1 上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
3 上海交通大学医学院附属瑞金医院心内科，上海 200025
华法林钠是肺栓塞治疗中最常用的口服抗凝药。为制定个性化给药方案，急需建立快速、经济、准确的定量检测技术。利用太赫兹（THz）光谱的分子指纹识别特性，建立华法林钠快速定性定量分析方法。首先，通过实验获得华法林钠THz特征吸收谱，结合密度泛函理论量化计算，明确该药物在10~16 THz内的分子运动模式，从分子基团层面建立定性识别方法。接着，对不同浓度的华法林钠水溶液进行THz检测，分析THz特征峰峰高和峰下面积与药物浓度之间的相关性，建立了双指标的华法林钠定量检测方法。最低检测限达到0.01 nmol/mL，低于人的血浆中的华法林浓度，检测耗时小于10 min。所提方法为华法林钠定量检测提供了一种快速、准确的新技术，有助于推动华法林钠血药浓度监测技术的发展。
医用光学 华法林钠 太赫兹光谱 定性检测 定量检测 密度泛函理论
Author Affiliations
Abstract
1 Terahertz Technology Innovation Research Institute, Terahertz Spectrum and Imaging Technology Cooperative Innovation Center, Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
3 Tera Aurora Electro-optics Technology Co., Ltd., Shanghai 200093, China
4 Shanghai Institute of Intelligent Science and Technology, Tongji University, Shanghai 200092, China
This work presents a brief review of our recent research on an antiresonant mechanism named core antiresonant reflection (CARR), which leads to a broadband terahertz (THz) spectrum output with periodic dips at resonant frequencies after its transmission along a hollow-core tubular structure (e.g., a paper tube). The CARR theory relies only on parameters of the tube core (e.g., the inner diameter) rather than the cladding, thus being distinct from existing principles such as the traditional antiresonant reflection inside optical waveguides (ARROWs). We demonstrate that diverse tubular structures, including cylindrical, polyhedral, spiral, meshy, and notched hollow tubes with either transparent or opaque cladding materials, as well as a thick-walled hole, could indeed become CARR-type resonators. Based on this CARR effect, we also perform various applications, such as pressure sensing with paper-folded THz cavities, force/magnetism-driven chiral polarization modulations, and single-pulse measurements of the angular dispersion of THz beams. In future studies, the proposed CARR method promises to support breakthroughs in multiple fields by means of being extended to more kinds of tubular entities for enhancing their interactions with light waves in an antiresonance manner.
antiresonance core cladding tubular structure application Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 110005
1 上海理工大学太赫兹技术创新研究院，上海 200093
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性，其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域，本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输，即“太赫兹波空间强束缚效应”，并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型，为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心，综述了本课题组近年来的一系列研究工作，包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等，并对未来的工作进行了展望。
