太赫茲與水的相互作用：機(jī)理、應(yīng)用和新趨勢

范姝婷，馬瑩玉，舒國響，錢正芳

1)深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東深圳518060；2)深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東深圳518060

太赫茲(1 THz=1 012 Hz)通常指頻率在0.1～10.0 THz，波長介于30～3 000 μm的電磁波，其位于微波與紅外波之間，是電子學(xué)向光學(xué)的過渡區(qū)．曾經(jīng)在很長的一段時(shí)間里，該頻段的研究進(jìn)展緩慢，一度被稱作“THz空隙”，是電磁波譜中唯一有待全面開發(fā)的頻譜資源．太赫茲的研究始于20世紀(jì)80年代，在1975年AUSTON[1]發(fā)明光電導(dǎo)開關(guān)之后，于21世紀(jì)初開始迅速發(fā)展，美國、歐盟、日韓以及中國都先后將太赫茲技術(shù)列為21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一，其中，美國于2004年將太赫茲技術(shù)列為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一；日本國家信息與通訊技術(shù)研究院于2006年發(fā)布“太赫茲技術(shù)五年計(jì)劃”，致力于建立國家層面的太赫茲技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施，包括但不限于太赫茲半導(dǎo)體器件、脈沖太赫茲波測試系統(tǒng)，以及太赫茲材料數(shù)據(jù)庫[2]．基于各國的大力扶持和有關(guān)太赫茲源、探測及調(diào)制等器件的深入研究，“THz空隙”正逐漸被填補(bǔ)．2017年中國科技部發(fā)布《關(guān)于發(fā)布國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題重點(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知》，計(jì)劃下?lián)芸偨?jīng)費(fèi)約3.9億元人民幣，而其中重點(diǎn)項(xiàng)目之一就是面向生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究的新型太赫茲輻射源．水在太赫茲的應(yīng)用，尤其是在生物醫(yī)學(xué)相關(guān)應(yīng)用研究中是不可回避的話題，且在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中均占有重要地位．例如，在太赫茲腫瘤檢測中，目前確定的成像機(jī)理之一就是以腫瘤與健康組織中水分含量的區(qū)別為依據(jù)；在生物化學(xué)的基礎(chǔ)研究中，利用太赫茲波對水分子網(wǎng)絡(luò)本身，以及生物大分子[3]、糖類[4]、鹽離子[5]與周圍液相水分子網(wǎng)絡(luò)的相互作用吸引了大量的研究關(guān)注．

本研究圍繞太赫茲與水的相互作用展開評(píng)述，介紹太赫茲波與水分子之間相互作用的機(jī)理； 闡述基于此機(jī)理的太赫茲生物醫(yī)學(xué)方面的相關(guān)研究，尤其是關(guān)于癌癥檢測領(lǐng)域中的發(fā)展與挑戰(zhàn)；最后介紹太赫茲波與水相互作用產(chǎn)生的新研究與新技術(shù)．

1 太赫茲波與水分子相互作用的機(jī)理

圖1 一種可能的水分子網(wǎng)絡(luò)局部結(jié)構(gòu)[7]Fig.1 A hypothesized local structure of liquid water network[7]

圖2 液態(tài)水在0.1 GHz～4 000 THz的吸收譜[15]Fig.2 The absorption spectrum of liquid water from 0.1 GHz to 4 000 THz[15]

