CC BY
412
УДК 537.868.4
Г. З. Гареев, В. В. Лучинин
Применение ТГц-излучения
для обеспечения жизнедеятельности
человека
Ключевые слова:терагерцовое излучение, ИК-спектроскопия, томография, ДНК, наночастицы, взрывчатые вещества, наркотики, системы сканирования.
Keywords: terahertz radiation, IR spectroscopy, tomography, DNA, nanoparticles, explosives, drugs, scanning systems.
В терагерцоеом диапазоне (0,1-30 ТГц) находятся линии вращательных переходов молекул, а также колебательные и колебательно-вращательные переходы больших молекул (в том числе органических), что позволяет селективно воздействовать на них. Целью данной работы являлось изложение базовых положений для принятия решений о применении ТГц-излучения в биологии, медицине и для обеспечения безопасности человека.
Таблица 1 Характеристики и особенности ТГц-излучения
Характеристики ТГц-излучения Особенности ТГц-излучения
Частотный диапазон 100 ГГц (3 мм) ... 30 ТГц (10 мкм) Эффективность рэлеевского расстояния около 1/А4 (поглощение в мелкодисперсных материалах и мутных средах меньше, чем в ИК- и видимом диапазонах) Пространственное разрешение, определяемое критерием Аббе (min А ~ А), больше чем на СВЧ
Энергетический диапазон 0,04-0,0012 эВ Характеристические энергии связи в веществах и объектах, соответствующие ТГц-диапазону: • вращательные спектры молекул • колебания коллективных мод ДНК и белков • колебания твердотельной плазмы Неионизирующее излучение (биологически безвредно в отличие от рентгеновских и у-лучей)
Введение
Вследствие малой энергии квантов ТГц-излу-чение сравнительно безопасно для живых организмов и потому может быть использовано для выявления патологий и новообразований методами ТГц-томографии.
Методы ТГц-спектроскопии во временной области (time-domain), основанные на применении широкополосных когерентных импульсов, позволяют выявлять характерные спектральные особенности («отпечатки пальцев») различных молекул, что важно для обнаружения и идентификации опасных веществ и наркотиков, для экспресс-анализа состава выдыхаемых газов при диагностике заболеваний, для контроля сельскохозяйственных (в том числе и пищевых) продуктов.
Многие процессы в жидкостях происходят в ТГц-диапазоне и могут зондироваться ТГц-волнами. ТГц-спектроскопия дает информацию о структуре и динамике белков. Можно выделить многие аминокислоты на основе их ТГц-спектров, особенно в кристаллической форме. ТГц-спектры индивидуальных пар ДНК могут использоваться для анализа динамики биопроцессов. Можно проводить безмаркерные (label-free) измерения взаимодействия белков при изучении клеточной активности живых клеток. Различия во влажности тканей, строении и химическом составе веществ также легко детекти-
руются с помощью ТГц-волн, поскольку последние сильно поглощаются водой. Это дает возможность ранней диагностики болезней.
В табл. 1 отмечены основные особенности ТГц-излучения, а в табл. 2 представлены современные источники ТГц-волн.
ТГц-излучение при анализе биообъектов
Известны применения ТГц-излучения для распознавания структурных состояний белков, мониторинга рецепторных связей, безмаркерного сек-венирования ДНК, визуализации и каталогизации поглощения и механизма контрастирования в тканях, исследования радиационных эффектов в биопроцессах и образцах [1]. Поскольку энергия ТГц-фотонов мала (несколько милливольт), то повреждения клеток или тканей вследствие тепловых эффектов незначительны, так как сильное
Междисциплинарная платформа «Биотехносфера»
Таблица 2 | ТГц-излучатели
Частотный диапазон
100 ГГц - 1 ТГц свыше 1 ТГц
Туннельно-резонансный и униполярный фотодиоды Вакуумные диоды и триоды ЛБВ, ОВ (прямая, обратная волны) Гиротрон (вращение с циклотронной частотой) Синхротроны Лазеры на свободных электронах Газовые, молекулярные лазеры Нелинейно-оптические преобразователи на импульсных фемтосекундных лазерах Квантово-каскадные лазеры
Принцип: • транспорт носителей заряда (время пролета) • постоянная времени, определяемая размерами (емкостью и сопротивлением) Принцип: • квантово-механический переход между энергетическими уровнями • разность заселенностей • стимулированное излучение • тепловой фон (кТ)
резонансное поглощение маловероятно. В то же время эти энергии согласуются с молекулярными вибрационными, торсионными и либрацион-ными модами в жидкостях и твердых телах, что важно для спектроскопии. При прохождении ТГц-излучения через ткани доминирует механизм рассеяния Мая—Тиндаля (/2), а не механизм рэлеевско-го рассеяния (/4), который преобладает в ИК- и видимом диапазонах, поскольку размер клетки много меньше длины волны. При этом наиболее важными свойствами материалов являются электрическая восприимчивость и объемная проводимость. При взаимодействии ТГц-излучения с биоматериалами имеет место сильное поглощение из-за диэлектрической поляризации. Это поглощение соответствует релаксационной модели Дебая в полярных жидкостях до 1 ТГц (экспоненциальная зависимость прохождения мощности Р0^/Р1п = е-ах коэффициент поглощения а > 500 см-1 на 3 ТГц или свыше 2000 дБ/см). На рис. 1 и 2 показаны спектры поглоще-
ния и преломления деионизованной воды и кожи, а также жировой и мышечной тканей [2].
