太赫兹生物物理
人类对疾病的恐惧、对健康的渴望、对永葆青春的向往和对返老还童的想象都可能成为驱动科学与技术创新的内驱力. 激光的发明、显微技术的发展和蛋白质结构的解析等, 诞生了许多诺贝尔奖. 物理与生物的交叉融合不仅让人类用物理的手段解决生物问题, 而且生命科学的发展需求也推动了物理学的发展. 然而, 在电磁波谱上, 还有一个至今没有被人们完全认识的频段—太赫兹电磁波, 因其长期受限于电子学和光子学技术扩展的瓶颈, 至今未能服务于人民生命健康. 同时太赫兹信息神经系统的产生、探测以及太赫兹波对生物组织的作用规律都需要进一步探索.
尽管太赫兹科学与技术已发展近半个世纪, 由于太赫兹波源的缺乏, 太赫兹电磁波与物质相互作用, 尤其是与生物物质相互作用的研究一直止步在弱场线性相互作用层面. 在弱场区间, 人们正在利用太赫兹谱学成像技术研究生物物质的光谱特征, 正尝试将其应用于新冠检测、肿瘤筛查、物质鉴别等. 近年来, 随着大型同步辐射光源、自由电子激光、高频率真空电子器件、半导体器件以及超快超强高能激光技术的快速发展, 为太赫兹电磁波源技术带来了前所未有的进步, 各种大功率太赫兹波源已相继问世. 人们在DNA、蛋白、水等最基本生命物质中观察到了太赫兹场诱导的电磁生物效应, 并在分子层面、细胞层面、组织层面、个体层面都看到一些太赫兹诱导的非热生物学现象, 例如利用强场太赫兹激光作为“电磁剪刀”对基因进行无剪切酶参与的基因编辑、神经细胞中太赫兹信息的产生和传输以及太赫兹对神经系统的刺激作用方面的研究成果也已经被报道. 这些激动人心的结果展示了太赫兹生物物理服务于人民生命健康的潜力.
“中国生物物理学会·太赫兹生物物理分会”于2020年11月批准成立, 并于2021年在天津召开全国太赫兹生物物理年会. 基于本次大会, 在国防科技创新研究院常超教授的提议下, 我们邀请了国内若干位活跃于太赫兹生物物理研究前沿的中青年学者撰文, 对近年来该领域部分热点进行总结回顾. 其中既包括对太赫兹生物学效应、太赫兹生物化学传感检测、太赫兹无线通信等的综述, 也包括太赫兹近场显微镜技术、分子动力学模拟、水合物太赫兹调控、太赫兹辐射源等方面的研究论文. 受水平及时间所限, 本专题所反映的太赫兹生物物理研究现状难免挂一漏万, 不当之处恳请各位同仁批评指正. 希望本专题能对国内太赫兹生物物理研究的学术交流做一点贡献.
2021, 70 (12): 128201.
doi: 10.7498/aps.70.20210647
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通过小分子配体结合(如砷剂)来恢复p53突变蛋白活性是抑癌蛋白靶向治疗的重要策略, 但p53蛋白在功能恢复过程中的分子集体动力学变化及其作用等机制基础尚不清楚. 本文基于全原子弹性网络模型的正则模式分析了p53蛋白位于太赫兹频率的低频集体振动模式, 以期解析砷(III)对p53突变蛋白功能恢复作用所涉及的物理机理. 结果表明, 在砷(III)配体结合后p53突变蛋白的DNA结合域的最低频率集体振动模式得到了有效恢复. 进一步从原子骨架波动和太赫兹频率振动模态统计的角度分析了p53蛋白分子功能恢复的运动特征, 并基于残基动力学相关性讨论了其运动耦合机理. 本文从太赫兹生物物理的角度揭示了砷(III)对p53蛋白活性恢复的可能机制, 为蛋白分子低频运动特性与蛋白功能之间的联系提供了新的证据.