水與其他液體相比具有很多特殊的性質(zhì)[6]，在微觀層面上，造成這些特殊性質(zhì)的原因尚無定論．目前，學(xué)界普遍認(rèn)為這與水中廣泛存在的氫鍵有關(guān)．1個(gè)水分子可自由地與其周圍至多4個(gè)水分子形成氫鍵，因此有可能在局部形成一個(gè)如圖1所示的四面體結(jié)構(gòu)[7]．氫鍵組成的水分子網(wǎng)絡(luò)在分子熱運(yùn)動(dòng)的過程中被打亂及重排所需要的時(shí)間在皮秒或亞皮秒量級(jí)[8]，所對應(yīng)的電磁波頻率范圍恰好位于太赫茲波段．因此，液態(tài)水對0.1～10.0 THz波具有很強(qiáng)的吸收特性，根據(jù)Beer Lambert法則(Ein/Eout=e-αl， 其中，Ein和Eout分別表示入射和出射的電場強(qiáng)度；l表示電磁波在媒介中走過的路徑長度)，計(jì)算其吸收系數(shù)α為104～105m-1．圖2為液態(tài)水在0.1 GHz到4 000 THz之間的吸收譜．可見，其中一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰位于5.4 THz(約180 cm-1)，這個(gè)吸收峰被解釋為氫鍵的伸展及受限平移等振動(dòng)模式；另一個(gè)較弱的吸收峰在更低頻的1.8 THz(約60 cm-1)左右，對此振動(dòng)模式的解釋目前還存在一些爭議，它曾被認(rèn)為是氫鍵的彎曲振動(dòng)或平行于氫鍵的平移振動(dòng)[9]，GUILLOT等[10]通過從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)(ab-initio molecular dynamics)仿真發(fā)現(xiàn)，這一弱紅外吸收峰源自單個(gè)水分子在四面體框架結(jié)構(gòu)中的快速搖擺運(yùn)動(dòng)．隨后其他研究[11-12]也都支持了這一觀點(diǎn)：這些較低頻率(<3 THz)的振動(dòng)模式來自于單個(gè)水分子本身,與水分子永久偶極矩(permanent dipole moment)而非感應(yīng)偶極矩(induced dipole moment)相關(guān)，弱化了氫鍵在1.8 THz振動(dòng)模式中的作用．當(dāng)頻率進(jìn)一步降低，弛豫振蕩過程成為主導(dǎo)，在毫米波太赫茲范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)觀測到純弛豫模式的特征時(shí)間在8 ps左右，對應(yīng)特征頻率為20 GHz，這一弛豫振蕩峰的尾部延伸至太赫茲波段，對太赫茲波段中水的介電、吸收特性起主導(dǎo)作用．隨著技術(shù)的進(jìn)步，R?NNE等[13]用太赫茲時(shí)域光譜(terahertz time domain spectroscopy, THz-TDS)系統(tǒng)測量了液態(tài)水在0.2～2.0 THz的復(fù)介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)在20 GHz～1.8 THz還存在未知的作用機(jī)理，解釋太赫茲波段水與電磁波相互作用的機(jī)理也成為近年來的熱門研究[14-17]．

可見，一旦水分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡被打破，重新建立所需要的分子轉(zhuǎn)動(dòng)或位置替代的過程時(shí)間在皮秒或亞皮秒量級(jí)，因此液態(tài)水分子對太赫茲波十分敏感，太赫茲技術(shù)對于深入研究水分子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)過程有著十分重要的意義．

