用于脑胶质瘤检测的太赫兹时域近场扫描显微镜

发布时间：2020-03-21 23:14

【摘要】：太赫兹波的光子能量为毫电子伏量级,与很多生物分子或分子基团的振动、转动、弯折等状态的能隙重合,几乎不会使生物分子发生电离现象。所以太赫兹波表现出很好的生物安全性,在生物医疗检测领域有很好的应用潜力。本文从脑胶质瘤检测的角度对太赫兹近场成像技术在生物医疗检测领域的应用进行了探索。本文简要介绍了当前主流的基于孔径法、散射法和直接探测法的近场成像方法的基本设计思想及各自的技术难点,着重推导了基于直接探测法实现近场成像的物理和数学原理。系统地介绍了太赫兹时域光谱系统设计过程中涉及的相关原理,包括复折射率测量原理、光电导天线原理、相干探测原理等。讨论了系统设计过程中光程设计、延时线与数据采集、近场探针与样品间距测量、与可见光显微镜联用等问题的技术细节。本文创新点主要有两点:(1)基于音圈电机延时线和光栅尺位置触发采集的方案,获得了相比传统步进模式延时线更短的信号采集时间和相比定采样率模式更准确的时域信号波形。(2)利用图像处理和特征提取的方式,实现了近场探针与样品间距的自动化测量。基于本文设计和搭建的太赫兹时域近场扫描显微镜,对光栅结构样品和脑胶质瘤等生物样品进行了近场扫描成像。光栅结构的成像结果显示,系统的空间分辨率不低于20μm。生物样品的成像结果显示,可以获得优于衍射极限的空间分辨率。其中,脑胶质瘤样品的成像结果显示,可以区分出脑胶质瘤和正常脑组织。脂肪与肌肉组织的成像结果显示,可以区分出脂肪和肌肉区域。脑组织样品的成像结果显示,可以区分出胼胝体和大脑皮层区域。本文的工作证明了太赫兹近场成像技术在生物医疗检测领域的应用潜力。
【图文】：

图 1.1 孔径法近场示意图射法实现近场成像的基本思想是，，如图 1.2 所示，利用曲率半径远小于端接近样品表面，当太赫兹波照射到导体尖端时，导体尖端的电荷仑力的作用与太赫兹电场同频率运动。由于针尖效应，会有多数电体尖端电场被局域增强。由于导体尖端局域增强电场的作用，其下体尖端电量相等、电性相反的电荷，与导体尖端的电荷构成等效偶不变而电量与太赫兹电场同频率变化，因此会产生同频率的太赫兹波。在针尖性质确定的情况下，散射太赫兹波只与针尖下方局部的以通过对散射太赫兹波的测量实现小于太赫兹波波长的空间分辨率体针尖也可以有其他等效形式，比如被激光激发的半导体针尖，这激光调控半导体针尖的电导率来调制散射太赫兹波进行锁相测量。

图 1.1 (c)中太赫兹波调制深度小等。图 1.1 孔径法近场示意图1.2.2 散射法散射法实现近场成像的基本思想是，如图 1.2 所示，利用曲率半径远小于太赫兹波波长的导体尖端接近样品表面，当太赫兹波照射到导体尖端时，导体尖端的电荷在太赫兹电场中受到库仑力的作用与太赫兹电场同频率运动。由于针尖效应，会有多数电荷积累到导体尖端，导体尖端电场被局域增强。由于导体尖端局域增强电场的作用，其下方的样品中会存在与导体尖端电量相等、电性相反的电荷，与导体尖端的电荷构成等效偶极子。等效偶极子间距不变而电量与太赫兹电场同频率变化，因此会产生同频率的太赫兹辐射，称为散射太赫兹波。在针尖性质确定的情况下，散射太赫兹波只与针尖下方局部的样品性质有关，所以可以通过对散射太赫兹波的测量实现小于太赫兹波波长的空间分辨率[32-39]。此处导体针尖也可以有其他等效形式，比如被激光激发的半导体针尖，这样做的好处是可以通过激光调控半导体针尖的电导率来调制散射太赫兹波进行锁相测量。图 1.2 散射法近场示意图这种方式最大的难点在于，散射太赫兹波的能量太弱，背景噪声强，测量难度非常大。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R739.4;O441

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