太赫兹光谱技术挑战检测循环肿瘤细胞难题

检测血液中循环肿瘤细胞(CTCs)对与其相关疾病的诊治具有重要意义。简单介绍目前CTCs判定方法以及太赫兹光谱技术在生物医学中的应用,提出太赫兹光谱技术运用在CTCs检测方面的潜在优势。改进与优化现有太赫兹细胞检测技术,以CTCs为模式样本,筛选不同组织学分类肿瘤细胞在种类、结构和丰度上存在显著差异的细胞成分(如脂质、蛋白和糖类等生物大分子及其复合体),并通过这些细胞差异分子所表征的细胞水平太赫兹振动光谱指纹来实现对不同组织学分类肿瘤细胞的直接检测。所获得的肿瘤细胞太赫兹振动光谱指纹是CTCs检测的新指标,有望从新的视角为临床CTCs检测提供革命性的技术手段。

大趾鼠耳蝠回声定位声波特征与分析

在12m×4m×4m的围网内录制大趾鼠耳蝠(Myotis macrodactylus)飞行与悬挂状态下的回声定位声波,使用双尾t-检验对不同状态下的声波参数进行差异显著性分析。结果表明,大趾鼠耳蝠回声定位声波为短的、宽带的且能量主要集中在第1谐波的调频型声波,伴有1～2个谐波。第1谐波起始频率、带宽和声脉冲间隔在飞行与悬挂状态下具有显著差异(P<0.05)。回声定位声波飞行状态下的第1谐波终止频率、带宽、声脉冲持续时间和声脉冲间隔均存在性别差异,而主频率没有显著的性别差异。回声定位声波的这些特征及差异体现了对其捕食生境、捕食策略及通讯行为的适应。

安陆白花菜5S和45SrDNA染色体定位

安陆白花菜是湖北地方性经济作物,市场价值和药用价值都较高,本研究采用荧光原位杂交技术,对5SrDNA和45SrDNA在安陆白花菜有丝分裂中期染色体上的物理位置进行了定位分析。结果显示5SrDNA杂交信号1对,位于第11号染色体上长臂;45S杂交信号1对,位于第16号染色体上长臂。安陆白花菜的染色体数目为34条,染色体基数17,2A核型,核型公式为K(2n)=34=14m(2SAT)+20sm(2SAT),其中第11、16号染色体长臂末端带有随体,平均臂比1.733,最长染色体/最短染色体1.478,臂比大于2的比率29.41,核型不对称系数62.73,染色体相对长度组成为2L+12M2+20M1。

DNA, RNA碱基和稀有碱基的太赫兹光谱检测

核酸分子碱基的光谱特征分析对生物遗传学研究具有重要意义。探讨太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术和拉曼光谱(Raman spectroscopy)技术用于DNA和RNA碱基和稀有碱基的光谱检测的可行性。分析了7种固体核酸碱基的太赫兹振动光谱和拉曼光谱,对THz-TDS技术和拉曼光谱技术进行了对比研究。实验结果表明,在THz-TDS实验中,胞嘧啶(cytosine, C)、鸟嘌呤(guanine, G)、腺嘌呤(adenine, A)、胸腺嘧啶(thymine, T, DNA专有)和尿嘧啶(uracil, U, RNA专有)和稀有碱基[5-甲基胞嘧啶, 5-methylcytosine (m^5C)、 1-甲基腺嘌呤, 1-methyladenine (m^1A)]在0.2~2.0 THz频段内特征吸收峰和吸收强度差异显著,可以直观地识别出7种碱基的差异;拉曼光谱中, 7种碱基也表现出很多明显的不同特征峰,而正是由于拉曼光谱的特征峰杂而多,故不能直观的识别多种物质。且其吸收强度的差异与粉末的厚度,粒度和光聚焦的深度有关,样品的荧光还会给拉曼光谱带来干扰,同时激光还可能会损伤生物样品。这说明此两种技术均能够识别7种常见和稀有碱基, THz-TDS技术在识别这7种碱基的能力上优于拉曼光谱技术,表现出较为简洁,快速和无损的检测性能。THz-TDS技术不仅为DNA和RNA碱基和稀有碱基的识别提供了一种快速和准确的检测方法,也为生物遗传学研究奠定实验基础。

