太赫兹技术与中医药研究应用

康良　严强　胡毓诗　尹海燕　余曙光　周逊

摘要 太赫兹技术是物理学的前沿科技，已广泛应用于天文、国防、通信等领域。同时，太赫兹光谱与成像技术已在生物医药领域取得了丰富成果，辐射效应也开展了系列研究。在中医药领域，太赫兹技术主要用于中药及其成分的鉴定与质控。如拓展其在中医传统理论和传统疗法中的创新应用，则可为太赫兹技术在中医药领域的研究提供新探索方向，使其成为中医药现代化的创新技术手段之一。

关键词 太赫兹;中医药;太赫兹时域光谱;成像;探测;辐射

Abstract Terahertz technology is a frontier tool in physics，and has been widely used in astronomy，national defense，communications and other fields.The application of terahertz spectroscopy and terahertz imaging have made substantial progress in biomedicine field，and series of studies on terahertz radiation effect studies have also been developed.In the field of Traditional Chinese medicine（TCM），terahertz technology is mainly used for identification and quality management of Chinese medicines and their ingredients.If the innovative applications in TCM theories and traditional therapies are expanded，it can provide new directions for the research of terahertz technology in the field of TCM，making it one of the innovative technological means for modernizing TCM.

Keywords Terahertz; TCM; Terahertz time-domain spectroscopy; Imaging; Detection; Radiation

中图分类号：R2-03文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2020.11.006

太赫兹波（Terahertz Wave）指频率在0.1～10 THz（1 THz=1012 Hz）、波长在30 μm至3 mm的电磁波，属于宏观电子学向微观光子学过渡的频段[1]。自20世纪70年代首次提出后，因缺少相应发射和探测技术，该谱段一直被称作“THz空隙”;20世纪80年代以来，超快激光和半导体材料科学的发展为太赫兹源和探测技术的基础与应用创造了条件[2]。太赫兹技术的发展，对大多数自然科学领域的研究与应用均具有重要价值和意义。早在2000年，欧盟即设立并正式启动了太赫兹国际联合项目“THz-Bridge”并连续十年将生物医学应用作为首要研究方向;2004年，太赫兹技术被美国政府评为“改变未来世界的十大技术”之一;日本于2005年将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首;我国也于2005年召开了太赫兹科技为主题的香山会议。近年来，太赫兹技术发展前景日益广阔，生物医学成为其最重要的应用领域之一;中医药领域也开展了相关研究和探索，太赫兹技术有望成为中医药现代化的创新技术手段和新的应用方向。

1 分类综述

1.1 太赫兹波概述

太赫兹波具有高透性、低能性、指纹谱性以及相干性特点。高透性是指太赫兹对许多非极性介电物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补;低能性是指太赫兹光子能量很低，只有毫电子伏特量级，对生物体十分安全;指纹谱性则是源于不同的分子对太赫兹的吸收及色散特性不同，形成特有的“指纹谱”，可对药物为代表的绝大多数物质进行标记和鉴定;相干太赫兹波是由相干电流驱动的偶极子振荡或激光脉冲经非线性光学差频效应产生的，具有相干性，用于成像技术可获得更高的空间分辨率及更深的景深[3]。太赫兹技术现已广泛应用于天文、工业、国防、安检、通信、生物医学、农学等领域[4]。

1.2 太赫兹技术在中医药领域的应用

近年来，太赫兹技术在医学领域中的应用主要涉及太赫兹生物成像、太赫兹生物分子、细胞组织和生物体检测、太赫兹辐射效应治疗等领域;所涉及到的技术主要包括太赫兹光谱技术、太赫兹成像与探测技术以及太赫兹辐射技术，太赫兹波已成为包括中医药在内的生物医学领域新兴热点研究方向之一。

1.2.1 太赫兹时域光谱

太赫兹光谱技术目前主要包括太赫兹时域光谱、时间分辨光谱和太赫兹发射光谱技术。太赫兹时域光谱（Terahertz Time-domain Spectroscopy，THz-TDS）技术指用宽带太赫兹脉冲照射样品，使用超短脉冲在时域上對透射或反射的太赫兹脉冲进行扫描，继而获得时域的太赫兹电场信息（振幅和相位），然后经傅里叶变换得到样品在太赫兹波段的光学性质（折射率和吸收率）。通过测量样品的光学特性，可借此分析样品的分子结构;如将指纹光谱进行数据库对比，则有望定性和定量地测量样品成分。因许多分子的转动、振动能级及分子间弱相互作用所对应的能量都在太赫兹波段，这些分子可吸收对应波长的太赫兹波，从而在该波段形成特征吸收峰（指纹特征峰），故相比于X射线、红外光谱等传统光谱分析技术，太赫兹光谱技术尤适于分子的指纹识别和结构表征。