На низких частотах удельное сопротивление крови то же, что и у нелегированного кремния (6140 Ом-см), и, следовательно, имеют место потери даже без учета поглощения воды. Типичным тканям (жировая ткань, ткани коры головного мозга, печени, мышц) свойственно более высокое удельное сопротивление (свыше 1000 Ом-см), по крайней мере до МГц-частот. Поскольку реальные материалы состоят из проводящих и непроводящих частиц в суспензии или слоях, ВЧ-параметры будут различаться. Однако эти различия малы на общем высоком уровне поглощения (например, при 120 ГГц коэффициент поглощения крови, сыворотки, солевого раствора и питательной среды имеет значения 75, 71, 79, 83 см-1 соответственно [3]).
Переходя от поглощения к отражению, можно наблюдать гораздо более информативную картину. Например, показатель преломления дистиллированной воды (1,33 в видимом диапазоне) меняется от 80 (1 ГГц) до 2 (1 ТГц), так же как и показатели крови и тканей. Таким образом, для идентификации типов тканей измерения частотного спектра отражения более актуальны, чем измерения спектра поглощения. Однако высокий коэффициент поглощения, ограничивающий проникновение ТГц-излучения через ткани, позволяет получить высокий контраст тканей с разным содержанием воды. Это важно, например, при обследовании ожогов на некротических образцах кожи и при изучении морфологии опухолей.
ТГц-спектроскопия весьма актуальна, например, при сравнении сигнатур отражения или поглощения образцов, подвергшихся химическим или физическим изменениям (различия конформных состояний, изменение плотности или поляризации, дегидрации, температуры). Весьма перспективны измерения авидин-биотиновой связи [4] и ДНК-гибридизации [5]. Авидин-биотиновая связь используется в биотехнологии для прикрепления производимых белков к поверхностям в селективной хроматографии, при транспортировке лекарств
6001
500'
400'
н
н
ф
Я
о ч
¡4
о К
300'
200
100
\ 1 у/1
1 : 1 а
V Ч ;
:
500 1000 1500 2000 2500 3000 Частота, ГГц
Рис. 1
Спектры поглощения и преломления деионизованной воды
Н
ц
н ■е
о
К
300 250 200 150 100 50
■ Деионизированная вода (М = • Кожа N = 24) А Жировая ткань N = 25)
Мышечная ткань N = 25) ■ ■ ■ ■
. ■ ■
16)
...».....
* * * * ж
• •• *•
0
0,50
—I-'-1-■-1—
0,75 1,00 1,25
Частота, ТГц
1,50
Рис. 2
Спектры поглощения воды, кожи, жировой и мышечной тканей
0
и флуоресцентной маркировке. Процесс связывания приводит к изменению показателя преломления поверхностной пленки, что легко изменяет отражение ТГц-луча. Аналогичное изменение преломления происходит, когда ДНК в растворе ги-бридизируется. Более трудно количественно определять конформные изменения таких состояний, как свертки или сгибы молекулярных цепочек. Исследование родопсина особенно интересно и позволит реализовать в реальном времени мониторинг изменений после подбора соответствующих частот [6]. Помимо молекулярных сигнатур на основе ТГц-спектроскопии уже сделаны каталоги изображений (ТГц-видение) нормальных и поврежденных тканей в диапазоне 500-1500 ГГц [3].