太赫兹波段超材料在核酸恒温指数扩增检测上的应用

超材料对电磁场具有介电环境敏感和局域电场增强等奇特的电磁特性,近年来广泛用于无标记生物检测。文中设计并制作了一种金属开口谐振环阵列结构的超材料,在太赫兹波段下分别检测核酸恒温指数扩增前后反应体系,在氮气干燥环境下,扩增反应前后的频率偏移量分别为Δf1=(54±3)GHz、Δf2=(60±5)GHz。实验结果显示金属开口谐振环阵列结构的超材料可以作为一种生物传感器快速无标记检测核酸扩增前后的变化。

真皮革和人工革在太赫兹波段的光谱研究

皮革检测鉴定的市场需求缺口巨大,不同种类皮革,尤其是不同种类真皮革无损、无标记检测具有重要的应用价值。利用太赫兹时域光谱技术系统地测试了不同种类真皮革和人工革的太赫兹透射光谱,计算了不同真皮革和人工革的太赫兹吸收系数和折射率。在0.2～1.5 THz范围内,不同种类皮革的太赫兹吸收系数和折射率数值大小具有明显差异,真皮革大于人工革;且真皮革中,爬行类皮革>鱼类皮革>哺乳类皮革。进一步地,猪、牛、羊真皮革在25～80℃加热过程中太赫兹时域光谱振幅变化均在60℃左右出现拐点,而人工革无拐点;且猪、牛、羊真皮革变化趋势各异。为了验证皮革太赫兹光谱产生差异的原因,首先对代表性皮革牛皮革、人造革和合成革的主要组成成分牛皮胶原蛋白、聚氯乙烯(PVC)和聚氨酯(PU)进行了太赫兹光谱测试,牛皮胶原蛋白的太赫兹吸收系数和折射率大于聚氯乙烯和聚氨酯;并且在25～80℃加热过程中胶原蛋白出现变化拐点,而聚氯乙烯无。实验结果显示,皮革主要组成成分的太赫兹光谱特征的数值差异和变化趋势与对应皮革相同,表明不同种类皮革间差异性的太赫兹光谱特征主要来源于其组成成分的不同。基于此,太赫兹光谱技术有望用于皮革的快速、准确、无损、无标记检测,用于区分不同种类真皮革和人工革,尤其是分辨来源于爬行动物、哺乳动物和鱼类的真皮革。

大趾鼠耳蝠线粒体DNA控制区结构及变异

采用PCR产物直接测序法首次测定大趾鼠耳蝠(Myotis macrodactylus)10个个体的线粒体DNA(mtDNA)控制区全序列,并进行了结构和变异分析。结果表明,大趾鼠耳蝠的控制区结构与其他哺乳动物相似,可分为一个中央保守区(包括F、E、D、C、B元件)和两个外围结构域:延伸的终止结合序列区(包括ETAS1和ETAS2元件)和保守序列区(包括CSB1、CSB2和CSB3元件),其中最为保守的是中央保守区(核苷酸变异度为1.8%)。大趾鼠耳蝠控制区核苷酸全序列具有丰富的长度多态性(1778～2048bp),主要是由在碱基组成、重复数目和排列方式上异质的串联重复序列造成的。在ETAS内发现了TACAT及其反向互补序列ATGTA,支持滑移错配模式(slipped mispairing model)。本研究为该物种的进一步研究和保护提供基础遗传数据。