如今，THz-TDS作为表征工具已在多晶型药物的区分与定量分析、固态药品在外界环境影响下的转换、药品外包衣层的离线或在线量化检测等方面，展开了应用研究。太赫兹辐射对结构的微小差异十分敏感，故针对大部分中药，均可能存在特征性太赫兹指纹光谱;同时，THz-TDS能直接测量电场振幅和相位来提取样品折射率和吸收系数，方便地得到样品信息。故运用THz-TDS技术、对中药鉴定和质控是太赫兹技术在整个中医药领域的主要应用形式，已有诸多学者先后围绕中药、衍生物、杂质等方面开展了系列探索和研究。

中药成分与质控研究方面，Yang Y P等[5]开展了金雀异黄素和鹰嘴豆芽素A的太赫兹光谱特征研究，认为窄线太赫兹图谱可为中药材的鉴别提供一种快速、可靠且无损的方法;杨帅等[6]利用THz-TDS技术检测了4种大黄炮制品的成分含量，通过收集炮制前后成分，经THz-TDS采集数据并进行处理、分析，确定了该方法的可行性;马品等[7]利用THz-TDS技术对青蒿素和其3种衍生物进行了成分鉴别，结果表明，此手段可快速有效的检测青蒿素及其衍生物;Huo Zhang等[8]从质控角度、用THz-TDS技术定量检测了蒲黄中的有毒物质金胺O;周永军等[9]对3种已掺杂黄芪太赫兹光学特性进行频谱收集与分析，发现在0.2～2.2 THz频段内，3种掺杂黄芪频谱存在着显著差异;刘芳[10]则将太赫兹技术引入到中药粉末饮片的鉴别与质量评价研究中，认为THz-TDS技术不仅可用于中药材掺杂品鉴别，还可在一定程度上区分掺杂物质。

中药种类及炮制品研究方面，沙琳[11]早在2005年的太赫兹光谱研究即发现，3种人参有共同吸收峰、但吸收谱存在差异，2种牛黄吸收曲线存在差异，认为该技术可用于上述中药的鉴别;陈艳江等[12]选用THz-TDS技术，对采集的南/北/银柴胡、山/北豆根6种中药薄片太赫兹信号，经傅里叶转换为频谱光率后，计算其吸收系数并对上述中药太赫兹特征光谱进行了归类与区分。结果表明，该技术可快速、准确实现中药分类;段瑞鑫等[13]对4种不同种类的郁金进行了太赫兹技术识别探索：首先将样品随机分为4组，随机选取3组为已知组;再对未知组运用太赫兹技术进行区分，发现太赫兹技术对4种样品的区分准确率高达100%;何明霞等[14]运用THz-TDS技术获得了3组相似中药（车前草/子、怀/川牛膝、生/炙黄芪）的频域信号，鉴定准确率达94.4%，实现了太赫兹技术对未知中药样品的鉴定;赵峰等[15]利用THz-TDS技术对杜仲、连翘、黄连、天麻、五倍子进行了太赫兹光谱特征分析，认为该技术有望为中药指纹图谱的建立和完善提供新的光谱学手段。

中药产地研究方面，张建等[16]检测了四川和云南2个产地、3种规格的莪术，并运用太赫兹共有峰率、变异峰率双指标序列法进行分析，认为该技术可对不同产地和规格的莪术进行直观鉴别;李小霞等[17]采用THz-TDS技术对道地附子开展了品种鉴别和质控研究，通过在室温、干燥环境下收集光谱，并将收集信号进行傅里叶转化，证明该技术可对同一产地、不同炮制方式的附子进行有效区分;杨枝中[18]通过对不同产地白芷的鉴别，为中药产地的太赫兹质控研究提供了进一步依据;徐哲等[19]围绕不同产地和药效、外形高度相似的鸡血藤和大血藤开展了相关研究，确定了二者差异性鉴别的太赫兹谱段。

可见，THz-TDS技术已广泛用于中药成分检测、质量控制、种类与炮制品鉴别、产地区分等领域，有望成为快速有效的中药研究新手段。但是，各中药样本的太赫兹检测结果仍存在一定差异，需根据具体实验目的、采取不同的光谱解析方法，故THz-TDS技术在中医药领域的研究还将不断丰富和深入。