ТГц-излучение в медицине
Одно из наиболее актуальных применений ТГц-излучения в медицине — раннее обнаружение и диагностика болезней. Хорошими примерами являются идентификация кариеса [7], оценка степени ожога кожи [8], контроль заживления и рубцевания ран [9], обнаружение субдермальной карциномы [9]. Прозрачность материалов в ТГц-диапазоне позволяет обследовать рану без снятия гипса или бинтов. ИК- и микроволновая термография используется в неврологии, онкологии, ревматологии, офтальмологии, кардиологии, дерматологии и хирургии. Для формирования теплового изображения требуется разрешение менее 0,1 К. Типичные градиенты температур в коже (от внутренней к внешней поверхности) составляют 0,2-0,5 К/мм [10]. Современные неохлаждаемые тепловые ИК-камеры на микроболометрах имеют разрешение менее 0,04 К при частоте кадров 30 Гц. В ТГц-диапазоне такое разрешение пока не достигнуто. Однако преимуществом ТГц-камеры является проникающая способность, т. е. возможность получения 3Б-изображений (в частности, возможность обнаружения подкожных «горячих» областей). Кроме того, ТГц-видение позволяет идентифицировать болезни дыхательной, пищеварительной и сосудистой систем посредством эндоскопии или катетеризации. Благодаря различию отражательных сигнатур тканей уже получены хорошие результаты применения ТГц-систем для выявления атеросклероза, бляшек, жировых слоев, рубцов и других эндотелиальных аномалий [2].
Со времени изобретения первых субмиллиметровых (терагерцовых) генераторов (середина 1960-х гг.) многократно исследовалось воздействие ТГц-излучения на организм, причем изучались не только тепловые эффекты (нагрев тканей), но и информационные [11]. К таким эффектам относят проницаемость и адгезию клеточной мембраны, синтез АТФ, иммунную реакцию, скорость метаболизма, возбуждение рецепторов центральной
нервной системы, электрическое воздействие на кору головного мозга и другие эффекты, включая терапевтическое влияние субмиллиметрового излучения. Были обнаружены эффекты памяти, когда изменения состояний воды или влагосодержащей ткани сохранялись в течение 10 мин после облучения. В 1968 г. Фролих предсказал клеточный ТГц-резонанс [12], исследования в этой области проводились и в России [13]. Поскольку в белках и олигонуклеотидах были обнаружены резонансные моды, то воздействовать на клеточные и субклеточные процессы ТГц-излучением можно.
При ТГц-облучении вещества на резонансных частотах возможны изменения его молекулярной или кристаллической структур, а значит, и свойств. Например, функции биомолекулярных белков изменяются в зависимости от их формы. Такие белки включают прионы — инфекционные агенты, которые обуславливают так называемое «коровье бешенство», т. е. нейродегенеративную болезнь скота. Нормальные молекулы прионов состоят из четырех спиральных структур (a-helices). В аномальных прионах две a-спирали размотаны в ß-листы. В настоящее время разрабатывается инновационная методика, позволяющая трансформировать аномальные прионы в нормальные молекулы при ТГц-облучении [14].
Бурное развитие нанотехнологий стимулирует расширение областей применения ТГц-излучения и создание как новых источников, приемников и волноводов, так и наноконтрастных агентов для ТГц-видения (рис. 3) [15].
Такие агенты используются для контрастирования изображения здоровой и патологической областей ткани или молекул. Сюда относятся на-номасштабные частицы (сферические частицы, углеродные нанотрубки, фуллерены, квантовые точки, кантилеверы, наностержни, нанооболочки (nanoshells), наноклетки (nanocages), нанопрово-локи, различные металлические и оксидные нано-объекты). Наночастицы, которые характеризуются способностью создавать поверхностные плазмоны (плазмонные наночастицы), особенно интересны, поскольку могут использоваться для терапии и видения [15]. Золото — наиболее предпочтительный металл в наночастицах для биоприменений из-за его биосовместимости, сильного рассеяния вблизи резонансных частот локальных поверхностных плазмонов (LSP), способности акцептовать биоконъюнктивные процессы [16]. Наноконтрастные агенты позволяют реализовать эффект гипертермии [17], который создается поверхностно-плазмонны-ми поляритонами (SPP) при облучении наночастиц ближневолновым ИК-лазером. Как следствие, температура воды в раковых клетках (которые зондируются наночастицами) растет, и поскольку ТГц-сигнал чувствителен к изменению температуры воды, раковые клетки можно зондировать и визуализировать (рис. 4) [17].
Источники ТГц на основе нанотехнологий
Наноконтрастные агенты CNT"
ТГц-детекторы ТГц-детекторы на основе нанотёхнологий^ 'MWCNTs
CNT
Рис. 3 \ Наноконтрастные агенты для ТГц-видения
Ближний ИК-лазер Раковая
О
NPs
£ 0
ТГц-излучение
0(_(?.
