细胞是生物体基本的结构和功能单位。已知除病毒之外的所有生物均由细胞所组成,细胞中还有一些细胞器,它们具有不同的结构,执行着不同的功能,共同完成细胞的生命活动。太赫兹由于其瞬态性、宽带性、低能性等,太赫兹波光谱技术在生命科学、医学检测等领域有着极大的应用前景与应用价值,尤其是各类细胞的太赫兹光谱测量,已经成为当今的研究热点。目前关于太赫兹细胞检测技术主要包括两个方面：其一,各类细胞在太赫兹波辐照下的生理形态变化;其二,细胞在太赫兹波段的介电响应。
1.太赫兹辐照
2008年,J.S.Olshevskaya等研究了太赫兹光辐照对神经系统的影响,包括膜电位和形态学损伤,如图7-26所示。利用链霉溶液可以对神经元细胞进行分离,再将分离出来的神经元细胞置于聚丙烯片上,检测膜电位时,利用电阻探头伸到溶液中。当功率较小时,膜电位基本无明显变化,但是当功率增大时,膜电位开始发生变化,会发生明显偏离[91]。
图7-26 神经元细胞在太赫兹辐照下的影响
2006年,J.B.Masson利用蛙的心肌细胞,研究机械运动和离子通道对其太赫兹信号吸收的影响,如图7-27所示。研究证实离子相干成像技术(ICT)具有较高的灵敏度,在神经电位响应检测方面具有一定的应用价值。
文章还探讨了毒素和温度对离子相干成像的影响。如图7 28所示,黑色曲线是正常的神经组织成像,红色是加入毒素后的曲线,我们能发现成像效果有明显的变化。同时文章也讨论了不同温度对成像效果的影响[92]。
2010年,J.Bock等利用对照试验,研究太赫兹辐照对干细胞的影响。图7-29(a)(b)(c)分别给出了无太赫兹辐照和2 h太赫兹辐照、6 h太赫兹辐照的变化,红色箭头为异常处[93]。
图7-27 离子相干成像技术实验装置和原理
图7-28 毒素和温度对离子相干成像的影响
2.活细胞在太赫兹波段介电特性
细胞生存的液体环境和细胞内部富含大量的水,水在细胞代谢的过程中起到重要的作用。关于细胞在太赫兹波段的介电相应特性,一直受到研究学者们的广泛关注,当前常见的单层细胞太赫兹光谱检测方式分为透射式检测技术和衰减全反射式检测技术。
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图7-29 实验装置(上)和干细胞在太赫兹辐照下的影响(下)
基于透射式的太赫兹细胞检测,一般将细胞生长在基底上,但是由于太赫兹对极性液体的强烈吸收,大多数研究集中于对已经干燥的细胞进行光谱测量,这样细胞活性会受到严重的影响。2007年,Hai-Bo Liu等证实了利用太赫兹检测细胞微小结构的变化具有较高的灵敏度,优于传统的光学相干技术成像[94]。2013年,Caroline B.Reid等发现不同的血红细胞具有不同的光谱特性,同时介电特性改变随着浓度的变化具有较好的线性关系[95]。2014年,S.J.Park等发现太赫兹对外界环境中的细菌有较高的探测灵敏度,不同数量的细菌可以使太赫兹超材料的有效介电特性发生改变,如图7-30所示,导致频率的透过峰发生频移[96]。
与透射式细胞光谱测量方法相比,衰减全反射式测量能更长时间地保持细胞活性,同时准确性更高。由于隐失波的穿透深度大于细胞层的厚度,为准确测量活细胞在太赫兹波段的介电响应,科研人员提出并使用了双层ATR测量模型。2013年,K.Shiraga等将细胞样品置于全反射棱镜上,基于“棱镜-细胞-细胞培养液”的双层ATR模型,如图7-31所示,获得了肠的上皮细胞的复介电常数[97]。关于双层ATR模型满足下面的公式：
图7-30 太赫兹超材料的结构示意图
式中,硅的介电常数为ε1;细胞层的介电常数为ε~2;细胞培养液的介电常数为
;入射角为θ;硅-细胞层的反射系数为r 12;细胞层-细胞培养液的反射系数为r 23;其双层模型整体的反射系数为r 123。
图7-31 双层ATR模型结构示意图
2014年,该小组在上述模型基础上,测量了人类多种肿瘤细胞(DLD-1、HEK293、HeLa)的复介电常数,并利用最小二乘法将其拟合成德拜-洛伦兹函数,以此解释这些肿瘤细胞内外水分子在太赫兹波段的介电响应[98]。2015年,该小组证实了肿瘤细胞内部的动态水分子和细胞内部结合水分子的比例可以通过ATR太赫兹光谱技术检测[99]。同年,M.Grognot等在待测的细胞中加入洗涤剂,高浓度的洗涤剂可以迅速溶解膜结构并杀死细胞,通过检测太赫兹信号的峰值强度,实验发现太赫兹信号与细胞内部的蛋白质含量呈相关性[100]。
2017年,中国工程物理研究院Y.Zou等利用ATR双光路的方法,减少了系统相位不准带来的误差,如图7-32所示。同样利用双层ATR模型,提取出乳腺癌细胞在太赫兹段的介电参数。进一步通过在细胞培养液中加入双氧水来检测细胞活性,实验结果表明,在加入双氧水后的不同时间以及细胞死亡后,太赫兹光谱曲线有着明显的差别[101]。
图7-32 双光路ATR测量方法
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