Straling op terahertz-frequenties (golflengten tussen 0,03 en 0,3 mm) kan met succes worden gebruikt om de structurele dynamiek van water en biomoleculen te analyseren. Maar het toepassen van de techniek op waterige oplossingen en weefsels blijft een uitdaging, omdat terahertz (THz) straling sterk wordt geabsorbeerd door water. Hoewel deze absorptie bepaalde analyses mogelijk maakt, zoals de structuur van water en zijn interacties met biologische opgeloste stoffen, het beperkt de dikte van de monsters die kunnen worden geanalyseerd, en het overstemt zwakkere signalen van interessante biomoleculen. Sterke absorptie van THz-straling in water heeft een knelpunt opgeleverd om te voorkomen dat THz-straling biofysische en biochemische processen diep in weefsels onthult.

Om deze beperkingen te overwinnen, een onderzoeksteam onder leiding van Zhen Tian en Jiao Li aan de Tianjin University heeft onlangs een methode ontwikkeld voor het analyseren van waterrijke monsters via THz-opto-akoestiek in het tijdsdomein. Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , het nieuwe systeem maakt THz opto-akoestische detectie van waterrijke monsters mogelijk, zoals waterige oplossingen en weefsels. Het opto-akoestische signaal van water kan worden gedempt door de temperatuur te wijzigen om de gevoelige detectie van andere moleculen van belang mogelijk te maken.

Waterdetectie en -demping op basis van THz-opto-akoestiek

De gedemonstreerde THz-opto-akoestiek in het tijdsdomein is een doorbraak die nauwkeurige en niet-destructieve detectie mogelijk maakt van opto-akoestische signalen in waterrijke monsters met een dikte van meer dan 104, variërend van microns tot centimeters (102 keer groter dan traditionele THz-detectiemethoden zoals THz-tijddomeinspectroscopie). Het team heeft met succes de opto-akoestische THz-signalen van het tijddomein verkregen uit water in verschillende monsters van agar-in-water-fantomen, biologische weefsels, en waterige oplossingen met verschillende opgeloste stoffen.

Door de temperatuur aan te passen om het THz opto-akoestische signaal van water te veranderen, ze verbeterden de gevoeligheid waarmee het kan worden geanalyseerd. Omgekeerd, het signaal van water kan worden verminderd of zelfs gedempt.

De biomedische voordelen zijn duidelijk. Volgens de auteurs is "Door THz opto-akoestische signalen van een waterige achtergrond te manipuleren, we kunnen een uniek verbeterde gevoeligheid bereiken voor labelvrije kwantificering van ionen, in concentraties die de niveaus in het menselijk lichaam bereiken." De gerapporteerde methode bereikt een orde van grootte grotere gevoeligheid dan in de handel verkrijgbare THz-spectroscopiesystemen.

Krachtig hulpmiddel voor spectroscopie

De auteurs merken op dat deze nieuwe THz opto-akoestische methode kan worden uitgebreid tot de studie van andere biologische moleculen en weefsels, zoals suikers, eiwitten, DNA, en RNA. Aanvullende temperatuur- en concentratieparameters met betrekking tot zowel THz-absorptie als ultrasone voortplanting kunnen worden geleverd door THz-opto-akoestiek in het tijdsdomein, mogelijk bijdragen aan studies van biologische en chemische eigenschappen, zoals het hydratatiegetal van ionenoplossingen.

Een krachtig nieuw hulpmiddel voor spectroscopie, THz opto-akoestiek opent mogelijkheden voor het in beeld brengen van waterige oplossingen en weefsels om moleculaire interacties en biochemische processen te onderzoeken. Zhen Tian zegt, "We streven ernaar om langetermijnonderzoek naar THz-spectroscopie en beeldvorming te inspireren om de biofysische, structureel, en functionele inzichten die niet verkregen kunnen worden met straling van andere frequenties."

Lees het open access onderzoeksartikel van Jiao Li et al, "Terahertz-opto-akoestiek in het tijdsdomein:manipuleerbare waterdetectie en -demping."