太赫兹生物光子学的最新进展与新兴方向

生物光子学是一个多学科领域，涉及开发和应用基于光的技术来研究、监测和治疗生物系统。在过去的一个世纪里，直接对细胞和分子进行成像的能力带来了许多基础性发现。近年来，电磁波谱中的太赫兹波段作为推动生物研究发展的一个颇具前景的前沿领域，引起了越来越多的关注。太赫兹频率范围与若干基本生物过程相关。尽管太赫兹辐射会被水强烈吸收——这历来被视为一个局限——但这一特性反而能够实现对水合状态和水分含量的灵敏表征。与可见光相比，太赫兹波还能更有效地穿透某些生物组织。

然而，尽管不断取得进展，太赫兹生物光子学在直接观测细胞和分子动态方面，仍落后于基于可见光的技术。这主要归因于若干挑战，包括空间分辨率相对较低（这是太赫兹波长较长的结果）、对水的高敏感性导致测量复杂化、成像速度较慢以及仪器体积庞大。幸运的是，近期的进展显示出强大的未来潜力。

为突显这些进展，日本早稻田大学信息、生产与系统研究生院的副教授Kazunori Serita，与日本冈山大学跨学科科学研究所的特聘教授Masayoshi Tonouchi 共同发表了一篇全面的综述，总结了当前在解决上述局限、推动太赫兹生物光子学应用方面的努力。该研究于2026年5月28日发表物理学杂志Photonics上。

Serita表示：“太赫兹生物光子学对下一代生物医学技术而言是一个极具吸引力的研究领域。目前，太赫兹生物医学应用仍局限于少数小众领域，并存在许多技术局限。新兴太赫兹技术的最新发展大大增加了克服这些技术局限的潜力。”

在综述中，研究人员首先概述了太赫兹辐射如何与生物过程相互作用，着重阐述了其关键优势，例如对分子指纹谱的敏感性，以及实现非侵入、无损、无标记测量的能力。他们还讨论了水强烈的介电色散和吸收特性。

接着，他们追溯了关键太赫兹技术的发展历程，包括太赫兹时域光谱、太赫兹成像技术的演进，以及可用于探测复杂微小生物样品的太赫兹超材料生物传感器的出现。

综述的一大重点放在了那些展现出强大早期应用潜力的领域。例如，太赫兹成像因对组织成分敏感而在皮肤癌诊断中受到关注，并正朝着临床试验推进。伤口评估是太赫兹成像日益得到应用的另一个领域。乳腺癌切缘评估也是太赫兹技术极具实际临床应用潜力的关键领域，它提供了一条简化现有流程的途径。该综述还强调了太赫兹技术在药物发现和药物分析中的应用。

除了这些领域，综述还指出了新兴方向，如单细胞太赫兹成像、分子尺度太赫兹研究、内脏器官（包括胃肠系统和呼吸系统）诊断以及基于太赫兹的血液分析。此外，它还着重介绍了未来能够在生理条件下实现太赫兹观测细胞和分子的技术，包括芹田及其同事近期开发的“点太赫兹源”技术。

Serita说：“太赫兹测量技术不仅有益于医学，还能惠及众多行业，包括药物发现、食品检测、环境监测、半导体评估和生物技术。”

最后，研究人员提出了未来的主要研究领域，包括确定生物样品中太赫兹对比度的精确来源，以及加深对水动力学的理解以提高可靠性。

Serita总结道：“我们的研究提供了一份新兴方法的路线图，有望推动太赫兹生物光子学领域从概念验证研究转变为实际的生物医学应用。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1088/2515-7647/ae7490