太赫兹生物医学科学与技术

在过去的 ２０ 多年,自可用飞秒激光驱动皮秒电脉冲产生太赫兹信号以来,太赫兹科学技术开始备受关注.为了弥补电磁波谱的空缺,新的产生技术、探测技术,以及必要的组件已经被开发并应用于诸如科学光谱学、安全检查和医学成像等众多领域. 随着太赫兹技术的发展,关于这一主题的研究论文的出版量也激增,因为其在科学和技术上都具有巨大的潜力,所以许多介绍这种先进技术的书在陆续出版.这些书主要集中介绍太赫兹的产生和探测、层析成像仪器等类似仪器的使用方法,以及诸如半导体和电介质等凝聚物质的光谱学等方面.*近２年出版的书籍反映了太赫兹技术及其应用的进展,但限制了利用太赫兹波进行生物医学研究的空间,尽管生物医学领域是太赫兹应用中发展*快的领域之一. 因此,一本能展现迄今为止获得的大部分相关研究成果的太赫兹生物医学研究图书有着巨大的需求,该项目由泰勒和弗兰西斯集团的高级出版编辑Luna Han 发起,他联系我编写这本关于太赫兹生物医学研究的书,我有幸聘请到太赫兹研究的先驱和太赫兹生物医学领域的杰出科学家作为这本书的作者,这本*近被研讨了很长一段时间的书是他们研究成果的汇编.本书由三部分组成.*部分简要回顾了太赫兹技术,从源和探测器到成像技术和波导,引导学生和科学家进入太赫兹研究领域.第二部分的内容是利用太赫兹波进行的基础生物学研究的汇编,包括水和液体的特性、生物分子光谱学、蛋白质的动力学,以及太赫兹辐射的生物学效应.第三部分介绍了太赫兹成像在医疗应用方面的*新成果,特别是在癌症诊断方面.本书还从太赫兹波的原理和应用出发,讨论了太赫兹波分子成像技术,*后总结了太赫兹技术在医学领域的应用前景. 如果没有杰出的章节作者,这本书无法面向读者出版.在此感谢作者贡献的知识,并对罗切斯特大学的张希成教授给出的鼓励和建议表示衷心的感谢.同时对首尔市立大学太赫兹生物医学实验室的学生 Jae Yeon Park 、Kwang Sung Kim 和 Hee jun Shin 表示感谢,感谢他们做的手稿录入工作.感谢 Luna Han 、 Robert Sims ,以及泰勒和弗兰西斯集团的工作人员、 SPi Global的 Remya Divakaran ,感谢他们为这本书的出版所做出的辛勤工作.*后,我要感谢我的妻子 Miyoung 和我的女儿 Eunho 和 Jeeho ,感谢她们的爱和支持.

这本关于太赫兹装置、测量技术和应用的非常全面的*新研究著作(专门针对生物和生物医学的用途)为那些希望调查和理解这一新兴技术领域且拥有日益增长的兴趣的人来说,提供了精彩的介绍和持久的参考.撰稿者包括许多优秀的研究团体和当今世界上*著名的专家。具体主题包括太赫兹源和探测器、脉冲和连续波电路、成像和层析技术、导波元件、溶剂化合物和生物分子的光谱研究、太赫兹电磁场与生物的相互作用及其*近在生物医学领域的应用(例如,药物吸收、癌症检测和纳米颗粒探测)。

Joo-Hiuk Son 毕业于韩国首尔大学，后在安娜堡的密歇根大学获博士学位，并在劳伦斯伯克利国家实验室做博士后，期间他致力于太赫兹探测研究。1997年他加入首尔市立大学物理系，并荣升教授。这个阶段早期他的研究兴趣为各种纳米材料的光电性质，包括使用太赫兹时间域探测的碳纳米管等。近年来，Son教授的研究兴趣转为生物材料及其在医药中的应用中太赫兹电磁相互作用。