1.2.2 太赫兹成像与探测

运用太赫兹射线照射样本，对其透射光或反射光进行处理分析，可得到太赫兹图像。太赫兹波非侵入、非电离等特点，使其能对生物组织进行安全无损检测;加之光谱学和半导体技术近年的高速发展，使太赫兹波在筛查、检测和诊断方面的应用成为可能。

太赫兹成像方面，因人体多数组织含水量较大，故太赫兹波难以在体进行内部结构观测。太赫兹技术对疾病的诊断目前集中在观测体表或离体组织切片上的病变情况，如皮肤基底细胞癌、乳腺癌、宫颈癌、肺癌、肝癌、胃癌、结肠癌、胰腺癌和肾癌等[20-23];在某些含水量较少的人体组织中，太赫兹波有一定的透过率，如对关节软骨、牙齿、烧伤组织以及角膜等组织的太赫兹成像研究也取得了进展[24-25]。近来，宁威等[26]对新鲜猪皮样品进行不同程度烫伤后，运用搭建的太赫兹反射式成像设备对其进行逐点扫描式成像，发现可检测烫伤创面，并能很好区分出烫伤的程度;王庆伟等[27]对活体MG-63荷瘤小鼠的肿瘤组织成功实现了太赫兹成像技术下的观察和瘤体切除，相较肉眼下的瘤体切除术，借助太赫兹成像技术切除瘤体后，组织边缘的肿瘤阳性率（8.3%）远低于常规切除术（37.5%）。Zhitao Zhou等[28]运用实时多光谱太赫兹成像技术、对患者脑部癌变组织进行了无创在体观察，认为该技术可对癌组织进行有效诊断、多光谱太赫兹成像技术将有较好的医用前景。因此，在改进太赫兹成像与探测方法基础上，仍有望通过其光谱特性判别病变组织，帮助临床诊断疾病。

太赫兹探测方面，国内部分光学实验室和企业虽拥有太赫兹相机和探测设备，但良好的太赫兹源和探测器仍相对缺乏;且受制于光路设计、设备体积和学科交叉融合的影响，使生物医学工作者难以迅速开展深层次研究。尽管受到设备条件的制约，但已有研究人员[29]通过硬件设计和软件开发、研制了完整的太赫兹检测系统，并运用该系统探测了不同频率和幅度的人体呼吸运动，得到了高度实时性的人体表微动的位移信息及呼吸信号。章文春等在远紅外光谱仪上加装4 K下工作的Bolometer探测器，自行改制出人体太赫兹探测设备，分别围绕气功师与健康人群的劳宫穴[30]、中医内证体察前后的手部六处经腧穴[31]、不同穴位及灸法的太赫兹波特征[32]、艾灸对同经它穴的影响[33]等方面内容开展了太赫兹波特征的系列研究，认为人体之“气”的主要成分及不同腧穴、灸法均具有相应的太赫兹辐射特征;内证体察可提高手部不同经腧穴的太赫兹辐射;隔姜灸和腧穴会产生太赫兹波共振;艾灸循经感传效应的物理基础包括了太赫兹波。相关研究为太赫兹探测技术在中医传统理论中的应用提供了有益思路。

1.2.3 太赫兹辐射

太赫兹波在生物医学、特别是医学成像领域中的应用前景，也促进了太赫兹辐射安全剂量的相关研究，围绕太赫兹辐射对细胞、基因毒性的影响及其潜在效应，始终是太赫兹生物安全性的重要问题。

早在1968年，Webb等发现了太赫兹辐射对细胞具有独特作用;美国洛斯·阿拉莫斯实验室[34]通過对人类皮肤成纤维细胞和Jurkats细胞在高功率太赫兹辐射下反应的研究，发现太赫兹弱辐射能刺激细胞生长，强辐射则可改变细胞形态、甚至使细胞死亡;据此认为高功率太赫兹辐射具有热效应，会造成生物体损伤，影响编码炎性细胞因子的基因。Bock J等[35]研究发现，长时间暴露在广谱太赫兹辐射下可对小鼠干细胞特定基因激活、抑制或影响其表达，认为太赫兹波可能是通过对氢键的作用影响了DNA转录、蛋白质合成或构象，进而诱导了基因的表达改变;Hwang Y等[36]用紧凑型自由电子激光产生的脉冲太赫兹波（2.7 THz，4 μs脉冲宽度，61.4 THzJ/脉冲，重复频率3 Hz），对麻醉小鼠耳部皮肤给予了30 min照射。经照射前后长时间观察，发现干预结束6 h后、皮肤同一区域仍存在大量新浸润的中性粒细胞募集，提示太赫兹波脉冲照射可通过非热过程、诱导皮肤急性炎性反应。Weisman N Y等[37]在果蝇体内的后继研究，也未见明显的温度变化;Zeni O等[38]借助健康人血中的淋巴细胞，开展了20 min太赫兹辐射暴露的基因毒性探索研究，发现太赫兹辐射与基因毒性的关系不存在统计学意义。目前普遍认为，太赫兹辐射具有热和非热效应，对生物组织的影响取决于辐射强度、形式与作用靶点;太赫兹波具有光子能量极低的特点，这决定了目前常用辐射强度的高安全性。

