Strålning vid terahertz-frekvenser (våglängder mellan 0,03 och 0,3 mm) kan användas framgångsrikt för att analysera den strukturella dynamiken hos vatten och biomolekyler. Men att tillämpa tekniken på vattenlösningar och vävnader är fortfarande utmanande, eftersom terahertz (THz) strålning absorberas starkt av vatten. Även om denna absorption möjliggör vissa analyser, såsom vattenstrukturen och dess interaktioner med biologiska lösta ämnen, det begränsar tjockleken på prover som kan analyseras, och det dränker svagare signaler från biomolekyler av intresse. Stark absorption av THz -strålning i vatten har presenterat en flaskhals som hindrar THz -strålning från att avslöja biofysiska och biokemiska processer djupt inuti vävnader.

För att övervinna dessa begränsningar, ett forskargrupp under ledning av Zhen Tian och Jiao Li vid Tianjin University utvecklade nyligen en metod för att analysera vattenrika prover via tidsdomän THz optoacoustics. Som rapporterat i Avancerad fotonik , det nya systemet möjliggör tidsdomän THz optoakustisk detektering av vattenrika prover, såsom vattenlösningar och vävnader. Den optoakustiska signalen från vatten kan dämpas genom att ändra temperaturen för att möjliggöra känslig detektering av andra molekyler av intresse.

Vattendetektering och dämpning baserad på THz-optoakustik

Tidsdomänen THz-optoakustik som visas är ett genombrott som möjliggör exakt och oförstörande detektering av optoakustiska signaler i vattenrika prover över en 104-faldig tjocklek, allt från mikron till centimeter (102 gånger större än traditionella THz-detektionsmetoder, såsom THz tidsdomänspektroskopi). Teamet erhöll framgångsrikt tidsdomänen THz optoakustiska signaler från vatten i olika prover av agar-i-vatten-fantomer, biovävnader, och vattenlösningar med olika lösta ämnen.

Genom att justera temperaturen för att ändra THz optoakustiska signal från vatten, de förbättrade känsligheten med vilken det kan analyseras. Omvänt, signalen från vatten kan reduceras eller till och med tystas.

De biomedicinska fördelarna är tydliga. Enligt författarna, "Genom att manipulera THz optoakustiska signaler av en vattenhaltig bakgrund, vi kan uppnå unikt förbättrad känslighet för etikettfri kvantifiering av joner, i koncentrationer som når nivåerna i människokroppen." Den rapporterade metoden uppnår en storleksordning större känslighet än kommersiellt tillgängliga THz-spektroskopisystem.

Kraftfullt verktyg för spektroskopi

Författarna noterar att denna nya THz optoakustiska metod kan utvidgas till studier av andra biologiska molekyler och vävnader, som socker, proteiner, DNA, och RNA. Ytterligare temperatur- och koncentrationsparametrar relaterade till både THz-absorption och ultraljudsförökning kan tillhandahållas av tidsdomän THz optoakustik, potentiellt bidra till studier av biologiska och kemiska egenskaper, såsom hydratiseringstalet för jonlösningar.

Ett kraftfullt nytt verktyg för spektroskopi, THz-optoakustik öppnar möjligheter för att avbilda vattenhaltiga lösningar och vävnader för att undersöka molekylära interaktioner och biokemiska processer. Zhen Tian säger, "Vi strävar efter att inspirera till långsiktig forskning inom THz-spektroskopi och bildbehandling för att utnyttja det biofysiska, strukturell, och funktionella insikter som inte kan erhållas med strålning av andra frekvenser."

Läs artikeln om öppen tillgång av Jiao Li et al, "Tidsdomän terahertz optoakustik:manipulerbar vattenavkänning och dämpning."