I
SPPS Температура воды
Призма Волластона
в клетках
Рис. 4 \ Эффект гипертермии
Первоначально исследовались нанокомпозиты из гидроксилапатита золота и золотые наностерж-ни ^ЫКв). Было показано, что контрастные агенты способны усиливать чувствительность к ТГц-сигналам и могут быть ограничены раковыми клетками, а значит, и нацелены на раковые опухоли [18]. Были также исследованы наночастицы оксида гадолиния (Gd2Oз) в качестве контрастных агентов для ТГц-видения [19]. Результаты показали, что эти частицы позволяют реализовать медицинское ТГц-видение из-за сильного взаимодействия с ТГц-волнами (поглощение на 3 порядка выше, чем в воде). Кроме того, поскольку эти частицы уже использовались для магниторезонансного видения (МШ) как мультифункциональные контрастные агенты, их применение для ТГц-видения позволит реализовать комбинацию двух методов. Одновременное применение наночастиц как гипертермальных терапевтических агентов и для ТГц-видения позволит реализовать на ранних стадиях рака как диагностику, так и терапию. Более того, методика ТГц-видения служит для мониторинга транспортировки лекарств, а применение ИК-лазера вместе с ТГц-методикой открывает горизонты ТГц-эндоскопии [20].
РасщепляюЩая
Балансовый фотодетектор
Фемтосекундный
лазер
Модулятор
Рис. 5
Схема установки для ТГц-спектроскопии во временной области
Весьма актуальны импульсная ТГц-спектроско-пия и ТГц-видение для диагностики глиомы головного мозга [21]. На рис. 5 показана схема ТГц-спектроскопии во временной области (time-domain spectroscopy). В частности, были исследованы нормальные и пораженные клетки головного мозга, помещенные в парафиновые капсулы, в диапазоне частот 0,2—2 ТГц. На рис. 6 (см. 3-ю сторону обложки) [21] показаны спектры преломления и поглощения нормальных и пораженных клеток головного мозга.
ТГц-спектроскопия в фармацевтике
Импульсная ТГц-спектроскопия используется для исследований и неразрушающего контроля мультикомпонентных медпрепаратов в форме таблеток [22]. Схема соответствующей эксперимен-
клетка
Фемтосекунд-ный лазер
ТГц-из-
лучатель
Образец
Вакуумная камера с криостатом
ТГц-детек-тор
3-мерный штатив
Рис. 7 \ Схема установки для импульсной спектроскопии
тальной установки показана на рис. 7. В частности, были получены ТГц-изображения распределения полиморфных форм фамотидиновых связей с Б-маннитолом (фармацевтика) и определены вибрационные моды пиков в спектрах фамотидино-вых полиморфных форм. Измерения проводились в температурном диапазоне 77-298 К. На рис. 8 (см. на 3-й стороне обложки) [22] показаны ТГц-спектры пропускания разных форм фамотидина (1 — форма А, 2 — форма В, 3 — Б-маннитол) при различных температурах (А — 298 К, В — 220 К, С — 120 К, Б — 77 К). На рис. 9 (см. 3-ю сторону обложки) [22] показаны спектроскопические ТГц-изображения спрессованных таблеток, содержащих полиморфные формы фамотидина А и В и Б-маннитола, измеренные при температуре 220 и 298 К. Диаметр таблеток 10 мм, толщина 2 мм.
ТГц-системы обеспечения безопасности
ТГц-спектроскопия и ТГц-видение для контроля безопасности перспективны по следующим причинам [23]:
1) спектроскопические сигнатуры взрывчатых веществ (ВВ) и наркотиков лежат в ТГц-области спектра;
2) ТГц-излучение может обнаружить скрытое обычное оружие, поскольку на его фоне многие неметаллические, неполярные материалы прозрачны в ТГц-спектре;
3) взрывчатка и наркотики имеют характеристические ТГц-спектры, что позволяет их идентифицировать;
4) ТГц-излучение практически безопасно (по сравнению с рентгеновским) при сканировании людей или животных.
Кроме того, преимуществом ТГц-диапазона по сравнению с СВЧ-диапазоном является более высокое пространственное разрешение.
При разработке систем контроля безопасности необходимо учитывать:
• спектры пропускания и отражения объектов (взрывчатки, наркотиков);
• свойства барьерных материалов, которые могут скрывать исследуемые объекты;
• пропускание атмосферы при дистанционном зондировании;
• способ приготовления исследуемых образцов.