利用太赫兹辐射效应开展相应生物治疗，也是医学领域新的探索和尝试。Kirichuck V F等[39]通过对表面烧伤和深度烧伤的患者进行太赫兹辐射干预，发现太赫兹波能加速患处外皮形成、缩短皮肤修复时间，有望成为烧伤治疗的有效方法;该团队通过系列研究，还发现太赫兹辐射能引起大鼠血小板聚合的恢复能力[40]、改善大鼠凝血功能[41]、具有改善高血脂症的潜在功效[39];他们在体外临床实验中还发现，一定强度的太赫兹照射有利于心绞痛治疗，使不稳定型心绞痛患者的血液黏度和红细胞状态趋于正常化[42]。相关研究提示太赫兹辐射具有诸多潜在疗效，为太赫兹波的生物治疗提供了参考。

在中医药领域，已有学者基于太赫兹波开发了便携式太赫兹针治疗仪，并对失眠患者进行治疗[43]。结果表明：对患者进行太赫兹针照射，照射期间的PPG多尺度熵曲线整体趋势要高于照射之前的PPG多尺度熵曲线，患者血钾浓度有所上升，主观睡眠质量有所改善。该研究分析推测，可能是由于和人体水分子产生共振效应，使人体大分子产生量子振动，从而达到改善大分子的有序性，推动生物能量在机体内的有序、顺畅传递，最终改善睡眠质量的目的。该研究作为太赫兹技术在针灸领域的首次尝试，为太赫兹技术在中医临床的运用提供了有效借鉴。

2 小结

太赫兹技术已广泛用于中药成分检测、质量控制、种类与炮制品鉴别、产地区分等领域，将成为有前景的中药研究新手段之一;围绕传统“气”概念的现代诠释、腧穴和灸法的太赫兹辐射特征，国内研究者也开展了系列探索;利用太赫兹波辐射、开展中医与针灸临床疗法的创新研究，也将成为中医药太赫兹技术的新兴应用方向之一。目前，太赫兹光谱技术、太赫兹探测技术以及太赫兹辐射技术是相关研究的主要手段。太赫兹科技有望成为中医药领域未来研究的新兴热点，为中医传统理论和临床实践的传承提供创新发展的现代工具。

3 讨论

太赫兹生物医学涉及医学、生物学、生物医学工程学、物理学、光学、计算机学、信息和材料等多学科的前沿综合交叉。相关研究可追溯到2000年欧盟设立国际联合项目“THz-Bridge”的启动，该项目四年后形成的最终报告证实了太赫兹波具有较高的安全性和潜在的生物效应。2015年，国内正式启动了专门围绕太赫兹波在医学检验中应用的、以乳腺癌和神经胶质瘤为初期研究对象的首个973项目，标志着我国科学界对太赫兹生物医学应用研究的日益重视。

相较于太赫兹波在医用诊断、成像领域取得的进展而言，太赫兹技术在中医药领域的运用尚处于探索阶段。基于THz-TDS技术的中药研究已取得系列成果，围绕优化中药太赫兹光谱建模和分析方法、建立中药及其主要有效成分的太赫兹指纹图谱库的工作亟需广泛、深入开展;太赫兹源和探测设备的缺乏制约了太赫兹技术在中医药领域的研究，如能在中药或中医疗法中结合太赫兹探测技术、寻找天然太赫兹源;基于天然太赫兹源探求疗效与太赫兹波参数关系;结合太赫兹光谱、探测和成像技术，从物理学角度揭示中医诊疗理论;运用太赫兹辐射技术发展中医治疗手段;都将为疾病的中医诊断和治疗提供全新的理论支撑依据，从而为太赫兹技术在中医药学领域的研究与应用提供广阔空间。

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（2020-05-10收稿 责任编辑：徐颖）