第二节　太赫兹光谱检测前沿技术之光谱灵敏探测

许多生物分子与结构相关的特征振动和转动能级处在太赫兹频率，因此太赫兹光谱分析技术在生物和医学领域具有重大的应用前景［15］。2000年Markelz等首次报道了用太赫兹光谱研究生物分子中的集体振动模式［16］。2002年，Fischer等报道了用太赫兹时域光谱技术测量DNA成分的远红外介电函数［17］。2007年，Liu等使用差分太赫兹时域光谱测量了生物单细胞层的微小改变。尽管太赫兹技术在生物领域取得了上述成果，但是仍然存在一个重要问题需要解决：太赫兹探测的灵敏度低，对生物样品中的痕量成分进行分析存在困难。

目前提高生物医学中太赫兹探测灵敏度的方法主要有两种：①利用长程气体池增加太赫兹波与被探测气体的作用距离；②利用表面等离子体共振效应增加太赫兹波的电场。下面我们将分别介绍这两种技术。

一、基于长程气体池的超灵敏探测

针对生物医学的应用，这里我们着重阐述长程气体池在人体呼出气体疾病标志物的太赫兹光谱痕量诊断技术研究。

人体呼出气体中包含有大量与新陈代谢相关的信息。目前研究已表明，包括肝病、肾病、糖尿病、支气管哮喘、细菌感染、牙齿疾病，甚至肺癌、乳腺癌等在内的数十种疾病，都在呼出气体中存在对应的分子生物标记物（molecular biomarkers）。因此通过对人呼出气体的检测和分析，可实现疾病的早期诊断。与血液化验和尿液化验等传统检测方法相比，呼吸检测采样简单，更加迅捷，对患者做到了完全无害，代表了临床检验的新方向，也是目前无损医学诊断（non-invasive medical diagnostics）领域的研究热点。检测技术的发展是推动呼吸诊断在临床应用中推广的关键因素。

疾病标志物在人体呼出气体中含量极微，属于痕量气体探测的范畴。目前虽未见太赫兹技术直接用于呼吸检测的报道，但有关太赫兹技术在痕量气体检测中的应用已有大量研究。通过对现有文献的梳理分析以及项目组前期的工作探索，我们认为太赫兹技术在呼吸检测领域同样具有良好的应用前景，是呼吸检测的理想方法。主要体现在以下几个方面：①特异性：首先，呼吸检测涉及的疾病标志物大都是气态的挥发性有机化合物（volatile organic compounds，即VOCs），而气相有机化合物在太赫兹波段具有丰富的特征光谱，特别是极性气体分子，在太赫兹波段呈现出鲜明的“指纹”特性，可作为定性和定量检测的依据；另外，呼出气中的非极性分子如CO2、O2和H2等在太赫兹波段没有吸收，这就减少了光谱背景的干扰，因此与激光光谱相比，太赫兹光谱在呼吸疾病标志物检测中更具特异性。②灵敏性：首先，太赫兹时域光谱采用时间门相干探测技术，可有效屏蔽背景噪声，信噪比远高于普通的激光光谱技术（最高可达104∶1）；另外，呼出气体疾病标志物中的极性分子和基团在太赫兹波段有强烈的吸收，因此与现有高灵敏度呼吸检测技术相比，太赫兹技术同样具有高的检测灵敏性（可达ppmv甚至ppbv），可以满足临床呼吸检测的需求。③多成分检测：首先，太赫兹光谱属于分子光谱的范畴，主要与极性小分子的转动能级以及大分子系统的低频振动能级跃迁相关，通常具有较窄的光谱吸收峰和较为简单的光谱结构，避免了红外光谱面临的谱带重叠问题；其次，太赫兹时域光谱无需光谱扫描，一次测量即可获得一个较宽光谱范围内（通常为0.1～3THz）的目标信息，克服了激光光谱调谐范围窄的问题，以上两个原因使得太赫兹光谱在气体分子多成分检测方面独具特色，也克服了传统呼吸检测技术检测种类单一的局限。④实时性：太赫兹时域光谱无需特殊样品制备和波长扫描，与快速时间扫描技术和基于化学分析法的智能识别技术相结合，容易实现亚秒时间分辨的呼出气体成分监测，满足呼吸检测对实时性的要求。⑤便携性：结合目前迅速发展的光纤飞秒激光器技术和光纤传输技术，可大大缩小太赫兹时域光谱仪的体积，真正体现便携性，并降低研制成本。这也很好地适应了临床呼吸检测对检测设备便携性和可操作性的要求。

