神經(jīng)遞質(zhì)與代謝物混合物的太赫茲波譜的識(shí)別與量化

彭滟+陳萬青+羅潔

摘要：針對(duì)神經(jīng)細(xì)胞中常見的三種神經(jīng)遞質(zhì)（γ氨基丁酸，L谷氨酸，鹽酸多巴胺）以及兩種代謝產(chǎn)物（肌酸，肌醇），運(yùn)用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THzTDS）對(duì)上述物質(zhì)各自的純品進(jìn)行了特征譜線測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，這五種物質(zhì)在遠(yuǎn)紅外波段具有明顯且獨(dú)特的吸收譜線，而同一種物質(zhì)不同濃度的吸收系數(shù)符合朗伯比爾定律。此外，從這五種物質(zhì)中任取幾種進(jìn)行不同比例的混合，并對(duì)混合物的譜線進(jìn)行了測(cè)量，通過最小二乘法等算法倒推，可以對(duì)每一種物質(zhì)的含量及比例進(jìn)行準(zhǔn)確推定。結(jié)果表明，物質(zhì)含量推定的準(zhǔn)確率，兩種物質(zhì)混合時(shí)為97%以上，三種物質(zhì)混合時(shí)為95%以上，四種物質(zhì)混合時(shí)為94%以上。這一結(jié)果對(duì)于癌細(xì)胞的早期診斷和治療具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 紅外光譜； 太赫茲； 最小二乘法； 混合物分析

中圖分類號(hào)： O 433.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.004

文章編號(hào)： 1005-5630（2017）02-0018-08

引 言

太赫茲（THz）波是指頻率在0.1～10 THz（波長(zhǎng)在0.03～3 mm）區(qū)間的遠(yuǎn)紅外電磁輻射，其波段介于微波和紅外光之間，是電磁波譜上由電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊區(qū)域。由于其所在電磁波譜的特殊位置而具備了其他波段光譜所不具有的特殊性質(zhì)——高穿透性、低電離能、指紋光譜和相干性，從而廣為人知。太赫茲波作為一種獨(dú)特的輻射波，使得其在安全檢查、天文觀測(cè)、電子通訊、生物醫(yī)學(xué)等方面獲得了很大的成功[1-3]。特別是在近幾十年，太赫茲光譜技術(shù)已經(jīng)被證明其在皮膚癌、乳腺癌、肝癌、結(jié)腸腫瘤檢測(cè)以及混合物鑒定等方面[4]，具有良好的應(yīng)用前景及價(jià)值。

現(xiàn)階段，在太赫茲波譜系統(tǒng)對(duì)癌細(xì)胞組織進(jìn)行的檢測(cè)中還存在著一些問題，最主要的是被測(cè)組織內(nèi)物質(zhì)種類繁多，造成其在太赫茲波段內(nèi)的特征吸收峰相互重疊，特征譜線難以提取，最終各種物質(zhì)的含量無法定量分析，癌細(xì)胞是否存在無法準(zhǔn)確判定等?；谏鲜鰡栴}，本文提出通過提高光譜的信噪比（SNR）、選擇特征吸收峰并結(jié)合最小二乘法（LSM）等方法來推算混合樣品的混合比例。

1 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)

1.1 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)概述

隨著太赫茲技術(shù)的不斷進(jìn)步，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（terahertz time-domain spectroscopy，THzTDS）也得到快速的發(fā)展。Bell實(shí)驗(yàn)室的Auston等在1983年研究了基于天線機(jī)制的被稱為相干遠(yuǎn)紅外光譜的測(cè)量方法[5]，這便是THzTDS技術(shù)的雛形，其后IBM的Fattinger等將這種技術(shù)進(jìn)行了發(fā)展，并將這種技術(shù)命名為太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)[6]。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段THzTDS已成為一種便捷有效的測(cè)試手段。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)就是用THz脈沖透射樣品或者在樣品上發(fā)生反射，測(cè)量由此產(chǎn)生的THz電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化（利用傅里葉變換得到頻域上幅度和相位的變化量），進(jìn)而得到樣品的信息[7]。

1.2 太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用THzTDS測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用泵浦探測(cè)方法，采用光纖式飛秒激光器作為泵浦光源，產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為780 nm、脈寬約為100 fs、脈沖功率為150 mW的飛秒激光脈沖。激光經(jīng)分束鏡分為兩束，一束作為泵浦光入射到GaAs晶體上產(chǎn)生太赫茲光，太赫茲光經(jīng)拋物面鏡聚焦到樣品表面，另一束作為探測(cè)光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)與載有樣品信息的太赫茲光線共線經(jīng)過探測(cè)晶體，即可得到載有樣品信息的太赫茲光信息[8-9]。為了降低水分對(duì)太赫茲信號(hào)的影響，保證箱內(nèi)的相對(duì)濕度低于3.5%。

