Диссертация (1025280), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поглощениеэлектромагнитного излучения видимой и ближней инфракрасной областиспектра связано с внутриатомными энергетическими переходами электронов. Частотная зависимость терагерцовой диэлектрической проницаемостинесет информацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурных свойствах конденсированных сред, в том числе сильно поглощающих. Терагерцовые спектральные характеристики различных сред, в том числе важных биологических соединений, таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты(ДНК) [99, 127], белки (протеины) [103, 104, 107, 108], аминокислоты [128, 129],вода и водные растворы электролитов [100, 130], высокомолекуляные соединения [131ҫ134], являются чрезвычайно информативными.
Необходимо отметить, что терагерцовое излучение сильно поглощается водой [13, 14, 18] и па-Энергия E, отн. ед.ИонизацияРассеяниеКомптонаВнутриатомныепереходыПорогионизацииРентгенЛибрационныеуровнимолекулыВибрационные РотационныеуровниуровнимолекулымолекулыУФизлучениеВидимоеизлучениеИКизлучениеТГцизлучениеМикроволныДлина волны λ, отн.
ед.Рис. 1.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом [125]15рами воды в атмосфере [15ҫ17], что связано с высоким дипольным моментомводородных связей молекулы. Данное обстоятельство существенно осложняет создание терагерцовых спектроскопических и изображающих систем, работающих на расстояниях более нескольких десятков метров от исследуемогообъекта.Терагерцовое электромагнитное излучение способно проникать сквозьдиэлектрические среды, полимерные, керамические и композиционные материалы.
В то же время из-за высокого содержания воды глубина проникновения терагерцового излучения в биологические ткани, ткани организма человека in vivo невелика [31] и составляет от нескольких сотен микрометров донескольких миллиметров в зависимости от частоты электромагнитной волныи типа тканей [19, 135]. Отмеченное обстоятельство существенно осложняетразработку методов терагерцовой диагностики заболеваний организма человека. Тем не менее даже с учетом указанной специфики возможно использовать терагерцовое электромагнитное излучение для диагностики и терапииэпителиальных тканей (тканей, выстилающих поверхность и полости тела)и, в частности, кожи человека in vivo.Энергия терагерцового кванта не велика (на три порядка ниже энергии кванта оптического излучения), поэтому терагерцовое излучение является неионизирующим.
Неионизирующий характер излучения определяет преимущества методов терагерцовой диагностики над методами, использующими УФ и рентгеновское излучение. Тем не менее проблема негативного влияния терагерцового излучения на биологические объекты и ткани организмачеловека остается недостаточно изученной.
Помимо ионизации возможны идругие механизмы вредного воздействия терагерцовых волн на организм человека, связанные с поглощением излучения важными компонентами биологических тканей ҫ ДНК [99, 127], белками [103, 104, 107, 108] и аминокислотами [128, 129].Ранее проводились исследования негативного влияния терагерцовогоизлучения сравнительно высокой мощности на кератиноциты (клетки эпителиальных тканей, выстилающих поверхность и полости тела) [136], лимфоциты (клетки иммунной системы) [137] и лейкоциты (клетки крови) [138].Показано, что мощное терагерцовое излучение способно вызвать воспалительные процессы в биологических тканях, не связанные с их термическим16повреждением [139, 140].
В работе [141] исследовалось влияние мощных терагерцовых пикосекундных импульсов на уровень экспрессии генов в тканяхкожи при патологии. В ней продемонстрировано негативное влияние мощного терагерцового излучения на биологические ткани, а также отмеченыперспективы разработки новых методов терагерцовой терапии заболеванийкожи, основанных на регулировании экспрессии генов.В ряде зарубежных публикаций [142ҫ145] и стандартов [146ҫ150] регламентируются предельно допустимые для тканей человеческой кожи дозы терагерцового излучения. Анализ, проведенный в работе [151] на основестандартов [148, 149], показал, что для терагерцового пучка, сфокусированного на поверхности кожи в пятно диаметром порядка 3, 5 мм, предельнодопустимая средняя мощность составляет 3, 85 мВт при продолжительностивоздействия не превышающей 8 часов. Данным требованиям в полной мере соответствуют методы терагерцовой импульсной спектроскопии, использующие пучки терагерцового импульсного излучения со средней мощностьюпорядка 10−5 ...10−8 Вт [151].Перечисленные свойства терагерцового излучения (способность терагерцового излучения взаимодействовать с колебательными и либрационнымимодами молекулы вещества, а также их коллективными возбуждениями,безвредность терагерцового излучения малой мощности для организма человека, а также способность проникать в ткани на десятые доли и единицымиллиметра) свидетельствуют о перспективности разработки новых методовранней неинвазивной, малоинвозивной диагностики заболеваний тканейкожи на основе методов терагерцовой спектроскопии и имиджинга.1.2.