Особенности поглощения ТГц-излучения атмосферой. При дистанционном зондировании необходимо учитывать ТГц-поглощение в атмосфере. Такие системы могут работать на коротких расстояниях (до 100 м). Для реализации дальнодействующих систем (от сотен метров до нескольких километров) можно использовать импульсные ИК-лазеры (работающие в окнах прозрачности атмосферы), которые ионизируют воздух вблизи зондируемого объекта и индуцируют плазменное ТГц-излучение. В свою
0,8 1,2 Частота, ТГц
Рис. 10
Атмосферное ослабление (дБ/м) в диапазоне частот 0,4-1,6 ТГц
1Е+03 1Е+02
м
И 1Е+01
д
1Е+00
° 1Е-03
1Е-04
100
1000 Частота, ГГц
1Е+02 1
И 1Е+01
д
2~ 1Е+00
1Е-01
1Е-02 1Е-03
_ 1Е+03 М 1Е+02 § 1Е+01
н
200 400 600 Частота, ГГц
800
1000
л б а л
1Е+00
1Е-01
1000 1200 1400
1600 1800 2000
Частота, ГГц
Рис. 11 \ Атмосферное поглощение при влажности 50 %
0
100
н
н 10
и
о
&
о о
CS
рц
— 1
..... 2
- ч ---- 3
■A4-
т - • - - • I' ' 1' Vi
/ * т
/
f
/ (1
500 1000
Частота, ГГц
1500
Рис. 12 Максимальное расстояние обнаружения скрытого оружия в зависимости от частоты и при погодных условиях:
1 — нормальных; 2 — с высокой влажностью; 3 — зимой
очередь, индуцированная лазером плазма приводит к флуоресценции на длинах волн 300—400 нм (линии азота). Было продемонстрировано когерентное детектирование широкополосного ТГц-излучения путем измерения флуоресценции на расстоянии свыше 10 м [24, 25].
Спектры атмосферного поглощения показаны на рис. 10 и 11, а—в [26] при различных уровнях влажности. Видно, что имеется несколько полос пропускания, а поглощение составляет около 50 дБ/км на частоте 0,8 ТГц. Очевидно, что высокая влажность (дождь) существенно увеличивает поглощение, в то время как микронные частицы (пыль, дым) не сильно рассеивают ТГц-лучи.
На рис. 12 [27] показано максимальное расстояние для обнаружения скрытого оружия в зависимости от частоты и погодных условий.
ТГц-детектирование взрывчатых веществ. Следует отметить, что ТГц-спектры могут быть чувствительны к методам подготовки образцов, структурным изменениям материала (например, при гранулировании) или к примесям (например, к наполнителям, которые вводятся в процессе подготовки образцов). Известно, что, когда размер гранул сравним с длиной волны (около 300 мкм), порошок сильно рассеивает ТГц-излучение. Другим способом обеспечить рассеяние является создание базового материала с инертным матричным на-полнителем1. Может использоваться матричный материал с близким показателем преломления в ТГц-области спектра для минимизации рассеяния из-за диэлектрического несогласования. Система ТГц-детектирования должна обнаруживать угрозу в реальной форме (например, нитрат аммония в обычной сумке или КБХ в пластиковой матрице изготовления для С42). Обнадеживает то, что, несмотря на множество способов подготовки образцов, спектральные особенности (отпечатки) взрывчатки воспроизводятся вне зависимости от метода подготовки.
Таблица 3 Пики поглощения некоторых
взрывчатых веществ, лекарств
и наркотиков
Материал Центральная частота диапазона, ТГц
Explosive
Semtex-H 0,72 2,45 1,29, 2,57 1,73, 1,88, 2,15,
PE4 47 ,, 1,29, 2,69 1,73, 1,94, 2,21,
RDX/C4 0,72 1,29, 1,73
PETNa 1,73 2,51
PETNb 2,01
HMXa 1,58 1,91, 2,21, 2,57
HMXb 1,84
TNTa 1,44 1,91
TNTb 1,7
TNT 5,6, 8,2, 9,1, 9,9
NH4NO 3 4, 7
Drugs
Methamphetamine 1,2, 1,7-1, 8
MDMA 1,4, 1,8
Lactose a-monohydrate 0,54 2,87 1,20, 3,29 1,38, 1,82, 2,54,
Icing sugar 1,44 2,84 1,61, 3,44 1,82, 2,24, 2,57,
Co-codamol 1,85 2,09, 2,93
Aspirin soluble 1,38 3,26
Aspirin caplets 1,4, 2,24
Acetaminophen 6,5
Terfenadine 3,2
Naproxen sodium 5,2, 6,5
1 Обычно наполнитель — это прозрачный ТГц-материал,
например полиэтилен.
2 ИБХ и С4 — виды взрывчатых веществ.
В табл. 3 представлены основные линии поглощения некоторых ВВ, лекарств и наркотиков [23, 28, 29].