我们以单次通光的短程气体池为基础讨论灵敏度和检测限影响因素的普通模型，光路如图1-3-3所示。通过分析可知，气体池的检测限ρmin为（式1-3-47）：

式中σdp为吸收截面，SNRs为系统信噪比。

THz光谱检测系统其频域信噪比与典型疾病标志物氨气的检测灵敏度及检测限之间的关系，如图1-3-4所示。

我们选择0.572THz的吸收峰（该处氨气差分分子吸收截面约为5.7×10−20cm2）作为检测识别氨气分子的特征吸收谱线。由图可知，增加气体池的长度有助于提高系统的检测灵敏度以及检测限，故光谱检测需采用长程气体池来提高整个系统的识别率。从数值模拟结果可知，当光谱系统的频域信噪比高于103时，采用10m的光程，太赫兹光谱检测系统的灵敏度可达到10−6cm−1量级，检测限也可达到几个ppm量级，目前典型的THz时域频谱系统的信噪比可高达104，结合上面的数值模拟结果可从检测灵敏度角度充分说明THz时域频谱系统在人体呼出气体检测方面的可行性。

需要指出，以上是以单次通光气体池为模型进行的分析，说明了太赫兹光谱检测限度与系统噪声、气体与太赫兹波相互作用距离等的关系，但实际单通气体池根本不可能做到10m长，要达到这样的光程需要采取长程气体池的方法。

长程气体池基于怀特池结构，其基本原理如图1-3-5所示。由图1-3-5可见，长程气体池腔镜主要由3片共焦凹球面镜构成，这样设计的优点在于既可实现光束的多次折返，又可将光束发散角控制在一定范围之内，避免了因光束过大而造成衍射损耗。图中凹球面镜A、B和C具有相同的曲率半径，A的曲率中心落在B和C镜面的中间a点处，B和C的曲率中心分别落在A镜面上b点和c点处。入射光从A的一侧入射到光学系统中，先经过B的反射照射在A上形成光斑1，再从1反射到C上后再次反射在A上形成光斑2。由此可逐步在A上形成光斑3、5、…、m（m为奇数），最后光束从A的另一侧出射。形成的光斑数越多，光束在系统中往返次数越多，光程越长。由于实际反射镜具有反射损耗，当反射达到一定次数，反射带来的损耗将抵消光程延长带来的优势。实际使用中一般采用16次往返（图1-3-6），提供约10m的光程，检测灵敏度达到ppm量级。

二、基于表面等离子体共振的超灵敏探测

表面等离子体激元（surface plasmon polaritons，SPPs）是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成光场增强，这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs。在可见光波段，基于界面响应分析和反射测量技术的表面等离激元传感器已经在生物和医学研究中广泛使用，对液体样品的电磁响应性质进行测量和分析。

表面等离激元共振传感器的工作原理是：入射光激发金属薄膜和电介质界面产生表面等离激元，当与金属薄膜后面的样品介电性质相关的耦合条件满足时，入射波将会和表面等离子波发生共振相互作用，使反射光的性质发生改变，并带有样品的电磁响应信息。根据光波与表面等离激元相互作用的具体性质，表面等离激元传感器的工作方式可以分为角度调制、波长调制、强度调制、相位调制和偏振调制。Matsubara等使用表面等离激元共振传感器测量了乙醇水溶液中乙醇的浓度，测量精度可达10−4［18］；Liedberg报道了表面等离激元共振传感器在生物探测中的应用［19］；Adam报道了使用光栅耦合的表面等离激元共振传感器同时测量了探测器表面的牛血清蛋白层的厚度和折射率［20］。

通过表面电荷和电磁波的相互作用可以得到SPPs、而这种表面电荷密度和电磁波的相互作用导致SPPs的动量大于同频率时自由空间内的动量k0=ω为自由空间波矢，式中ω为频率，c为光速），表现出SPPs的慢波“特性。通过求解近似边界条件下的Maxwell方程，可以得到SPPs的色散关系（式1-3-48）：