1.3 THzTDS樣品制備

本實(shí)驗(yàn)使用的純品均從美國(guó)SigmaAldrich公司購(gòu)置，樣品為多晶型粉末化合物，為模擬被檢組織需要對(duì)樣品進(jìn)行壓片處理。通常，樣品對(duì)THz的吸收很大，因此使用大量樣品壓片將無法得到有用的特征信息，而使用少量的樣品壓制所得到的樣片厚度太薄且硬度不足，在測(cè)試時(shí)容易損壞，因而在壓片時(shí)會(huì)使用吸收較弱的高密度聚乙烯（PE）粉末作為稀釋劑和粘合劑與樣品進(jìn)行混合壓片。將純品粉末與PE粉末以一定比例均勻混合，并在瑪瑙研缽中研磨成細(xì)小粉末，采用3 t壓力將粉末壓制成厚約1 mm、直徑為13 mm的圓盤樣品，并保證樣片表面光滑，前后表面平行。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

將THzTDS系統(tǒng)采集得到的時(shí)域脈沖信號(hào)通過MATLAB程序進(jìn)行快速傅里葉變換，得到樣品信號(hào)與參考信號(hào)在頻域上的電場(chǎng)表達(dá)式，分別用Esam和Eref表示，則樣品的吸光系數(shù)可以表示為

由于太赫茲信號(hào)受到周圍環(huán)境擾動(dòng)以及空氣中水分的影響，使測(cè)量得到的吸收譜線含有微小噪聲，因而我們利用雙正交小波對(duì)吸收譜線進(jìn)行降噪處理，以達(dá)到凸顯特征峰的目的。

2 混合物成分推定方法

2.1 超定方程組的最小二乘解

設(shè)方程組Ax=b中，A=（aij）m×n，b是m維已知向量，x是n維解向量，當(dāng)m>n即方程組中方程個(gè)數(shù)大于自變量個(gè)數(shù)，稱此方程為超定方程組?，F(xiàn)在記r=b-Ax，稱使r22最小的解x*為方程組Ax=b的最小二乘解。而x*是Ax=b的最小二乘解的充要條件為x*是ATAx=ATb的解[12-13]。

2.2 混合物成分推定原理

根據(jù)朗伯比爾定律

式中：A為吸光度；ε為摩爾吸收系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ有關(guān)；l為吸收層厚度；c為吸光物質(zhì)的濃度。我們可以看出，當(dāng)樣品厚度一致時(shí)，特定樣品的吸光度僅與樣品濃度呈正相關(guān)關(guān)系[14-15]。

首先，我們假設(shè)這五種物質(zhì)的吸收系數(shù)分別是a，b，d，e，f，混合物的吸光度為A，對(duì)于所有采樣點(diǎn)均可以得到以下等式：

3 結(jié)果與討論

`

3.1 THzTDS譜線

我們運(yùn)用THzTDS系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞中常見的五種物質(zhì)用0.5～4.5 THz的譜線進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，五種物質(zhì)在這一頻段內(nèi)均具有明顯且獨(dú)特的吸收峰，且譜線隨頻率的增加呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。表1為THzTDS系統(tǒng)測(cè)試所得特征峰峰位。

3.2 混合物比例推定

在對(duì)混合物及純品譜線進(jìn)行去除基線的操作之后，我們通過最小二乘法對(duì)混合物中各物質(zhì)含量與比例進(jìn)行求解，通過軟件計(jì)算和純品譜線對(duì)肌醇和L谷氨酸1∶1混合物譜線進(jìn)行擬合，表2為推定結(jié)果，圖2為其譜線圖。實(shí)際含量與理論含量的誤差主要來自研磨過程中以及壓制藥片時(shí)的樣品損失，通過測(cè)量壓片后樣品的質(zhì)量同實(shí)驗(yàn)之前稱量所得的差值，再通過等比例減去損失樣品量后得到樣品實(shí)際含量，之后表格中的實(shí)際含量均由此方法得到。表3～6為其他混合物推定結(jié)果，圖3～6為相應(yīng)混合物的譜線圖。