Резкие пики поглощения обусловлены фонон-ными модами, связанными с кристаллической структурой. Присутствие широких полос обусловлено рассеянием от структуры с размерами, сравнимыми с длиной волны. Это обычно происходит в зернистых или волокнистых материалах. Первые девять ВВ из табл. 3 имеют характерные ТГц-отпечатки в диапазоне 0,1—3 ТГц. Поскольку этим ВВ обычно свойственно низкое давление пара, то ТГц-спектроскопия является альтернативой другим методам, требующим относительно высокого давления пара. В то же время остается открытым вопрос детектирования аморфных ВВ. Одним из них является нитрат аммония (ЛМ), который не имеет резких пиков поглощения, но монотонно изменяется в диапазоне до 3 ТГц. Нитрат аммония смешивается с топливным маслом (ГО) и является широко распространенным ВВ в самодельных
1
0
о
-0,5 -1
-1,5 -2
100
Волновое число 200 300 400
500 600
10
Частота, ТГц
15
20
Рис. 13 \ Спектр пропускания нитрата аммония
взрывных устройствах (СВУ), нацеленных против машин. Небольшие осцилляции появляются только в диапазоне 3-7 ТГц (рис. 13).
ТГц-детектирование таких «бесследных» ВВ требует особого рассмотрения. Первый способ детектирования — разработка ТГц-системы, работающей в диапазоне 3-7 ТГц, второй — детектирование ЕО-компонента, третий — проведение двух измерений на разных частотах (0,2 и 2,5 ТГц). На нижней частоте АЫГО прозрачен, на верхней — непрозрачен. Это позволяет по крайней мере обнаружить присутствие ВВ без точного определения концентрации.
Очень важно уметь обнаруживать противопехотные мины1, поскольку они малы и содержат минимальное количество металла. Радарные системы не могут отличить маленькие мины от камней ввиду низкого пространственного разрешения. Разрешение ТГц-сканеров в 10 раз выше (около 1 мм). Однако помимо высокого разрешения требуется проникновение ТГц-лучей сквозь почву с разным грунтом (песок, земля) и разной влажностью. Песок имеет поглощение 8,2 дБ/(см-%) (% — влажность). Была показана возможность обнаружения неметаллических мин: удалось получить четкое ТГц-изображение неопренового кольца (диаметрами 12,7 и 25,4 см) в сухом песке на глубине 1,2 см [30]. Изображение формировалось сканированием 100x100 пикселей (размером 300 мкм).
ТГц-детектирование наркотиков. Основные пики поглощения наркотиков и лекарств находятся в области 1,3-2 ТГц [31, 32]. Применение компонентного пространственного структурного анализа [33] с ТГц-спектроскопией позволяет идентифицировать рисунки различных препаратов, даже если они предварительно смешаны или расположены пластами относительно друг друга (ошибка составляет 10 %). На рис. 14 показаны спектры пропускания кодеина, кокаина и сахарозы.
80
е, 60 и н а
м
& 40 н
о
&
К
20
~г
1,5
Частота, ТГц
Рис. 14
Спектры пропускания кодеина 1, кокаина 2 и сахарозы 3
1 В настоящее время по всему миру их насчитывается свыше 100 млн.
Обычно ВВ, оружие и наркотики прячут под одеждой или упаковкой. Одежда и упаковка — «барьерные материалы» (БМ) — имеют характерные собственные ТГц-спектры. Например, БМ может поглощать ТГц-излучение и, следовательно, ограничивать глубину его проникновения. Кроме того, БМ могут показывать похожие ТГц-пики («цвета») поглощения, которые маскируют спектральные отпечатки ВВ или наркотиков. Однако большинство БМ (одежда, бумага, пластик) имеют монотонные ТГц-спектры поглощения (постепенный рост с частотой), особенно на частотах ниже 3 ТГц.
ТГц-системы сканирования и идентификации опасных объектов. Такие системы могут работать в режиме пропускания или в режиме отражения. Поскольку многие ВВ и наркотики сильно поглощают ТГц-излучение, то режим пропускания более эффективен при малых количествах материала (например, 0,1 мм пласт КБХ или 20 мг наркотиков). На коротких расстояниях (менее 3 м) атмосферное поглощение и рассеяние минимальны. Почту и багаж сканируют на малом расстоянии, а поиск ВВ, оружия, наркотиков и контрабанды, проносимых людьми, проходящими через КПП, проводится на большом расстоянии (более 3 м). Существуют три метода сканирования на близком расстоянии (рис. 15) [34]:
1) растровое сканирование (сфокусированный ТГц-луч сканирует поверхность тонкого образца, отраженный или проходящий луч измеряется, изображение формируется по пикселям);
2) импульсное сканирование (ТГц-сигналы с временной задержкой используются для создания изображения с высоким разрешением);
3) электрооптическое сканирование (ТГц-сигнал преобразуется в видимый и далее считывается ПЗС-камерой с высокой частотой; недостаток — низкий динамический диапазон, т. е. невозможность регистрации слабых сигналов).