基于太赫兹时域光谱技术的白色软玉产地鉴定研究

不同产地的白色软玉组成矿物成分和结构构造十分相近,但价值差异很大。太赫兹(terahertz,THz)时域光谱技术可以提供物质的化学组成、结构及构像等信息,光谱指纹特征信息可用于物质鉴别。利用透射式太赫兹时域光谱技术分别对新疆、韩国、青海和俄罗斯这4个产地的白色软玉进行了测试,将得到的时域光谱进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)和计算后使用Savitzky-Golay(S-G)平滑处理进行降噪,得到4个产地白色软玉的0.2~2.5 THz频域内折射率和吸收系数。研究表明,4个产地白色软玉THz光谱折射率存在数值差异;不同产地太赫兹特征吸收峰的存在形式不同,新疆、青海的白色软玉在2.0 THz波段有1个突出的小型特征吸收峰,而韩国和俄罗斯的白色软玉在1.5~2.0 THz波段有1个宽大的吸收包络。这些结果为进一步开发基于太赫兹时域光谱技术的白色软玉产地识别方法提供了基础数据。

亚甲基蓝与DNA链结合的太赫兹光谱研究

物质太赫兹光谱的特征吸收峰的位置和强度变化反映了测试对象构象和组成的变化。亚甲基蓝(Methylene Blue,MB)五水合物在0.85THz和1.62THz时表现出显著的吸收特征,而其无水合物在0.2~2.0THz的测量光谱范围内则没有明显的特征吸收峰。检测MB五水合物与双链DNA结合形成的溶剂结晶时,MB五水合物太赫兹吸收光谱中的特征吸收峰消失;而检测两者的物理混合物时,这些太赫兹光谱特征仍然存在。另一方面,MB五水合物与单链DNA无论物理混合或是溶解后再结晶,其产物的太赫兹吸收光谱中都包含两个特征吸收峰。实验结果表明,MB可以与双螺旋DNA以非共价键方式结合,其构象和组成均发生了变化,为无标记筛选小分子药物提供了一种新方法。

太赫兹扫描成像在高通量测量铜合金薄膜电导中的应用(特邀)

高通量制备与表征对将材料基因组方法应用于先进材料研发制造实践起着关键作用。针对基于材料基因工程的高通量实验技术应用,采用透射式太赫兹扫描成像方法,对样品密度为144个/片的铜合金薄膜材料芯片进行了高通量电导的快速、微区检测。基于Tinkham薄膜透射方程及Fresnel公式的太赫兹光谱成像表征技术,对不同组分含量铜合金薄膜的太赫兹测量结果与四探针测量数据比较,具有一致的趋势。通过太赫兹成像可以进行同一基底上144个高通量组合铜合金样品点电导的半定量比较。对代表性样品点的电导变化趋势与合金组分含量变化趋势,以及微观组织形貌进行分析比较得到相关对应关系,显示出太赫兹检测方法用于微区高通量金属薄膜电导表征方面的巨大潜力,显著提升研发效率。

陶瓷基复合材料的太赫兹无损检测方法

提出了一种时频域多模式新光谱成像方法,对内含缺陷的4种陶瓷基复合材料(CMC)样本实现了无损检测,形成了检测样本的太赫兹图像库,并引入5个图像质量的客观综合评价指标,通过指标融合处理选出了质量较佳的太赫兹图像。基于尺度不变特征变换与K均值聚类实现了该图像的检索。实验结果证实,该方法可有效地对CMC不同位置处的不同宽度缺陷进行成像检测。

太赫兹生物医学应用研究现状

近年来,太赫兹(Terahertz,THz)技术在生物医学领域的应用研究发展迅速。科技工作者利用THz技术在生物分子、细胞、组织及生物个体等层面取得了一系列的重要研究成果,为生物医学研究和诊疗提供了新视角和手段。作者从THz光谱检测、成像及生物效应三个方面总结了THz技术在生物医学领域的研究现状,分析了THz技术在生物医学应用中所面临的挑战,并对未来的发展方向进行了展望。