2021, 70 (24): 248703.
doi: 10.7498/aps.70.20211715
摘要 +
太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(scattering-type scanning near-field optical microscopy, s-SNOM)在生物纳米成像、太赫兹纳米光谱学、纳米材料成像以及极化激元的研究中有着广泛的应用前景. 原子力显微镜探针作为太赫兹s-SNOM的重要组成部分, 起着近场激发、探测、增强等关键作用. 但是在测量过程中, 探针与样品的相互作用会影响测量结果. 本文通过仿真和实验, 分别揭示了太赫兹s-SNOM中探针与样品相互作用对近场激发、近场探测以及太赫兹近场频谱的影响. 首先, 研究了探针激发的近场的波矢权重分布, 发现波矢主要集中在105 cm–1量级, 与一般的太赫兹激元的波矢相差2—3个数量级, 这表明太赫兹近场很难激发太赫兹激元. 其次, 通过理论和实验研究, 发现金属针尖会干扰石墨烯圆盘结构的表面近场, 这表明太赫兹近场系统在探测结构的近场分布具有局限性; 最后研究了探针对近场频谱的影响, 发现探针长度和悬臂长度是影响近场频谱的重要参数, 可以通过增大探针长度或者悬臂长度的方法来减小探针对近场频谱的影响.
2021, 70 (24): 248704.
doi: 10.7498/aps.70.20211210
摘要 +
GaAs光电导天线是太赫兹电磁波的重要辐射源之一, 天线阵列可以提高THz波的辐射强度, 因而光电导天线及阵列一直以来备受瞩目. 本文采用CST Microwave Studio软件对光电导天线阵列辐射太赫兹电磁波的特性进行仿真计算. 根据电流瞬冲模型计算了激光入射到GaAs光电导天线时产生的脉冲光电流, 并作为激励源对光电导天线的辐射性能进行仿真计算, 分析了天线结构和衬底材料对辐射太赫兹波的影响. 在此基础上计算了GaAs光电导天线阵列辐射太赫兹波的远场辐射. 仿真结果表明: 光电导天线阵列辐射太赫兹波的方向性更强, 主波瓣宽度减小, 其远场辐射符合电场叠加的倍数关系. 研制了1 × 2 GaAs光电导天线阵列, 实验测试结果与仿真结论相一致, 为制备多阵元太赫兹光电导天线阵列奠定了理论和实验基础.
2021, 70 (24): 243202.
doi: 10.7498/aps.70.20211716
摘要 +
水对太赫兹(terahertz, THz)波有强烈的吸收, 所以利用THz技术研究含水样品特性一直是本领域的难题. 本文在THz时域光谱系统中通过使用工作于高倍增模式的光电导天线和喇叭形渐变平行平板波导提高了样品所在位置处的THz波电场强度, 实现了在0.1—1.6 THz范围对α-乳糖溶液THz吸收光谱的直接检测. 进而, 运用密度泛函理论对水环境下α-乳糖单分子模型的THz吸收光谱进行模拟仿真研究, 模拟结果与实验测试结果符合较好. 本文对直接检测含水样品在THz波段的光谱特性具有重要参考价值.
2021, 70 (24): 248702.
doi: 10.7498/aps.70.20211731
摘要 +
水是万物生命之源, 认识水的太赫兹吸收谱是太赫兹技术在生物医学上应用的前提, 太赫兹频率的选择对高效、低能耗地实现太赫兹的生物效应至关重要. 水的复杂氢键网络使得其具有较宽的太赫兹吸收峰, 因此有必要研究水的氢键网络动力学与其太赫兹吸收谱之间的关系, 然而这方面的研究仍然非常缺乏. 采用分子动力学模拟方法, 本文研究了不同水模型在常温常压下的太赫兹吸收谱, 并且进一步基于温度研究了水的太赫兹吸收谱对氢键网络强弱的依赖性, 发现温度的升高会使氢键网络的太赫兹吸收谱发生红移, 这表明氢键网络的太赫兹吸收谱的中心频率与氢键相互作用的强弱具有强关联, 更进一步的研究表明水中氢键网络的氢键寿命与氢键网络振动的吸收峰的中心频率之间存在线性关系. 这一现象背后的物理能够通过将氢键网络中的氢键类比为弹簧借助弹簧振子模型加以描述. 本文的发现将有利于理解水中复杂的氢键网络动力学, 以及促进太赫兹的生物效应研究.