Общий недостаток короткодействующих систем — низкая частота кадров (кроме электрооптической системы, которая не позволяет регистри-
0
5
Рис. 15 \ Ближняя система ТГц-сканирования
ровать слабые сигналы). Поэтому разработка высокоскоростной ТГц-системы для сканирования и идентификации опасных веществ, работающей на видеочастотах, является актуальной задачей.
Дальнодействующие (более 3 м) системы нужны для сканирования людей на открытых территориях (аэропорты, вокзалы и т. п.). Применительно к ним существуют два метода формирования изображения:
1) фокальные решетки (аналогичные матричным ПЗС оптического диапазона);
2) интерферометрические системы (используется амплитудная и фазовая информация между парами детекторов).
Последние имеют меньшее количество детекторов, но более высокие частоты кадров по сравнению с фокальными решетками. На рис. 16 показан пример использования дальней системы ТГц-сканирования.
Для формирования ТГц-изображения используется либо импульсный лазер, либо непрерывная генерация разностной частоты. Последняя реализуется смешиванием излучений двух ИК-лазеров. Импульсный метод обычно включает генерацию и детектирование ТГц-импульсов с использованием либо фотопроводящей антенны, либо оптического выпрямления в нелинейном кристалле. Преимуществом импульсной ТГц-спектроскопии во временной области является то, что широкополосную спектральную информацию (0,1-3 ТГц) можно получить, применяя одиночный пикосекундный импульс (так же как и информацию по глубине и по разности времени прихода импульсов). Непрерывные ТГц-системы имеют более высокую мощность на выбранной частоте.
Наличия ТГц-изображения недостаточно для идентификации спрятанных ВВ или наркотиков ввиду сложных эффектов от барьерных материалов или(и) шума, поэтому необходим анализ изображения. Существуют два вида анализа ТГц-изображения:
1) компонентный анализ рисунка, основанный на матричной форме закона поглощения Бира-Ламберта в режиме пропускания [35];
Рис. 16 \ Дальняя система ТГц-сканирования
2) искусственные нейронные сети (ИНС) [36], служащие для анализа ТГц-образов, полученных в режиме либо отражения, либо пропускания, и классифицирующие пиксели изображения в соответствии с их компонентным материалом (например, ВВ, барьерный материал, металл, кожа).
Фактически это компьютерная карта (база данных), которая может быть оптимизирована для обнаружения определенных рисунков. Когда неизвестный ТГц-рисунок поступает на вход, ИНС пытается классифицировать его в соответствии с известными материалами из библиотеки ТГц-спектра.
Технические перспективы
Дальнейшее развитие ТГц-систем для биомедицинских исследований и обеспечения безопасности зависит в первую очередь от разработок новых источников и приемников ТГц-излучения с улучшенными характеристиками (мощность излучения, чувствительность, спектральный диапазон, рабочая температура, энергопотребление, массогабаритные параметры). Среди наиболее перспективных направлений следует отметить квантово-каскадные и графеновые лазеры, а также фотопроводящие антенны с плазмонными наноэлектродами. Все эти приборы не требуют криогенных систем охлаждения, обладают возможностью регулировки рабочей частоты и ширины спектра, а главное — могут работать в режиме как излучателей, так и приемников (детекторов).
Литература
1. Siegel P. Terahertz Technology in Biology and Medicine // IEEE Trans. On Microwave and Techniques. 2004. Vol. 52. N 10.
2. Fitzgerald A. [et al.] Catalogue of human tissue optical properties at terahertz frequencies // J. Biol. Phys. 2003. Vol. 29. N 2/3.
3. Giovenale E. [et al.] Absorption and diffusion measurements of biological samples using THz free electron laser // J. Biol. Phys. 2003. Vol. 29. N 2/3.
4. Mickan S. [et al.] Label-free bioaffinity detection using thz technology // Phys. Med. Biol. 2002. Vol. 47. N 21.
5. Bolivar P. [et al.] Label-free probing of genes by time domain thz sensing // Phys. Med. Biol. 2002. Vol. 47. N 21.
6. Markelz A. [et al.] THz time domain spectroscopy of biomole-cular conformational modes // Phys. Med. Biol. 2002. Vol. 47. N 21.
7. Crawley D. [et al.] THz pulse imaging: A pilot study of potential applications in dentistry // Caries Res. 2003. Vol. 37. N 5.
8. Mittleman D. THz imaging, in sensing with THz radiation. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 2003. P. 117-153.