2 太赫茲癌癥檢測

2.1 起源、發(fā)展與瓶頸

水跟生物體的關(guān)系密切，因此太赫茲生物醫(yī)學(xué)成為太赫茲應(yīng)用研究中最早的一個(gè)方向．其中，癌癥檢測又是太赫茲生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的開端．早在21世紀(jì)初期，劍橋大學(xué)以及英國TeraView公司的研究團(tuán)隊(duì)就對21個(gè)病例的皮膚基底細(xì)胞癌離體樣本進(jìn)行太赫茲成像[18]．在太赫茲圖像中腫瘤的邊界與組織病理切片染色后的顯微照片中顯示的腫瘤組織有較好的匹配，且腫瘤與健康組織之間的對比度足以界定腫瘤邊界．腫瘤組織相對于健康組織對太赫茲波的吸收更強(qiáng)．目前，導(dǎo)致這種吸收差異的原因并不清楚．WOODWARD等[18]指出，這種差異最可能來源于皮膚組織中水分含量的不同，或者來自于水分子與皮膚中的蛋白質(zhì)等生物大分子的官能團(tuán)結(jié)合導(dǎo)致其振動(dòng)模式的改變．此項(xiàng)工作后，國內(nèi)外研究人員對多種癌癥進(jìn)行了廣泛的太赫茲成像與光譜分析[19]，涉及乳腺[20]、宮頸[21]及腦[22]等各個(gè)部位的原發(fā)癌．但太赫茲成像技術(shù)卻始終未在臨床應(yīng)用上獲得認(rèn)可．限制其發(fā)展的主要因素有：① 現(xiàn)階段仍缺乏太赫茲波對腫瘤與健康組織的區(qū)分能力，以及作用機(jī)理等相關(guān)基礎(chǔ)生物問題的深入研究．雖然以上針對各種腫瘤的研究都顯示，腫瘤在太赫茲波段與周圍健康組織有一定的對比度，但鮮有研究能夠闡明造成這種對比度的機(jī)理．即使在太赫茲波段出現(xiàn)明顯的區(qū)別，也不能直接證明這是由癌癥組織所致．惡性腫瘤判斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)依然是病理學(xué)切片．為增強(qiáng)癌癥檢測的特異性，一些研究將目光轉(zhuǎn)向腫瘤標(biāo)記物的太赫茲光譜探測上，如唾液中乳腺癌的重要標(biāo)志蛋白[23]、腦膠質(zhì)瘤標(biāo)志物[24]以及肝癌早期標(biāo)志物[25]的探測；② 水分子對太赫茲波的吸收是癌癥檢測中不可回避的問題．太赫茲波光子能量低，不會(huì)對生物體產(chǎn)生電離作用，這使太赫茲成為理想的非侵入式癌癥檢測工具．但受限于生物體中大量水分子對太赫茲波的吸收，太赫茲波不可能穿透人體，對內(nèi)部組織直接成像．因此，除皮膚癌之外，非侵入的特性顯然對其他癌癥的在體診斷意義不大；③ 現(xiàn)有太赫茲系統(tǒng)的硬件、軟件并沒有達(dá)到臨床癌癥檢測的要求．硬件上，目前較成熟的成像方法依然是逐點(diǎn)掃描式成像，其成像速度慢，空間分辨率受衍射極限的限制一般在100 μm左右．針對這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們近年來對壓縮感知、近場成像及固體浸沒顯微成像等技術(shù)進(jìn)行探索，并取得一定進(jìn)展[26-28]．在軟件方面，從太赫茲響應(yīng)中提取樣品特征參數(shù)的數(shù)據(jù)處理算法，其準(zhǔn)確度和可靠性尚有待提高．如英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的NAFTALY等[29]將幾種標(biāo)準(zhǔn)樣本分別寄給16 個(gè)不同國家和地區(qū)的太赫茲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單獨(dú)測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室反饋的測試結(jié)果存在巨大差別．以上都是太赫茲成像技術(shù)在走向臨床過程中所遇到的挑戰(zhàn)及發(fā)展瓶頸．

2.2 生物組織成像對比度機(jī)制的深入研究

太赫茲癌癥檢測的研究應(yīng)著眼于成像機(jī)理的研究，而非單純的橫向擴(kuò)展．2010年，PICKWELL-MACPHERSON教授課題組的SY等[30]用福爾馬林浸泡過的樣本進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜測量實(shí)驗(yàn)，證明水分的差異并不是太赫茲成像唯一的對比機(jī)制，以肝硬化樣本來講，至少有50%～66% 的對比度來自于組織結(jié)構(gòu)與成分的差異．2016 年，CHOPRA 等[31]從細(xì)胞尺度上研究纖維母細(xì)胞的密度對太赫茲信號(hào)的影響，發(fā)現(xiàn)纖維母細(xì)胞的密度增加會(huì)減小組織在太赫茲波段的折射率，由于腫瘤跟健康組織的重要區(qū)別之一是其細(xì)胞的增殖能力強(qiáng)，此項(xiàng)研究對腫瘤與健康組織在太赫茲波段對比度機(jī)制的研究有一定的參考意義．

針對成像對比度機(jī)制的探索，本課題組對太赫茲波與生物組織中各成分相互作用的機(jī)理展開系統(tǒng)研究[32]．利用不同配比的明膠、去離子水及油脂制作乳腺組織仿體，仿體中加入少量甲醛促進(jìn)蛋白質(zhì)相互交聯(lián)，并加入少量對甲基苯甲酸和正丙醇減少高濃度的明膠在水溶液中的聚積沉淀，然后對其太赫茲頻段的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行測量和分析，最后與真實(shí)乳腺癌組織中的纖維組織、腫瘤組織和脂肪的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行對比．結(jié)果顯示，在1 THz以上的高頻部分，某些配比的仿體可以很好模擬真實(shí)組織的介電損耗(ε″)，而低頻部分則與真實(shí)組織相差較大，如圖3．其中，m(w)、m(g)及m(o)分別為仿體中水、明膠及油脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù).考慮到高頻部分主要受單個(gè)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)模式影響，而低頻部分則由氫鍵集體斷裂及重排的弛豫過程主導(dǎo)，我們推斷，仿體中所用的明膠與真實(shí)組織中的蛋白質(zhì)在成分和結(jié)構(gòu)上的不同，可能導(dǎo)致水分子與蛋白質(zhì)結(jié)合的氫鍵存在差異，進(jìn)而影響仿體混合物的低頻特性．