2021, 70 (24): 248706.
doi: 10.7498/aps.70.20211807
摘要 +
用于细胞培养的常规培养皿无法直接用于激光共聚焦显微镜的观察, 在很大程度上限制了细胞水平上的太赫兹生物效应研究的开展. 本文采用了对太赫兹吸收率低的材料—环烯烃聚合物(COP), 与聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行共键合, 借用软蚀刻、光刻、等离子清洗和高温高压孵育技术将两种材料整合成新型微流控芯片, 并利用该微流控芯片探索太赫兹对肠道细胞的生物效应. 该微流控芯片可实现肠上皮细胞Caco-2的动态培养, 原位免疫荧光染色及激光共聚焦显微镜的直接观察, 为太赫兹细胞水平的生物效应研究提供了高效便捷的实验环境. 研究中将微流控芯片中培养的肠上皮细胞Caco-2经15 mW/cm2 的0.1 THz波辐照10 min, 免疫荧光染色结果显示细胞贴附生长的形态改变, 胞间紧密连接蛋白ZO-1及桩蛋白Paxillin的水平及分布发生变化, 提示太赫兹对细胞的胞外连接及胞间连接均可产生影响, 可减弱细胞与培养界面的黏附. 本研究设计制备的COP-PDMS共键合微流控芯片为探索太赫兹对细胞的生物效应提供了便捷有效的平台, 有望在未来进一步用于太赫兹对细胞分子效应的实时研究.
2021, 70 (24): 248701.
doi: 10.7498/aps.70.20211725
摘要 +
钾离子通道在神经细胞动作电位复极过程中起着重要作用. 钾离子通道蛋白种类繁多, 钾离子通道允许钾离子特异性穿过细胞膜, 从而维持神经细胞静息电位. 离子通道蛋白的二级结构决定其功能特性, 皮秒尺度内二级结构的波动会对离子通道蛋白的功能, 即离子通过速率有很大的影响. 本文使用分子动力学模拟方法, 模拟施加不同幅值的53.7 THz的太赫兹波对真实KcsA钾通道蛋白二级结构和钾离子通过速率的影响. 研究发现, 在53.7 THz的太赫兹波的作用下, KcsA钾通道蛋白中α螺旋数量减少, β折叠以及卷曲数量增加. 此外, 53.7 THz的太赫兹波能够加速钾离子通过KcsA钾通道. 本文从蛋白质的二级结构分析太赫兹波对钾离子通道蛋白的影响, 为太赫兹波和生物功能分子相互作用之间提供了新的观察角度.
2021, 70 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.70.20211677
摘要 +
神经细胞的尺寸与太赫兹波的波长处于同一数量级, 因此, 神经细胞可等效为微型介质谐振器从而起到增强细胞内的太赫兹信号的作用. 基于此现象, 本文提出神经细胞弱谐振效应的新概念. 建立了三层结构的球形神经细胞胞体模型, 用太赫兹时域光谱仪系统测量了神经细胞生理液的相对介电常数, 并用双德拜模型对实验结果进行拟合; 利用时域有限差分法对太赫兹波在神经细胞中的传播特性进行研究. 结果表明, 当神经细胞的相对介电常数高于外部媒质时, 太赫兹波可以在神经细胞内部形成弱的谐振峰, 并且随着细胞与外部媒质的相对介电常数差值的减小, 谐振峰会向细胞膜侧偏移, 细胞对太赫兹波的聚焦特性会随着两侧相对介电常数差值的减小而逐渐增强, 这种现象称为弱谐振效应. 同时, 弱谐振效应也表现出与细胞尺寸和频率的相关性. 神经细胞的弱谐振效应在增强细胞内太赫兹信号强度的同时, 也会进一步增强太赫兹信号在神经纤维中的传输. 这些结果为解释太赫兹波与神经细胞的相互作用提供了新模型, 有助于研究太赫兹波在生物神经系统中的传递机制.
