Vanddæmpning med THz optoakustik:Et gennembrud for biomedicinske applikationer

Stråling ved terahertz-frekvenser (bølgelængder mellem 0,03 og 0,3 mm) kan med succes bruges til at analysere vands og biomolekylers strukturelle dynamik. Men at anvende teknikken på vandige opløsninger og væv er fortsat udfordrende, da terahertz (THz) stråling absorberes kraftigt af vand. Selvom denne absorption muliggør visse analyser, såsom vandets struktur og dets interaktioner med biologiske opløste stoffer, det begrænser tykkelsen af ​​prøver, der kan analyseres, og det overdøver svagere signaler fra biomolekyler af interesse. Stærk absorption af THz-stråling i vand har præsenteret en flaskehals, der forhindrer THz-stråling i at afsløre biofysiske og biokemiske processer dybt inde i væv.

For at overvinde disse begrænsninger, et forskerhold ledet af Zhen Tian og Jiao Li ved Tianjin University har for nylig udviklet en metode til at analysere vandrige prøver via tidsdomæne THz optoakustik. Som rapporteret i Avanceret fotonik , det nye system muliggør tidsdomæne THz optoakustisk detektion af vandrige prøver, såsom vandige opløsninger og væv. Det optoakustiske signal fra vand kan dæmpes ved at ændre temperaturen for at muliggøre følsom påvisning af andre molekyler af interesse.

Vanddetektion og dæmpning baseret på THz optoakustik

Det viste tidsdomæne THz optoakustik er et gennembrud, der muliggør præcis og ikke-destruktiv detektion af optoakustiske signaler i vandrige prøver over en 104 gange tykkelse, spænder fra mikron til centimeter (102 gange større end traditionelle THz-detektionsmetoder såsom THz-tidsdomænespektroskopi). Holdet opnåede med succes tidsdomænet THz optoakustiske signaler fra vand i forskellige prøver af agar-i-vand-fantomer, biovæv, og vandige opløsninger med forskellige opløste stoffer.

Ved at justere temperaturen for at ændre det optoakustiske THz-signal for vand, de forbedrede følsomheden, hvormed det kan analyseres. Omvendt signalet fra vand kan reduceres eller endda dæmpes.

De biomedicinske fordele er klare. Ifølge forfatterne, "Ved at manipulere THz optoakustiske signaler af en vandig baggrund, vi kan opnå enestående forbedret følsomhed til etiketfri kvantificering af ioner, i koncentrationer, der når niveauerne i den menneskelige krop." Den rapporterede metode opnår en størrelsesorden større følsomhed end kommercielt tilgængelige THz-spektroskopisystemer.

Kraftfuldt værktøj til spektroskopi

Forfatterne bemærker, at denne nye THz optoakustiske metode kan udvides til at studere andre biologiske molekyler og væv, såsom sukker, proteiner, DNA, og RNA. Yderligere temperatur- og koncentrationsparametre relateret til både THz-absorption og ultralydsudbredelse kan leveres af tidsdomæne-THz-optoakustik, potentielt bidrage til undersøgelser af biologiske og kemiske egenskaber, såsom hydreringstallet for ionopløsninger.

Et kraftfuldt nyt værktøj til spektroskopi, THz optoakustik åbner muligheder for billeddannelse af vandige opløsninger og væv for at undersøge molekylære interaktioner og biokemiske processer. Zhen Tian siger, "Vi sigter mod at inspirere langsigtet forskning i THz-spektroskopi og billeddannelse for at udnytte det biofysiske, strukturel, og funktionel indsigt, der ikke kan opnås ved brug af stråling af andre frekvenser."

Læs open access-forskningsartiklen af ​​Jiao Li et al. "Tidsdomæne terahertz optoakustik:manipulerbar vandregistrering og dæmpning."