第二篇　太赫兹光谱技术在生物医学中的应用

生物与医学，已成为21世纪最重要的研究领域之一。一些新技术的出现与应用，对生物医学的研究进展起着极大的推进作用。其中，光谱分析技术就是一个必不可少的重要技术手段。光谱学方法在研究蛋白质、核酸和其他生物分子的组成、结构和性质等方面发挥了极其重要的作用。紫外可见光吸收谱、傅里叶变换红外光谱、荧光发射光谱、圆二色光谱和X射线等已经成为现代分子生物学研究中不可缺少的手段。

众所周知，每一种分子都有特定的振动和转动能级，其都有对应的特征谱。通常，分子内电子跃迁所需能量为电子伏特量级，恰好对应于可见光和紫外线频段。红外光谱光子能量主要与分子中原子间的振动相关，而分子内单个原子的弯曲振动或伸缩模式恰好与近红外和中红外频段相对应。不同原子基团的特征吸收在该频段振动中可以体现，但是其对整个分子的构型、构象的变化不够敏感。太赫兹波所处频段位于毫米波与红外波段之间，属于远红外区域，该频段对应的振动光谱主要是基于分子空间结构以及分子间相互作用，分子内及分子间的振动模式也都包含其中。在太赫兹波段物质的振动频率与分子集体运动相关，分子的扭曲振动和结构变型就是其典型例子。从能量的角度看，分子之间弱的相互作用（如氢键，范德华力）、大分子的骨架振动（构型弯曲）、晶体中晶格的低频振动吸收及大量生物分子的振动和转动能级所对应的频率正好位于太赫兹频带范围之内。太赫兹光谱展示了分子的三维空间排列及其原子低频运动的特征吸收，所反映的分子结构及相关环境信息都在太赫兹波段内的不同吸收位置和强度上有明显的响应。而生物分子的骨架振动以及构型弯曲等集体振动模式是与生物分子的结构和构象高度相关的，因此太赫兹波能够与所探测生物分子产生共振吸收，从而获得所探测生物分子的特征谱线，进而对生物分子的结构和构象特征等有更为精准的了解。同时太赫兹相干电磁辐射具有较低的光子能量，在进行样品探测时，不会产生有害的光致电离，是一种有效的无损探测方法。

问世于20世纪80年代初期的太赫兹时域光谱技术（THz-TDs）是基于飞秒超快激光技术发展的远红外波段光谱测量的新技术。当时物理学家用电光材料来调整飞秒光脉冲产生了太赫兹辐射。其原理是将超快激光脉冲分成两束，其中一束用于激发超短太赫兹脉冲，其频谱带宽大于100%，另一束用于探测太赫兹脉冲相对时间延迟，可得到太赫兹脉冲电场强度随时间变化的波形。THz-TDs的优点在于：①太赫兹时域电场波形包含了太赫兹脉冲的强度、相位、时间等更完整的信息，通过傅里叶变换可同时得到吸收光谱和色散光谱，通过测量样品在太赫兹（远红外）波段的吸收光谱和色散光谱，进而得到不同分子的构象和分子间非共价键相互作用的信息；②超快激光激发的太赫兹脉冲峰值功率很高，并且利用飞秒激光进行时间符合测量，信噪比要远远高于利用热辐射的远红外光谱仪；③太赫兹时域光谱的时间分辨性和连续性使它具有一些独特的应用，如高温材料或过程的光谱、非线性太赫兹发射光谱和光学泵浦-太赫兹探针实验。与傅里叶变换光谱（FTS）相比，THz-TDs在低于3THz时信噪比更高，而FTS在大于5THz时更好。太赫兹时域光谱未来极有可能取代FTS成为远红外区最受欢迎的技术。

长期以来，可靠的激发光源是制约太赫兹技术发展的瓶颈之一。然而，随着超快激光以及半导体技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生得以保障，实现了稳定的、宽带脉冲太赫兹波辐射与探测技术，这大大促进了太赫兹波在生物医学领域的研究应用，使得太赫兹技术得以迅速发展，并在国际范围内掀起一股太赫兹研究热潮。特别是进入21世纪以后，太赫兹科学技术在国内外学术界不断涌现出新的研究方向。太赫兹技术应用在生物医学领域的研究始于2000年左右，近十几年来的研究表明THz波段的实验测量是可行的，并且取得了一些成果。理论模型方面，利用简正模分析，洛伦兹模型，以及薄膜矩阵模型和蒙特卡洛模型能够解释生物分子在较长波段的吸收特点；实验测量方面，在过去的十几年间，太赫兹光谱技术应用于核酸、糖类、氨基酸、蛋白质、细胞和组织结构等的研究成果不断被报道。