2021, 70 (24): 248705.
doi: 10.7498/aps.70.20211779
摘要 +
甲烷水合物具有分布范围广、资源储量大、能量密度高、清洁无污染等特点, 因此一经发现便得到人们的广泛关注. 虽然如此, 甲烷水合物的开采存在较多的困难, 主要涉及笼型甲烷水合物的分解过程, 因此本文通过分子动力学模拟, 探索太赫兹电磁波对该水合物分解的特异性影响. 通过分析甲烷水合物中水分子的振动谱, 发现其区别于体相水在低温下的特异性振动峰. 通过引入频率与该振动峰中心频率一致的太赫兹波发现, 该电磁场会破坏甲烷水合物原有的氢键网络, 降低甲烷周围水分子的配位数, 从而使甲烷分子从水笼中脱离. 进一步地, 对序参数F4的分析也证明, 在太赫兹电磁刺激下, 甲烷壳层水由原来的晶体水变成了液态水. 同时证明了该频率具有相比于其他频率的绝对优势, 因此具有其特异性. 本文的发现有望通过非热效应来实现甲烷水合物的分解, 高效、低能耗地提高开采效率, 推动未来新能源的发展.
2021, 70 (24): 244303.
doi: 10.7498/aps.70.20211729
摘要 +
6G无线网络预计在未来提供全球覆盖、高频谱效率、低成本、高安全性、更高智能水平的服务, 为人类社会打造一个无处不在的智能移动网络. 太赫兹无线通信具有高数据传输速率、低延时和抗干扰等特点, 有望在6G技术中得到广泛的应用. 本文主要介绍了6G技术的规划愿景、发展现状及其关键技术, 分析了太赫兹器件、信道、通信系统以及6G技术可能的发展趋势.
2021, 70 (24): 240701.
doi: 10.7498/aps.70.20211996
摘要 +
太赫兹波能被生物组织中的水强烈吸收, 能与生物组织中生物大分子和这些分子间的弱相互作用产生共振, 因而太赫兹波在生物医学中有许多潜在的应用. 尽管单个太赫兹光子能量很低, 对生物组织没有电离损伤作用, 但是随着强度增大, 太赫兹波会对生物细胞和组织产生一系列生物效应. 由于太赫兹波参数和受辐照生物材料等辐照条件不同, 将导致不同的生物学效应, 包括以热效应为主和以非热效应为主导致的生物学效应. 本文讨论了这两种效应的物理机理, 介绍了适合用于生物效应研究的现今主要的强太赫兹辐射源种类, 综述了典型的太赫兹波的生物效应具体表现和已有的研究进展, 展望了太赫兹波生物效应的潜在应用以及面临的挑战.
2021, 70 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.70.20211482
摘要 +
利用电磁场与分子体系的相互作用可以研究分子的物理性质及其动力学问题. 不断发展的太赫兹技术提供了能够产生亚皮秒定向强电场的太赫兹源, 其产生的强场太赫兹波拥有与分子局部电场环境相当的电场强度, 且定向电场的亚皮秒时间尺度也能覆盖众多超快物理化学反应过程. 目前太赫兹波与分子的相互作用还主要局限于共振相互作用, 即电磁波通过偶极相互作用, 使分子在不同的振转能级发生跃迁. 本文基于密度泛函理论计算和薛定谔方程的时域有限差分求解方法, 研究了强太赫兹波电场对氢分子的强场非共振作用. 结果显示, 在强场太赫兹波亚皮秒定向强电场的作用下, 氢分子将产生诱导偶极矩, 此偶极矩与外加太赫兹场作用, 引起质子概率密度分布的波动及振动能级布居数的变化. 本文基于非极性双原子分子氢气与强场太赫兹波的非共振作用, 展示了一种独特的电磁波与分子相互作用的途径, 对研究生物体非极性分子及极性较弱的分子在强太赫兹场下的动力学研究提供了方法.