圖3 不同配比的仿體與真實(shí)組織中的纖維、腫瘤、 脂肪的復(fù)介電常數(shù)虛部的對比[32]Fig.3 The comparison among the imaginary parts of complex permittivities of phantoms and those of fibers, tumors, and adipose tissue in breast[32]

本課題組利用相對分子質(zhì)量不等的明膠配制不同濃度的水溶液，對仿體中的蛋白質(zhì)進(jìn)行獨(dú)立分析，并用有效介質(zhì)理論計(jì)算出的水溶液的復(fù)介電常數(shù)，與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4(虛線為對0.2 THz數(shù)據(jù)的線性擬合)[33]．可見，在低頻區(qū)域，隨著蛋白質(zhì)含量的增加，有效介質(zhì)理論計(jì)算出的有效介電損耗與實(shí)驗(yàn)測得的水溶液實(shí)際介電損耗差異呈近似線性增加；而在高頻區(qū)域，兩者幾乎吻合．我們的初步結(jié)果證明，蛋白質(zhì)含量的差異是影響生物組織太赫茲低頻介電特性的因素之一．通過分析腫瘤組織與正常組織在太赫茲低頻波段的介電常數(shù)，可得這兩種組織在蛋白質(zhì)含量上的差別，這將合理解釋腫瘤組織與健康組織在太赫茲波段的對比度機(jī)制，有助于太赫茲癌癥檢測研究向縱深發(fā)展．

圖4 不同相對分子質(zhì)量的明膠溶液利用有效介質(zhì)理論 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測得的介電常數(shù)虛部在0.2～1.0 THz 的差隨明膠濃度的變化[33]Fig.4 The variation of the difference between the calculated and the measured imaginary parts of permittivities of samples with different molar weights between 0.2 THz and 1.0 THz for with various concentrations[33]

2.3 提高參數(shù)提取準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)處理算法研究

針對樣品介電和吸收等特性參數(shù)提取的準(zhǔn)確性，德國的PUPEZA等[34]、法國的DUVILLARET等[35]、澳大利亞的WITHAYACHUMNANKUL等[36-37]所在的團(tuán)隊(duì)在早期做了較多的工作，包括對實(shí)驗(yàn)不確定性的探索以及對薄膜樣品多重反射的處理等．近年來英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的NAFTALY等[38-39]在參數(shù)提取方法的國際化標(biāo)準(zhǔn)建立上進(jìn)行了調(diào)研．

從太赫茲在癌癥的體檢測上考慮，反射式系統(tǒng)相對于透射式系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)用性．本課題組在2016年對反射式太赫茲系統(tǒng)樣品參數(shù)的提取算法進(jìn)行改進(jìn)．傳統(tǒng)的計(jì)算公式假定入射在樣品與參考物表面的太赫茲波具有完全相同的相位，然而在實(shí)際測試中入射波的相位不可能完全相同，據(jù)此計(jì)算會(huì)導(dǎo)致相位錯(cuò)誤，造成計(jì)算結(jié)果的偏差．造成相位錯(cuò)誤的原因既有系統(tǒng)端的不穩(wěn)定性，也有樣品端的不穩(wěn)定性．其中，系統(tǒng)端的不穩(wěn)定性包括飛秒激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)由于光纖抖動(dòng)而造成的相位變化，以及掃描成像時(shí)位移臺(tái)的機(jī)械抖動(dòng)造成的相位變化．樣品端的不穩(wěn)定性主要因?yàn)闃悠泛蛥⒖嘉锏姆瓷淦矫嬖趯?shí)際操作中很難保持完全一樣，導(dǎo)致樣品與參考物相對太赫茲發(fā)射器的距離不一樣，造成入射波相位的不一致．在太赫茲波段，0.1 ps的時(shí)域漂移就會(huì)對樣品吸收系數(shù)測量的準(zhǔn)確性造成巨大影響．本課題組針對系統(tǒng)端的不穩(wěn)定性對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理算法進(jìn)行改進(jìn)，以成像窗下表面反射信號(hào)為基準(zhǔn)，利用成像窗的介電特性計(jì)算參考信號(hào)，使參考信號(hào)與樣品信號(hào)的采集在同一次測量中完成，從而避免兩次脈沖之間入射波的相位差，如圖5．其中，去離子水均勻分布于圖中圓環(huán)內(nèi)，成像參數(shù)為0.5 THz水的吸收系數(shù)；σ為虛線框中數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；α、n、ε′及ε″分別為吸收系數(shù)、折射率、介電常數(shù)實(shí)部和虛部.此算法不僅將參數(shù)提取的不確定性(標(biāo)準(zhǔn)差)縮小到近七分之一，也將測試時(shí)間縮短到近二分之一[40]．隨后，CHEN等[41]進(jìn)一步發(fā)展并在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件中實(shí)現(xiàn)了該算法．