对于那些想要了解这一新兴技术领域或者对这一领域产生浓厚兴趣的人们来说,这是一个精彩的介绍,可带给人们持久的参考。

———引自 PeterH．Siegel ,资深科学家

加州理工学院和美国国家航空航天局喷气推进实验室 

第 １ 章 　 太赫兹生物医学研究导论 　 / １

第 ２ 章 　 太赫兹源和探测器 　 / ８

　２．１　 引言 　 / ８

　２．２　 太赫兹源 　 / ９

　２．３　 太赫兹探测器 　 / ２１

第 ３ 章 　 台式高功率太赫兹脉冲产生技术 　 / ３３

　３．１　 引言 　 / ３３

　３．２　 铌酸锂中倾斜光脉冲的光整流产生太赫兹波 　 / ３４

　３．３　 气体等离子体中双色光激发产生宽带太赫兹波 　 / ４２

　３．４　 结论 　 / ４９

第 ４ 章 　 太赫兹成像与层析成像技术 　 / ５４

　４．１　 引言 　 / ５４

　４．２　 太赫兹成像技术综述 　 / ５６

　４．３　 太赫兹层析成像 　 / ６５

第 ５ 章 　 紧凑型固态电子太赫兹器件和电路 　 / ７９

　５．１　 引言 　 / ７９

５．２　 基于二极管的方法 　 / ８０

　５．３　 基于晶体管的方法 　 / ８８

　５．４　 封装问题 　 / １００

　５．５　 总结 　 / １０４

第 ６ 章 　 太赫兹内窥镜波导 　 / １１１

　６．１　 引言 　 / １１１

　６．２　 太赫兹波导研究进展 　 / １１２

　６．３　 太赫兹内窥镜 　 / １１９

　６．４　 展望 　 / １３２

第 ７ 章 　 水和液体的太赫兹特性 　 / １３６

　７．１　 引言 　 / １３６

　７．２　 水的太赫兹特性 　 / １３７

　７．３　 液体的太赫兹特性 　 / １４４

　７．４　 液体混合物的太赫兹特性 　 / １４６

第 ８ 章 　 太赫兹吸收光谱法探测溶剂水化动力学特性 　 / １５７

　８．１　 引言 　 / １５７

　８．２　 太赫兹水化作用的概念 　 / １６２

　８．３　 蛋白质水溶液的太赫兹吸收系数 　 / １６５

　８．４　 蛋白质折叠和酶催化的动态太赫兹吸收 　 / １６８

　８．５　 讨论与展望 　 / １７２

第 ９ 章 　 生物分子太赫兹光谱学 　 / １８２

　９．１　 引言 　 / １８２

　９．２　 太赫兹频域中的生物分子 　 / １８４

　９．３　DNA 和 RNA 的太赫兹光谱 　 / １８５

　９．４　DＧ 葡萄糖太赫兹光谱学 　 / １９６

第 １０ 章 　 蛋白质分子结构功能关系的太赫兹光谱研究 　 / ２０６

　１０．１　 引言 　 / ２０６

１０．２　 蛋白质分子的太赫兹研究技术 　 / ２０９

　１０．３　 稳定蛋白质结构二硫键的光谱分析 　 / ２１２

　１０．４　 酶在无机溶剂中的逆功能 　 / ２１８

　１０．５　 结论 　 / ２２４

第 １１ 章 　 太赫兹频率下的蛋白质介电响应 　 / ２３６

　１１．１　 引言:水化蛋白质系统与一般介电响应 　 / ２３６

　１１．２　 介质弛豫 　 / ２３７

　１１．３　 水 　 / ２４１

　１１．４　 蛋白质的弛豫反应:氨基酸侧链 　 / ２４５

　１１．５　 分解实例:冷冻蛋白质溶液 　 / ２４６

　１１．６　 结论 　 / ２５１

