分析中，試驗結果表明，SVM結合乘法散射校正(multiplicative scatter correction，MSC)是識別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]將DT、SVM和RF結合，加快了傳統(tǒng)中草藥的鑒別效率。此外，利用SVM對THz成像技術獲取的圖像進行分類，有效提高了對浸潤性乳腺癌的識別精準度[44]。Wang等[45]結合PCA、LDA和SVM對大黃樣品進行定性分析，為大黃樣品的鑒定提供了一個更準確、無污染的方法。Sterczewski等[46]采用PLS、PCA輔助研究了THz光譜與藥物的分子描述符之間的關系。Zou等[47]將THz光譜與PCA結合分析小鼠和恒河猴大腦中的髓磷脂缺乏程度，試驗發(fā)現(xiàn)該技術可以更為有效地區(qū)分髓磷脂缺乏和正常的大腦組織。Nowak等[48]利用THz結合核支持向量機(kernel support vector machine，KSVM)識別雜環(huán)化合物，大大降低了測試成本。

4 總結與展望

本文著重介紹了THz技術在生物醫(yī)學領域的應用。整理相關研究發(fā)現(xiàn)，THz光譜技術能夠高效、準確地對蛋白質、DNA等生物大分子進行識別和分類，THz成像技術在癌癥檢測、齲齒的治療等方面也取得了良好的效果。但是，THz生物效應的研究相對滯后，目前的研究仍然主要集中在THz輻射的安全性領域。

雖然THz技術在生物醫(yī)學領域取得了一定的成就和突破，但仍然存在一些不足之處，需要在未來的研究中加以解決，具體分為以下幾個方面：1)相對于THz技術，對THz輻射的生物效應，特別是非熱效應的研究相對較少，在下一步研究中我們需要更關注THz生物效應方面；另外，HTz技術對生物醫(yī)學領域的貢獻還有待進一步探索；2)為了消除水分對THz輻射的吸收所帶來的影響，在試驗環(huán)境中通常需要額外的干燥技術，但是生物樣本中含有大量的水分，在干燥過程中會造成試驗結果的不準確，該問題需要進一步探索解決；3)物質的識別主要通過其在THz區(qū)域的特征峰來判定，為了提高識別效率和精度，進一步建立和完善THz指紋圖譜庫是十分必要的。

THz技術在生物醫(yī)學領域的應用為科研和工業(yè)帶來了巨大的效益。隨著THz技術的發(fā)展，該技術必將在生物醫(yī)學領域取得重大突破，為人類健康做出更大的貢獻，相信在不久的將來，THz技術一定會在更多領域帶來令人矚目的成就。