3 最新技術(shù)進(jìn)展與趨勢

太赫茲波與水的相互作用限制了太赫茲波在生物組織中的穿透深度，為在體成像帶來很多挑戰(zhàn)與限制．近年來一些國際團(tuán)隊(duì)對水加以利用，開展了很多有趣且意義重大的研究．

圖5 太赫茲反射成像參數(shù)提取的算法改進(jìn)[40]Fig.5 Improving the algorithm of parameter extraction for terahertz reflection imaging[40]

例如，美國羅徹斯特大學(xué)的ZHANG教授、北京首都師范大學(xué)張存林教授、俄羅斯圣彼得堡國立信息技術(shù)機(jī)械與光學(xué)大學(xué)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)[42]，首次報(bào)道了利用超短激光脈沖照射液態(tài)水薄膜產(chǎn)生太赫茲波．這項(xiàng)工作的發(fā)表擴(kuò)充了此前僅能利用固體、氣體及等離子體產(chǎn)生太赫茲輻射的手段，證明物質(zhì)的4種狀態(tài)均可產(chǎn)生太赫茲波．雖然此項(xiàng)技術(shù)最終的應(yīng)用方向尚不能確定，但能證明人體中大量存在的水有主動(dòng)輻射太赫茲波的潛能，因此，此項(xiàng)研究是振奮人心的突破性工作．

將太赫茲與其他互補(bǔ)性技術(shù)相結(jié)合，開展二維光譜技術(shù)的研究成為近年來的熱點(diǎn)之一．例如，二維拉曼-太赫茲光譜技術(shù)被用于研究液態(tài)水分子網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)以及離子的水合作用對水分子網(wǎng)絡(luò)的影響機(jī)制[43-44]．SHALIT等[45]利用此技術(shù)將鹽溶液的黏度這一宏觀特性與分子間氫鍵的集體振動(dòng)模式聯(lián)系起來，首次從分子層面證明溶液中的陽離子是通過改變水分子之間的振動(dòng)模式，而不是通過離子與水分子之間的相互作用來改變水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的．GRECHKO等[46]利用二維超寬頻太赫茲-紅外-可見光(2D terahertz-infrared-visible, 2D TIRV)光譜技術(shù)研究液態(tài)水中分子間作用力和分子內(nèi)作用力的耦合，揭示了液態(tài)水分子內(nèi)部O—H拉伸振動(dòng)與低頻(1.5～7.5 THz)分子間振動(dòng)，包括1.8 THz的疑似氫鍵彎曲振動(dòng)和5.4 THz的氫鍵拉伸模式，具有很強(qiáng)的耦合特性．可見，合理利用太赫茲與其他技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)的多維光譜技術(shù)，可對樣品特性進(jìn)行更有深度、更全面的檢測．

結(jié) 語

21世紀(jì)以來，太赫茲技術(shù)在各個(gè)國家的大力扶持下發(fā)展迅猛，伴隨而來的是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域的探索與開拓．由于太赫茲與水密切相關(guān)，生物醫(yī)學(xué)研究成為太赫茲應(yīng)用研究中最主要的領(lǐng)域之一．太赫茲波與水分子及其網(wǎng)絡(luò)相互作用的研究是太赫茲技術(shù)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的重要課題，其不僅在生物化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域有著重要的意義，在揭示太赫茲癌癥檢測的對比度機(jī)制上，也扮演重要角色．15年來，國內(nèi)外對大量腫瘤組織進(jìn)行太赫茲波成像及光譜分析，但太赫茲技術(shù)距離臨床應(yīng)用尚有很大距離．太赫茲技術(shù)與其他光譜技術(shù)相結(jié)合的非線性及多維度檢測技術(shù)是目前應(yīng)用研究的趨勢．如何利用多種技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)并最終走向應(yīng)用是一個(gè)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的問題，需要各方學(xué)者協(xié)同解決．