中国激光
2023, 50(17): 1714010
上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
以治疗血栓的新型药物拜瑞妥为例，利用远红外光谱，实现了药物快速准确的定量分析。首先，基于密度泛函理论进行理论仿真，分析了拜瑞妥基团结构的振动模式，预测其在0~100 cm-1波数范围内存在多种共振吸收。接着，利用远红外光谱仪对拜瑞妥进行检测，获得了与理论仿真结果高度一致的实验谱图，明确了拜瑞妥在远红外频段的特征吸收峰。最后，对不同质量拜瑞妥样品进行了测试，研究了拜瑞妥的特征吸收峰强度与其质量之间的线性关系，以多个特征峰为指标进行联合分析，实现了拜瑞妥药物含量的快速定量分析。研究结果有助于推动相关抗血栓药物的快速检测手段的发展。
医用光学 远红外光谱 拜瑞妥 定量检测 密度泛函理论 中国激光
2023, 50(15): 1507207
1 上海理工大学 太赫兹技术创新研究院，上海市现代光学系统重点实验室，光学仪器与系统教育部工程中心，太赫兹光谱与影像技术协同创新中心，上海 200093
2 上海大学 理学院 物理系，上海 200444
太赫兹科学技术在光谱、成像、传感、生物医药、安全检测等方面展现出了巨大的应用潜力和价值。基于新材料和新机理，研发高效、超宽带和低成本的太赫兹光子学器件是太赫兹科学技术的重要挑战。近年来的研究表明，太赫兹光子学和超快自旋电子学深度交叉，获得了很大的关注。本文对超快太赫兹自旋光电子学所研究的物理机理和器件设计应用进行讨论。在物理机理研究方面，阐明了太赫兹脉冲为研究超快自旋电子学提供强大工具，实现了太赫兹驱动自旋波，探测自旋输运和超快磁测量。在器件设计与应用方面，介绍了基于自旋的新型太赫兹光子学器件，包括自旋太赫兹辐射源的优化方法，自旋太赫兹调制器的工作原理，自旋太赫兹探测器的设计方案。超快太赫兹自旋光电子学不仅有助于人们理解宏观自旋电子学现象背后的微观物理机制，而且有望实现高效的太赫兹光子学器件和光谱学应用。
太赫兹 自旋电子学 超快光谱 太赫兹产生和调控 Terahertz Spintronics Ultrafast spectroscopy Terahertz generation and modulation
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
太赫兹波的指纹光谱特性使其对生物分子具有良好的识别能力。然而,传统压片方法对应太赫兹技术的最低检测限为毫克量级,不能满足生物医学领域低浓度检测(微克及以下)的应用需求。为此,以7-甲基鸟嘌呤为例,基于电容电感效应,设计了一款增强太赫兹检测灵敏度的超材料芯片。其最小检测限度可达6.30 μg,约为传统压片法测得的2.95 mg的1/500,具有灵敏度高、无需标记、响应快、测量简单等优点。而且,当7-甲基鸟嘌呤物质和其他物质混合在一起,在芯片上会表现出不同的频移变化规律,既可以有效地实现定性区分,也可以利用芯片的高检测灵敏度从混合物中定量检测相关物质。这些结果为临床医学中分子甲基化相关疾病的快速准确诊断提供了重要参考价值。
太赫兹技术 超材料芯片 混合物定量检测 7-甲基鸟嘌呤 中国激光
2021, 48(23): 2314001
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
太赫兹波因其指纹谱识别和无损探测等特性可被应用于物质的快速定性与定量识别。现阶段太赫兹技术方法对物质含量检测的下限在毫克量级，然而实际生物医学样本中待测物的浓度通常在微克量级甚至以下，现有方法限制了其检测灵敏度和可行性。研究中以脑胶质瘤里的特异性物质肌醇(MI)和γ-氨基丁酸(GABA)为例，基于电容电感效应，设计了一款增强太赫兹检测灵敏度的超材料芯片。然后通过测试MI和GABA在不同浓度下的太赫兹光谱，证明其各自随着浓度的变化，芯片谐振峰频移呈现不同的规律，从而进行有效的定性识别，且对于MI和GABA的已知样品，可以根据频移规律实现定量分析。根据实验数据计算可得，所设计的芯片对这两种样品含量检测下限分别为3.457 µg和2.552 µg，与传统压片法的检测极限相比提高了三个数量级。这些结果对后期生物医学中定性和定量检测疾病的微量特异性物质具有重要参考价值。
超材料传感芯片 太赫兹 高灵敏检测 脑胶质瘤 metamaterial sensor chip terahertz high sensitivity detection brain glioma disease 红外与激光工程
2021, 50(8): 20210279
太赫兹光谱与影像技术协同创新中心,上海 200093
基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品中通常包含水在内的不同成分,进而导致光谱的信噪比较差,导致最终的光谱分析结果误差较大。对于此类问题,降噪算法和重构算法是比较有效的解决办法。这些算法通过去除光谱数据中的无效信息或提取其中的有效信息来达到提高光谱信噪比的目的,最终结合分析算法实现对生物样本的高精度定性和定量识别。本文对近五年来应用于太赫兹光谱技术中的主要算法进行了归纳介绍,并总结了它们的优势和缺点。
光谱学 太赫兹光谱技术 算法 信号降噪 数据重构 定性及定量分析
上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
基于渡越-切伦科夫辐射原理，单色飞秒激光脉冲聚焦到空气中形成等离子体进而辐射出径向偏振太赫兹波，径向偏振太赫兹波经过紧聚焦后在焦点处产生太赫兹波横向偏振分量。为了有效调控太赫兹横向分量的频率分布和振幅特性，首先，通过理论分析太赫兹横向场分量在外加电压下的分布规律，给出不同角度的外加电压对太赫兹横向场频率强度的影响。然后，采用对等离子体施加外部电场的方法，得到一个最佳的纵向电场角度产生高强度太赫兹横向偏振分量。对发展太赫兹波特性的基础研究以及太赫兹技术的应用具有重要的参考意义。
太赫兹波 横向偏振 外部电场 terahertz transverse polarized external electric field
