太赫兹(THz)激光检测系统的研制及其生物科学的应用研究项目可行性研究报告2012年06月 / 文档可自由编辑打印目 录1、立项的背景和意义 31.1 立项背景 31.2 立项意义 42、国内外研究现状和发展趋势 53、研究开发内容和技术关键 63.1 研究开发内容 63.2 关键技术 83.3 创新点 104、预期目标 114.1主要技术经济指标 114.2知识产权申请情况 114.3应用前景 115、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解 125.1 研究方案 125.2 技术路线 135.3 组织方式 145.4 课题分解 146、计划进度安排 157、现有工作基础和条件 158、经费预算 201、立项的背景和意义1.1 立项背景本项目的背景涉及多个技术领域，包括太赫兹(THz)辐射技术、激光检测技术、样品分析技术等，本项目是多学科多技术的交叉融合和综合应用，具体背景如下：（1）太赫兹辐射技术的背景太赫兹辐射(terahertz radiation)是指频率在0.1~10THz的电磁辐射从频率上看，处于无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，处于电子和光子之间在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。
由于太赫兹所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的学术和应用价值，使得全世界各国都给予极大的关注2）激光检测技术的背景激光检测技术是指利用激光的精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优异特性，将它作为探测激发光，配以相应的光电元件来实现物理量或化学属性的测定检验通过使用激光检测技术，物理量的测量，如位移、温度、压力、速度、折射率等，不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行非接触式的测量除了物理量的检测，利用光与物质的相互作用，激光检测技术开始在物质化学属性的检测领域得到新的应用由于激光检测物质具有灵敏度高、准确度好，分析速度快的特点，给样品检测领域开拓了崭新的应用前景3）样品分析技术的背景 样品分析技术是指为评价样品，对其特定成分和含量进行分析鉴定的技术和方法样品有多种分类方法，按形态划分，可以分为气态样品、液态样品、固态样品等；按领域划分，可以分为工业样品、食物样品、生物样品、环境样品等；不同形态的样品，采样、前处理和检测分析方法也各不相同传统的样品检测分析方法有：分子光谱(紫外可见分光光度法、荧光光度法、化学发光等)；色谱(GC、LC、HPLC、IC等)；原子光谱(AAS、AFS、AES或ICP-AES等)；电化学分析(电位分析、传感器、库仑分析、极谱、溶出伏安法等)；GC、LC、ICP与MS联用，FI、SI与光度法、化学发光、原子光谱等联用技术。
（4）本项目的立项背景本项目将搭建一套太赫兹时域光谱系统，利用此系统提供的太赫兹激光检测生物大分子（如蛋白质、DNA基因等）的特性，并开展环境、药物等生物样品的鉴定与分析本项目将基于学校的凝聚态物理重中之重学科，发挥以凝聚态物理为主，原子分子物理、光学、生物等各学科交叉的优势该学科初步形成了软物质和生物大分子结构研究，生物单分子的检测与操纵，生物大分子的太赫兹光谱诊断与应用等主要研究方向，取得了一系列重要结果，多项成果获得了各级政府的奖励，这为深入开展生物大分子的太赫兹光谱诊断与应用打下了良好的基础本项目有望在温州地区建立起太赫兹生物分子诊断技术，从而极大推动分子生物学的发展，并进行太赫兹在环境、医疗及药品的研制鉴定方面的应用研究1.2 立项意义近年来，太赫兹辐射被广泛运用在诸多领域，所研究的问题涉及到化学，物理，医学和材料科学等与此同时，适合使用太赫兹辐射的实验设备也得到广泛、快速的发展，并取得了重要的成果2011年11月，温州已获准科技部关于中国(温州)激光与光电产业集群建设项目，光电检测作为该产业集群优先发展的开发项目之一，这为太赫兹检测及应用开启了一个新的契机在此形势下，本课题将结合太赫兹激光检测技术与本单位凝聚态物理重点学科的优势，开展对生物大分子（如DNA基因、蛋白质等）特性的研究，建立起温州地区的太赫兹生物分子诊断技术，并在环境、医疗及药品的研制鉴定方面进行应用研究。
太赫兹辐射在生物断层成像、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查、材料的性质研究、以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战可以预料，太赫兹技术将是本世纪重大的新兴科学技术领域之一为了加强社会对样品的检测能力，特别是环境、药物等生物样品的检测能力，迫切需要发展一种快速、简便、经济的生物样品检测仪器和方法基于太赫兹激光检测技术的样品检测系统有着诸多突出的优点，与传统的接触式测量方法相比，具有远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输等特点，而且激光检测技术所具有的优越性特别适合现场快速测定的需要，并向着小型、简便、自动、、遥测的方向发展样品检测也正从一般意义上的实验室分析检测开始向现场监测过渡因此，激光检测和分析技术已经引起了各个国家的高度重视目前，高水平的激光检测技术及设备由日美和欧盟等发达国家掌握，由于其在生物、医疗、通讯、地面和空间技术、制造业，特别是国防上的巨大应用前景，国外对中国一直实行技术封锁和保密如果只是从国外购买相关先进设备，会受到诸多限制，更会永远落后于别人，不利于我国制造工业的发展。
