纳米材料调制THz波在水中传播特性的研究

太赫兹（THz）波与物质的相互作用研究是近年来迅速发展的一个前沿领域。THz波技术已经广泛的运用在生物样品探测、生物体系中结构变化测量、生物医学中无标记检测、与药物研制有关的生物分子反应监控以及皮肤癌诊断等领域。但水对THz波的强烈吸收,致使THz波在生物研究领域遭遇到了阻碍。为了抑制水对THz波的吸收，从而深入研究水分子与THz波相互作用的分子动力学过程，我们计划利用新型纳米材料MCM-41调制水对THz波的吸收。当水与一定量的MCM-41材料相互作用时，水分子将填充到材料的纳米孔洞结构中，从而使水分子排列有序，形成一种束缚水。当THz波入射到这种有序排列的水分子组成的束缚水时，其透射强度将大大提高。我们将利用THz时域频谱仪和微波电子元件测量这种特殊水的THz频谱特性，并尝试将纳米材料MCM-41引入生物蛋白，活性组织的THz研究中。

在本项目的支持下，我们实现了利用新型纳米材料MCM-41调制水对THz波的吸收。当水与一定量的MCM-41材料相互作用时，水分子将填充到材料的纳米孔洞结构中，从而使水分子排列有序，形成一种束缚水。当THz波入射到这种有序排列的水分子组成的束缚水时，其透射强度将大大提高。我们利用THz时域频谱仪和微波电子元件测量这种特殊水的THz频谱特性，并尝试将纳米材料MCM-41引入生物蛋白，活性组织的THz研究中。经过三年的研究，我们取得以下成果：.1、我们实现了利用新型的纳米材MCM-41调制水对THz波吸的目标。我们通过THz时域光谱量测手段验证了该材料能最大限度的降低水对THz波的吸收。相对于纯的液态水，其吸收明显的下降了4倍左右，远高于已公布的结果。同时，利用泵浦量测及Debye模型的理论分析，我们发现“结构水”取向弛豫时间可以低至100ps左右，而束缚水在30ps左右。.2、通过深入研究水与THz波相互作用原理，鉴于THz波对水含量的敏感性，我们利用微波电子元件在0.3THz频段设计了用于检测人体癌症组织的快速扫描近场成像仪。该成像仪具有超高空间分辨率（≈λ/4），超快成像时间（3分钟）的优点。利用该成像仪，我们分别对人体乳癌组织和肝癌组织进行了成像检测，检测结果和临床切片染色结果一致。通过大量的样品检测，我们得到的统计结果发现，该成像仪的检测正确率是100%。因此，该研究成果具有广泛的临床运用价值。