4 結(jié) 論

本文利用THzTDS系統(tǒng)對(duì)L谷氨酸、γ氨基丁酸、鹽酸多巴胺、肌酸和肌醇五種純品物質(zhì)的太赫茲譜線進(jìn)行了檢測(cè)，并在此基礎(chǔ)上利用最小二乘法對(duì)其混合物中純品物質(zhì)的含量和比例進(jìn)行了推定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種物質(zhì)混合的譜線反推準(zhǔn)確率可以達(dá)到97%，三種物質(zhì)可以達(dá)到95%，四種物質(zhì)混合可以達(dá)到94%以上。由此可知最小二乘法在譜線擬合及混合物比例推定的應(yīng)用上具有較高的準(zhǔn)確率和較好的可靠度，這為進(jìn)一步的研究提供了參考。在未來的工作中，我們將對(duì)癌變組織和非癌變組織，病變血液和非病變血液的特征吸收譜線進(jìn)行對(duì)比，嘗試?yán)锰卣魑兆V線的差異對(duì)組織的病變與否進(jìn)行判別，并嘗試?yán)米钚《朔▽?duì)組織中特異性成分進(jìn)行推定，以此達(dá)到快速、準(zhǔn)確判別病變組織及其病變程度，為醫(yī)生對(duì)疾病的預(yù)判和確診提供可靠的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] FAN S T，HE Y Z，UNG B S，et al.The growth of biomedical terahertz research[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2014，47（37）：374009.

[2] LEAHY-HOPPA M R，F(xiàn)ITCH M J，OSIANDER R.Terahertz spectroscopy techniques for explosives detection[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry，2009，395（2）：247257.

[3] CHEN J，CHEN Y Q，ZHAO H W，et al.Absorption coefficients of selected explosives and related compounds in the range of 0.1-2.8 THz[J].Optics Express，2007，15（19）：1206012067.

[4] ASHWORTH P C，PICKWELL-MACPHERSON E，PROVENZANO E，et al.Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer[J].Optics Express，2009，17（15）：1244412454.

[5] AUSTON D H，SMITH P R.Generation and detection of millimeter wavesby picosecond photoconductivity[J].Applied Physics Letters，1983，43（7）：631633.

[6] FATTINGER C，GRISCHKOWSKY D.Terahertz beams[J].Applied Physics Letters，1989，54（6）：490492.

[7] GLASSFORD S E，BYRNE B，KAZARIAN S G.Recent applications of ATR FTIR spectroscopy and imaging to proteins[J].Biochimicaet Biophysica Acta（BBA）-Proteins and Proteomics，2013，1834（12）：28492858.

[8] TANOTO H，TENG J H，WU Q Y，et al.Nano-antenna in a photoconductive photomixer for highly efficient continuous wave terahertz emission[J].Scientific Reports，2013，3：2824.

[9] DU S Q，LI H，XIE L，et al.Vibrational frequencies of anti-diabetic drug studied by terahertz time-domain spectroscopy[J].Applied Physics Letters，2012，100（14）：143702.

[10] ZHENG Z P，F(xiàn)AN W H，LIANG Y Q，et al.Application of terahertz spectroscopy and molecular modeling in isomers investigation：glucose and fructose[J].Optics Communications，2012，285（7）：18681871.

[11] LI N，SHEN J L，SUN J H，et al.Study on the THz spectrum of methamphetamine[J].Optics Express，2005，13（18）：67506755.

[12] NISHIKIORI R，YAMAGUCHI M，TAKANO K，et al.Application of partial least square on quantitative analysis of L-，D-，and DL-tartaric acid by terahertz absorption spectra[J].Chemical & Pharmaceutical Bulletin，2008，56（3）：305307.

[13] ERMOLINA I，DARKWAH J，SMITH G.Characterisation of crystalline-amorphous blends of sucrose with terahertz-pulsed spectroscopy：the development of a prediction technique for estimating the degree of crystallinity with partial least squares regression[J].AAPS PharmSciTech，2014，15（2）：253260.

[14] HUONG A，NGU X.The application of extended modified Lambert Beer model for measurement of blood carboxyhemoglobin and oxyhemoglobin saturation[J].Journal of Innovative Optical Health Sciences，2014，7（3）：1450026.

[15] HIROSE R，KOZAWA T，TAGAWA S，et al.Dependence of absorption coefficient and acid generation efficiency on acid generator concentration in chemically amplified resist for extreme ultraviolet lithography[J].Japanese Journal of Applied Physics，2007，46：L979.

（編輯：劉鐵英）