Выбор метода терагерцовых спектроскопических исследованийбиологических тканейВ настоящее время существует несколько видов терагерцовой диэлектрической и абсорбционной спектроскопии ҫ метода изучения квантовыхсостояний вещества на основе анализа спектров поглощения электромагнитного излучения. Методы терагерцовых спектроскопических исследованийразличаются в зависимости от используемых принципов генерации и детектирования терагерцовых волн, а также подходов к решению обратных задачспектроскопических исследований, связанных с восстановлением частотной17зависимости комплексной диэлектрической проницаемости вещества. Длявыбора оптимального метода спектроскопических исследований сильнопоглощающих сред и биологических тканей in vivo ознакомимся с наиболеераспространенными методами спектроскопии в терагерцовом диапазонечастот и проведем их сравнительный анализ.Терагерцовая фурье-спектроскопияИсторически первым методом исследований терагерцовых спектральных характеристик являлась фурье-спектроскопия [94], использующая принципы интреферометрических измерений для регистрации спектрального состава электромагнитного излучения.
Данный метод еще в XIX веке использовался для анализа спектрального состава терагерцового излучения тепловыхисточников Г. Рубенсом, Е. Николсом и Ф. Карлбаумом [88ҫ90]. Принципдействия фурье-спектрометра показан на Рис. 1.3. Все фурье-спектрометрыимеют следующие общие элементы: интерферометр, широкополосный низкокогерентный источник излучения и спектрально-неселективный приемник.Пучок излучения источника разделяется светоделителем на две составляющие, одна из которых попадает в опорную ветвь, а другая ҫ в ветвь задержки.После прохождения опорной ветви и ветви задержки пучки объединяются,формируя интерференционную картину в плоскости детектора. За счет перемещения подвижного зеркала в ветви задержки и детектирования амплитудыинтерференционных полос регистрируется интерферограмма, I (x), где x ҫкоордината, характеризующая пространственное положение зеркала.
Спектрмощности излучения, I (ω), падающего на детектор, восстанавливается наоснове расшифровки интерферограммы⃒ ︁+∞⃒⃒⃒−iωtI (ω) ∝ ⃒⃒I (t) edt⃒⃒,(1.1)−∞где t = 2x/c ҫ временная координата, а c ҫ скорость света в свободном пространстве.Регистрация интерферограммы в бесконечно большом интервале задержек, x ∈ [−∞, +∞], принципиально невозможна из-за ограниченного диапазона перемещения опорного зеркала.
Для исключения влияния конечных раз-18ОпорнаяветвьОпорноезеркалоПолихроматическийкогерентныйисточникПодвижноезеркалоШирокополосныйсветоделительНеразделенныйпучокВетвьзадержки0xОбразецСпектральнонеселективныйфотодетекторИнтерферограммаI(x)Пост-обработка:аподизация ипреобразованиеФурьеСпектризлученияI(ω)Рис. 1.3. Принцип работы фурье-спектрометрамеров пространственного окна, x ∈ [x1 , x2 ], на спектральные характеристикии подавления шумов Гиббса при обработке сигналов фурье-спектроскопиииспользуется процедура оконной фильтрации ҫ аподизация интерферограммы [152]⃒ ︁t2⃒⃒⃒−iωtI (ω) ∝ ⃒⃒ I (t) H (t) edt⃒⃒,(1.2)t1где t1 = 2x1 /c, t2 = 2x2 /c, а H (t) ҫ функция аподизации. При использованиипростейшей прямоугольной функции аподизации, H (t) = rect (t), спектр которой имеет вид ∝ sinc (ω) = sin (ω) /ω, возникают искажения спектральныххарактеристик, появляются шумы Гиббса [153] (существенная часть амплитуды спектральных линий перетекает в побочные максимумы, что связано сбольшими «лепестками» sinc-функции).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
