太赫兹光谱技术的生物医学应用_彭滟,吴旭,金钻明,邵咏妮_9787118140958

本书立足太赫兹技术的频谱特性优势，深入探讨其在生物医药领域的创新应用。内容架构采用理论-方法-技术-应用的递进式逻辑展开，主要包括几个方面:首先，在太赫兹基础理论方面，解析了太赫兹波的产生与探测原理，并详细比较透射式、反射式等光谱系统的工作机制;其次，在生物样品处理方面，梳理了固态、液态及气态生物样本各自的制备方案与标准化流程;在光谱数据解析方面，分析了从量子化学计算到光谱校正技术、再到定性定量分析模型及混合物解析算法的完整流程;在光谱检测辅助技术方面，重点介绍了超材料传感增强技术、近场超分辨技术、微流控技术、纳米颗粒增强技术以及衰减全反射技术;最后，通过疾病标志物检测、药物成分分析和重金属离子污染监测等典型应用场景，展现该技术的实际价值与发展趋势。

本书既可作为太赫兹技术与生物医学交叉领域的科研人员参考书，也可作

为光学工程、生物医学工程等专业的高年级本科生及研究生教材。

序

太赫兹（Terahertz，THz）波是指频率在 0.1 ~ 10THz（波长为 3000 ~ 30m）范围内的电磁波。它处于电子学和光子学之间的特殊频段，也是宏观经典理论向量子理论跨越的界面，因而被称为电磁波谱的太赫兹空隙。由于能够覆盖半导体、等离子体、生物大分子等物质的特征谱，太赫兹技术在深化人类对物理、化学、生命科学等基本问题的认知方面，展现出其不可替代的科学价值，被誉为改变未来世界的十大技术之一。

当前，太赫兹技术已成为全球科技竞争的战略制高点，在雷达探测、高速通信、公共安全、生物医学诊断以及未来的 6G 通信等领域的应用前景日益广阔，对国防安全和国民经济发展产生深远乃至颠覆性的影响。特别是在国家宏观布局下，发展太赫兹科学与技术，既是契合国家重大战略导向的主动选择，更是满足国防建设需求的必由之路。

回首过往，我国太赫兹科学与技术的研究历经了约二十年的发展历程。二十年来，广大科研工作者筚路蓝缕，从基础理论的空白起步，逐步建立起在国际上有重要影响力的研究队伍，在太赫兹波谱、成像、无损检测及与物质相互作用等领域取得了一系列具有世界水平的原创成果。如今，我国太赫兹技术正处于从实验室探索迈向工业化应用、从关键技术攻关挺进卡脖子难题破解的关键跨越时期。

在这一重要的历史节点，系统总结过去二十年发展经验，全面梳理该领域最新成果，具有深远意义。国防工业出版社策划并组织出版《太赫兹科学技术与应用丛书》，正是对这一时代呼唤的应时之举与有力担当。这套丛书堪称迄今该领域公开出版的规模最大、体系最完备的学术著作集。

这套丛书由我国太赫兹领域的领军人物首都师范大学张存林教授担任总策划与主编，北京理工大学胡伟东教授和中国电子科技集团公司第十二研究所冯进军研究员担任副主编，丛书汇聚了来自首都师范大学、北京理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、中国科学院、中国核工业集团有限公司、中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司以及中国电子科技集团有限公司等国内顶尖高校和科研院所的一线专家团队。丛书立足学科前沿，内容博约精深，系统展现最新技术成果与研究进展，以太赫兹源、探测及传输为根基，向感测与成像、超宽带雷达、通信技术、生物医学、超构器件及半导体材料等前沿方向纵深延展。其既有对基础理论的创新发展，又有对工程实践的翔实指导，不仅全景式展示了我国在太赫兹领域的突破性进展，更为后续的技术创新铺就了坚实道路。

作为一名科技工作者，我倍感欣慰地看到这样一套具有系统性、创新性和前瞻性的丛书问世。它的出版，不仅是对我国太赫兹技术发展二十年历程的厚重献礼，更将如同一座知识的灯塔，为相关领域的科研人员、工程技术人员以及高校师生提供不可或缺的案头经典与启迪创新的思想源泉。

科技创新，人才为本；国家强盛，科技先行。我衷心希望这套丛书的出版，能进一步促进太赫兹理论与实践的深度融合，鼎力助推我国在这一战略前沿领域的人才培养与技术落地，从而为我国科技自主创新能力跃升和国际影响力的拓展，做出新的、更大的时代贡献。

杨国桢

2025 年 12 月 26 日

杨国桢：中国科学院院士，中国科学院物理研究所研究员。

前言

自 20 世纪 80 年代中期超快光电子技术成功实现太赫兹波的产生和探测以来，研究人员逐渐揭示了太赫兹波独特的物理性质，如指纹光谱识别能力、低电离能、高穿透性等。这些性质使得太赫兹技术在生物分子无损检测、高分辨医学成像、药物定性与定量分析、环境因子检测等关键领域展现出巨大的潜力。太赫兹技术已被认为是推动生物医学、药学和环境科学等领域进步的重要基础和关键技术之一，并有望在未来持续促进相关领域的创新和发展，为社会的进步做出贡献。

然而，太赫兹技术从实验室阶段迈向实际生物医药应用，仍面临着多学科深度交叉融合的复杂挑战。研究者不仅需要通晓太赫兹光谱的基础理论与光学系统，还需精通生物样品处理、复杂光谱数据解析，以及多种灵敏度增强辅助技术。本书从理论和实验两个维度，系统性阐述这些支撑太赫兹生物医学检测的关键技术，力求为读者提供一套解决具体生物医学检测问题的、具有可操作性的太赫兹研究框架和方法路径。

本书共 8 章：第 1 章概述了太赫兹波的产生与探测原理，以及典型太赫兹光谱系统的工作机制与研究进展；第 2 章介绍了面向太赫兹检测的生物样品处理方法，涵盖固态、液态和气态生物样品的标准处理流程；第 3 章深入探讨了太赫兹光谱数据的解析方法，包括量子化学计算、光谱数据标准处理流程、定性识别与定量分析模型，以及基于人工智能的混合物成分分析算法等；第 4 章聚焦提升太赫兹生物检测灵敏度的辅助技术，详细介绍了超材料传感器（金属、介质），近场超分辨技术、微流控技术、纳米颗粒增强技术与衰减全反射技术的原理与应用；第 5 章～第 7 章关注太赫兹技术在生物医药领域的前沿应用，分别展示了其在疾病生物标志物分析、药物成分分析和环境污染物监测中的最新研究成果；第 8 章总结了太赫兹生物检测应用领域的主要技术挑战，并展望未来发展路径。

太赫兹技术在生物医药领域的应用研究发展迅速，新方法、新技术不断涌现。由于编著者水平有限，书中难免有疏漏与不足之处，恳请广大读者和专家学者不吝批评指正。

编著者

2025 年 4 月