联系国家中长期科学和技术发展规划，高端的激光检测技术应作为国家重点攻关方向之一特别是太赫兹生物分子诊断技术，已被广泛地应用于分子构象研究、基因鉴定和同质异构体鉴别等方面实践证明太赫兹时域光谱技术是很有发展前途的，如果把这个技术和理论分析相结合，那么在基础生物科学、医学和军事防御方面都会有很重要的应用因此，太赫兹光谱技术在分析和研究大分子尤其是DNA 聚合物内部低频振动方面有非常广阔的应用前景本项目的研究成果将有助于在温州地区建立起太赫兹生物分子诊断技术，在环境、医疗及药品的研制鉴定方面有着极大的应用前景；有助于生物样品检测手段的智能化和快速化，实现环境样品和药物样品的标准科学检测，推进温州地区生物样品检测行业的科学健康发展开发的检测技术和仪器设备同样具有广阔的应用前景和经济价值，就国内目前的情况而言，很少有此方面的应用开发，但市场前景却非常巨大，除企业自身的样品检测需求外，仅国家县级行政部门如环保局、药检局、质检局等对于环境、药品等生物样品的检测需求就有很多今后可通过相关课题的重大科技专项，仪器开发，科技成果转化及产业化项目等与政府、科研部门和企业合作，继续开展深入研究，推动技术和产品的产业化。
2、国内外研究现状和发展趋势太赫兹成像和太赫兹波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有着极其重要的应用例如（1）太赫兹在生物医学上的应用具有很大的吸引力，在皮肤癌的诊断和治疗，DNA的探测，太赫兹断层成像，太赫兹生物化学应用，药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效；（2）由于生物大分子的振动和转动频率均在太赫兹波段，而太赫兹辐射技术又可提取DNA的重要信息，因此，太赫兹在植物，特别是粮食选种，优良菌种的选择等方面可以起重要的作用；（3）太赫兹辐射可以穿透烟雾，又可检测出有毒或有害分子，所以在环境监测和保护方面可以发挥重要作用，据报道，太赫兹环境监控设备（利用CO2激光作为泵源产生的2.5THz)已安装在美国卫星上；（4）太赫兹在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势利用太赫兹可以穿透物质的特性，英国首先研制了太赫兹摄像机并且已在机场安全检查方面进行试用，效果很好此外，利用太赫兹波谱可以快速、有效的检查和识别毒品，美国已开展用太赫兹谱技术检查邮件等项目，包括太赫兹化学和生物制品的检测由于太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的学术和应用价值，使得全世界各国都给予极大的关注，美国、欧洲和日本尤为重视。
在美国有数十所大学都在从事太赫兹的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，都在开展太赫兹科学技术的研究工作美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开始对太赫兹科技研究进行大规模的投入英国的卢瑟福（Rutherford）国家实验室，剑桥大学、里兹大学、斯特拉斯克莱德大学（Strathclyde）等十几所大学，德国的若干所大学，都积极开展太赫兹研究工作欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目在俄国国家科学院专门设立了一个太赫兹研究计划可见，目前已经在全世界范围内形成了一个太赫兹技术研究高潮国家科技部、自然科学基金委、中科院也对太赫兹研究给予了高度的关注，先后在973计划、基础研究重大项目前期研究专项、基金委重大项目做了相关项目的安排因此，专家一致建议政府有关部门进一步重视和大力支持太赫兹领域的科学研究，以使我国的太赫兹研究跻身国际前列建议重点支持的具体领域主要包括： 1、太赫兹基础物理研究； 2、半导体太赫兹辐射源和探测器的研究；3、太赫兹辐射在物质中传播规律研究；4、太赫兹无源器件的研究；5、发展太赫兹辐射在物理、材料、生命科学以及通讯等领域的应用研究。
3、研究开发内容和技术关键3.1 研究开发内容本项目的主要开发内容是搭建一套太赫兹时域光谱系统（Time－Domain Spectrometer，TDS），并基于该系统开展太赫兹检测技术的应用研究：开展生物大分子（如DNA基因、蛋白质等）的诊断与分析，并进行太赫兹在环境、医疗及药品的研制鉴定方面的应用研究1）太赫兹激光系统的搭建我们首先将搭建一套太赫兹时域光谱检测系统(如图1所示)，根据激光扫描检测原理而研制当太赫兹激光对被测样品进行扫描时，在光学系统给定的有效扫描区域内，被测样品对扫描太赫兹光谱起到光强调制的作用，产生一光谱调制信号，这一光谱调制信号携带被测量样品的有关特征信息，接收器通过光电变换将这一光信号变成电信号，再经过电子学系统和微机实时处理，就可以得到测量结果该检测仪主要由以下几部分组成：①太赫兹激光产生器，由780nm飞秒激光泵浦GaAs晶体产生；②由接收光学系统和光电转换电子学系统构成的激光扫描接收器；③以单片机为核心的实时控制与数据处理系统构成的控制器整个仪器是一个涉及激光、光学工程、精密机械、电子学、自动控制和计算机等多学科技术的现代光电检测仪器图1、太赫兹系统框图（2）样品检测功能的开发基于该系统，我们将开展生物大分子（如DNA基因、蛋白质等）的诊断与分析，并进行太赫兹在环境、医疗及药品的研制鉴定方面的应用研究。
目前社会上比较成熟的激光检测技术主要是针对样品的物理特性检测，包括浓度、温度、压力、颗粒分布等，可利用光的干涉、衍射、透射等原理进行检测本项目主要是针对生物样品的化学属性进行检测，包括特殊成分和含量的检测对比，利用了光与物质的相互作用引起光信号的变化，特别是有机功能团的选择性光谱吸收效应等现象来分析判断样品的化学属性检测方法主要是通过向待测样品发射太赫兹激光，根据透过待测样品的太赫兹光的频谱和强度信息来获取待测样品中的成分及其含量该检测系统除了用于诊断生物大分子（如DNA基因、蛋白质等）特性外，还可用于检测环境样品和药物样品中的有机物、微生物、农药残留等样品分析方法主要是通过对比待测样品和标准样品的信息，来鉴别待测样品的化学属性样品信息主要来自光谱分析、共振分析和旋光分析，通过分析其特征峰、吸收峰等形状和强。