第 １２ 章 　 氨基酸和蛋白质与太赫兹波的非线性相互作用 　 / ２５６

　１２．１　 引言 　 / ２５６

　１２．２　 太赫兹诱导的氨基酸荧光调制 　 / ２５７

　１２．３　 太赫兹辐射诱导的蛋白质荧光调制 　 / ２７２

　１２．４　 检测强太赫兹辐射效应的替代技术 　 / ２８３

　１２．５　 讨论 　 / ２８６

第 １３ 章 　 宽带太赫兹脉冲的生物学效应 　 / ２９２

　１３．１　 引言 　 / ２９２

　１３．２　 太赫兹脉冲对细胞生物学效应的体外研究 　 / ２９５

　１３．３　 强皮秒脉冲对人体皮肤组织的生物学效应 　 / ３００

　１３．４　 亚皮秒太赫兹脉冲对小鼠皮肤非热效应的体内研究 　 / ３１０

　１３．５　 总结 　 / ３１２

第 １４ 章 　 皮肤对药物吸收的太赫兹动态成像 　 / ３２６

　１４．１　 引言 　 / ３２６

　１４．２　 经皮给药 　 / ３２７

　１４．３　 太赫兹成像在皮肤药物吸收中的应用 　 / ３３４

　１４．４　 未来研究展望 　 / ３３７

第 １５ 章 　 太赫兹检测皮肤癌 　 / ３４２

　１５．１　 皮肤癌概况 　 / ３４２

　１５．２　 莫氏显微外科手术 　 / ３４３

　１５．３　 现有的和研究型的皮肤图像技术概述 　 / ３４４

　１５．４　BCC 的太赫兹成像 　 / ３４９

　１５．５　 图像对比度 　 / ３５１

　１５．６　 未来的研究方向 　 / ３５２

第 １６ 章 　 太赫兹技术在乳腺癌中的应用 　 / ３６７

　１６．１　 乳腺癌简介 　 / ３６７

　１６．２　 术中评估肿瘤边缘的其他技术 　 / ３７２

　１６．３　 太赫兹技术在乳腺癌中的具体应用 　 / ３８１

　１６．４　 结论 　 / ３８８

第 １７ 章 　 口腔癌冷冻太赫兹成像 　 / ３９９

　１７．１　 引言 　 / ３９９

　１７．２　 口腔癌 　 / ４００

　１７．３　 人的口腔黑色素瘤的太赫兹成像 　 / ４０３

　１７．４　 口腔癌的太赫兹成像 　 / ４０６

　１７．５　 冷冻切片与冷冻太赫兹成像 　 / ４１０

　１７．６　 结论 　 / ４１１

第 １８ 章 　 太赫兹分子成像及其临床应用 　 / ４１５

　１８．１　 引言 　 / ４１５

　１８．２　 工作原理 　 / ４１６

　１８．３　 应用 　 / ４２３

　１８．４　 与传统医学成像技术的比较 　 / ４２６

　１８．５　 结论和展望 　 / ４２７

第 １９ 章 　 太赫兹波的医学应用前景及结论 　 / ４３０

许多应用,包括科学技术、安全检查、医学成像应用都受益于新兴的太赫兹技术的开发和利用。太赫兹生物医学科学技术通过太赫兹光谱和成像以及太赫兹医学技术的发展来探索生物学行为的*发现和进展,包含了太赫兹生物医学领域的科学家和研究人员的贡献。

本书提供了太赫兹技术的评估方法,并对使用了太赫兹波的基础生物学研究进行了汇编。介绍了太赫兹波是一种新兴的趋同研究工具,涉及基于激光的产生技术、固态器件、探测器等方面,并讨论了高电场的产生方法。本书涵盖了太赫兹成像在医学应用中的*进展,特别是在癌症诊断方面,回顾了太赫兹成像技术在癌症诊断中的应用现状并且探讨了太赫兹辐射的潜在医学应用前景,同时考虑了使用了太赫兹技术的未来医疗的应用前景。