2021, 70 (24): 247802.
doi: 10.7498/aps.70.20211752
摘要 +
处于太赫兹频段的电磁波表现出许多极具发展前景的特点, 如非电离、“指纹”谱、对弱共振敏感、对非极性物质穿透性强等特性, 并逐步发展成物理、信息、材料、生物、化学等学科基础与应用研究关注的热点. 然而, 在生物、化学物质的传感检测应用中, 当待测物尺度小于入射太赫兹波长时, 微小扰动和细微特征难以被太赫兹波检测到, 并且无法与太赫兹波之间产生充分的相互作用, 这无疑阻碍了太赫兹生物化学传感检测技术的进一步发展. 而太赫兹超材料的迅速发展提供了解决这一问题的全新思路. 近年来, 一系列基于太赫兹超材料的研究工作与新材料、新结构、新机制结合, 为实现高灵敏太赫兹生物化学传感检测带来了新的机遇. 本文主要综述了最近太赫兹超材料应用于生物化学传感检测技术的研究进展, 并简述了评价器件性能的关键参数. 根据材料特性、设计策略的不同, 对基于金属-介质、碳基纳米材料、全硅等太赫兹超材料生物化学传感检测相关工作做了总结, 并在文末对太赫兹超材料传感检测技术的未来发展方向做出了展望.
2021, 70 (24): 248707.
doi: 10.7498/aps.70.20212030
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太赫兹电磁波辐照, 包括其短波段红外波辐照, 因具有无创和非电离特性在生物科学中展现出广泛和重要的应用前景. 细胞膜是生物细胞保持完整性和内稳态的重要生物屏障, 也是太赫兹辐照时电磁场首先作用到的细胞结构, 细胞膜对电磁场的响应是大部分太赫兹生物效应产生的机理. 本文首先论述了太赫兹辐照应用的安全性及其在生命医药、神经调节以及人工智能领域中应用的新前景, 然后从太赫兹电磁辐照下磷脂膜的介电响应特性、细胞膜离子通道蛋白的离子跨膜输运、磷脂膜上大分子及离子的跨膜输运、以及太赫兹辐照下细胞膜生物效应的潜在应用和作用四方面, 对太赫兹电磁辐照下细胞膜生物效应领域的研究发展进行系统论述, 同时介绍了太赫兹电磁辐照时能够开启细胞膜上压控钙离子通道、压控钾离子通道和主动运输的钙离子通道、以及在磷脂膜上产生亲水孔等科学发现. 最后, 总结并展望了太赫兹辐照下细胞膜生物效应研究的努力方向.
2022, 71 (17): 178702.
doi: 10.7498/aps.71.20212419
摘要 +
太赫兹波(terahertz, THz)是位于微波和红外之间介观尺度波长的电磁波, 因其低电离性和指纹性的特点, 在生物医学领域有着巨大的应用潜力, 尤其是在肿瘤的术中定位定性诊断方面. 而对于定位定性诊断需求最迫切的肿瘤为胶质瘤, 因其侵袭性和异质性, 切除后极易复发且对临近脑区神经功能有显著影响, 快速确定瘤体边界以及肿瘤病理学特征, 是开展胶质瘤精准诊疗和临床研究的重要前提. 本文总结了胶质瘤诊断的生物物理技术, 梳理了太赫兹波这一新兴技术在胶质瘤诊断方面所取得的研究成果. 进一步, 基于胶质瘤组织病理和分子病理整合诊断研究进展, 提出不同分子分型肿瘤组织在太赫兹波段可能具有不同 “特异性蛋白组成”的太赫兹肿瘤亚型识别机制假说, 结合脑组织生物学特点与体液中胶质瘤标志物检测潜力, 全面设想了未来太赫兹波在胶质瘤临床诊疗中的应用模式和发展前景.