其中εd、εm分别为电介质和金属的介电常数，而且εm的虚部还能表征因媒质的吸收而产生的电磁波衰减。将代入到上式中，计算可得ksp的实部和虚部分别为（式1-3-49）：

进而可以得到表面等离子共振的穿透深度δsp的表达式为（式1-3-50）：

SPPs在垂直于金属表面的方向电场强度是呈指数衰减的，这对应于SPPs的表面局域特性。SPPs另一个独特的性质是近场增强，场增强的程度取决于金属的介电常数、表面粗糙程度引起的辐射损耗以及金属薄膜厚度等。由于SPPs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：①采用棱镜耦合，比较常用的有Otto方式和Kretschmann方式；②采用波导结构；③采用衍射光栅结构；④采用强聚焦光束；⑤采用近场激发。

虽然基于表面等离激元共振传感器在可见光波段已经是一项很成熟的技术，但工作在太赫兹波段的相应器件相应的报道还较少。主要原因在于金属材料在太赫兹波段的电介质常数很大ε′m～ − 105，ε′m～106因此直接利用金属结构很难激发出太赫兹波段的表面等离子体共振。

近年来发展的超材料通过改变金属表面结构，实现了人工可控的电介质常数，从而使得太赫兹波段的表面等离子体共振成为可能。表面等离子体共振使得太赫兹波的局域场强得到极大的增强，被测物质对太赫兹波的吸收也就得到相应的增强，从而提高探测的灵敏度。

2014年Miyamaru等［21］利用超结构的表面等离子体共振对甘油-水混合液体进行了测量，如图1-3-7所示。利用反射式系统可以有效地避免水对太赫兹波的吸收，更加符合生物医学检测的要求。通过图（c）可以看到，在有水和没有水的情况下，反射曲线波谷的位置和大小均发生了显著的变化。

进一步的研究表明，当样品的折射率发生微小变化时，太赫兹反射谱波谷的位置将发生明显的偏移，通过波谷位置反映出甘油-水混合物中甘油的浓度，如图1-3-8所示。利用超结构实现的表面等离子体的探测灵敏度比没有超结构的情况下提高了8倍以上。通过改变超结构的构型可以人工调控共振的位置以及探测的灵敏度。

2015年，Xie等［22］进一步将对生物医学中kanamycin sulfate的探测灵敏度提高至100pg/L，其结构如图1-3-9所示。利用透射式的太赫兹系统对kanamycin sulfate分子的浓度进行探测。由图1-3-10可以看到，极微小的kanamycin sulfate分子浓度变化对太赫兹波投射曲线的影响都很大，探测的灵敏度达到了100pg/L。而没有超结构表面等离子体共振的系统的探测灵敏度仅为1g/L，利用表面等离子体共振将探测的灵敏度提高了约10个量级。通过分析表面等离子体共振下的太赫兹波的电场分布可知（1-3-11），太赫兹波电场强度在沟槽部分得到了极大的增强，从而大大地提高了探测灵敏度。该进展为太赫兹系统应用于非侵入式的痕量化学生物危险物检测奠定了良好的基础。

除了利用表面超结构实现的太赫兹波超灵敏探测外，利用复合材料空芯光子晶体光纤也可以实现基于光纤式的太赫兹波极灵敏探测，实现远距离非接触的太赫兹检测。2008年Hassani等［23］利用PVDF材料在太赫兹波段的电磁特性类似于金属材料在可见光波段的特性，实现了基于空芯光子晶体光纤的太赫兹表面等离子体共振，达到了太赫兹波谱对气体分析的极灵敏探测，其结构如图1-3-12所示。对于典型的100MHz的太赫兹波谱分辨率，探测的灵敏度达到RIU。

近年来，提高太赫兹波检测灵敏度技术的发展使得太赫兹在生物医学超灵敏检测方面具有越来越广泛的应用前景。利用长程气体池结构增加气体分子和太赫兹的作用距离或利用表面等离子体共振增强太赫兹波的场强均实现了对生物医学相关分子的超灵敏检测。预期不久的未来将会涌现出大量应用在生物医学超灵敏检测的太赫兹波仪器设备。

（陈思潮　朱礼国）