9. Woodward R. [et al.] THz pulse imaging in reflection geometry of skin tissue using time domain analysis technique // Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 2002. Vol. 4625. P. 160-169.
10. Jones B. A reappraisal of use if IR thermal image analysis in medicine, IEEE Trans. Med. Imag. 1998. Vol. 17. P. 10191027.
11. Beltskij O., Lebedeva N. Current concepts on the mechanisms of action of low-intensity mm waves on biological objects // Online Journal of United Phys. Soc. Russian Federation. 2001. Vol. 4.
12. Frohlich H. Long range coherence and energy storage in biological systems // Int. Quantum Chem. 1968. Vol. 2. P. 641-649.
13. Pakhomov A. [et al.] Current state and implications of research on biological effects of mm waves: A review of the literature // Bioelectromagnetics. 1998. Vol. 19. N 7. P. 393-413.
14. www.rikenresearch.riken.jp/eng/frontline. Applying thz waves to future technologies. C. Otani. 30.08.2013.
15. Sirotkina M. [et al.] Continuous optical coherence tomograthy monitoring of nanoparticles accumulation in biological tissues // J. Nanopart Res. 2011. N 13 (1).
16. Tseng H. [et al.] Au nanorings for enhancing absorption and backscattering monitored with optical coherence tomography // Nanotechnology. 2010. 21 (29).
17. Son J. THz electromagnetic interactions with biological matter and theis applications // J. Appl. Phys. 2009. N 105 (10).
18. Oh S. [et al.] Nanoparticle contrast agents for THz medical imaging // 33rd int. conference on IR and mm waves and the 16th int. conference on THz electronics. Pasadena, 15-19 September 2008.
19. Oh S. [et al.] Nanoparticle-enabled THz imaging for cancer diagnosis // Opt. Express. 2009. 17 (5).
20. Oh S. [et al.] Molecular imaging with THz waves // Opt. Express. 2011. N 19 (5).
21. Meng K. [et al.] THz Pulsed Spectroscopy of Parafin-Embedded Brain Glioma // Journal of Biomedical Optics. 2014. N 19 (7).
22. Ajito K. [et al.] Nondestructive Multicomponent THz Chemical Imaging of Medicine In Tablets // Journal Of Electrochemical Society. 2014. N 161 (9).
23. Federici J. [et al.] THz imaging and sensing for security applications — explosives, weapons and drugs // Semicond. Sci., Technol. 2005. N 20. S. 266.
24. Zhang X. Air Photonics: Tera-Mid IR Radiation, NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics, Springer Science (2011).
25. Sun X.,Zhang X. THz Radiation and Alkali Vapor Plasmas // Appl. Phys. Let. 2014. 104, 191106.
26. Yuan T. [et al.] THz absoption of Athmosphere // Proc SPIE 5070. 2003. 28.
27. Zhang X. NATO Workshop, CH, Spiez, 2006.
28. Tribe W. Hidden object detection: security applications of THz technology, Proc. SPIE 5354, 168, 2004.
29. Cook D. [et al.] Through container THz sensing: applications of explosive screening, Proc. SPIE 5354, 55, 2004.
30. Fitch M. [et al.] THZ imaging and spectroscopy for landmine detection, Proc. SPIE5354, 45, 2004.
31. Campbell M., Heilweil E. Noninvasive detection of weapons of mass destruction using THz radiation, Proc. SPIE 5070, 38, 2003.
32. Kawase K. [et al.] Non-destructive THz imaging if illicit drugs using spectral fingerprints, Opt. Express, 11, 2549, 2003.
33. Watanabe Y. [et al.] Component spatial pattern analysis of chemicals using THz spectral imaging // Appl. Phys. Lett., 85, 519, 2003.
34. O'Hara J., Grischkowsky D. Quasi-optic synthetic phasedarray THz imaging // J. Opt. Soc. Am., B21, 1178-91, 2004.
35. Kawase K. [et al.] Component pattern analysis of chemicals using multispectral THz imaging system // Proc. SPIE 5354, 63, 2004.
36. Oliveira F. [et al.] Analysis of THz spectral images of explosives and bio-agents using trained neural networks // Proc. SPIE 5411, 45, 2004.
г л
Как оформить подписку?
• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентство «Урал-Пресс».
• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-53-90 или электронной почтой [email protected] заполненный запрос счета на подписку.
Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»
Полное название организации_
Юридический адрес_
Банковские реквизиты_
Адрес доставки_
Срок подписки_Кол-во экз.
Тел._Факс_e-mail
Ф.И.О. исполнителя_
Стоимость одного номера журнала при подписке через редакцию — 550 руб. с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru.
Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.
