基于超表面太赫兹传感技术的细胞原位表征及辐照效应研究

作     者：单连鑫 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙怡雯

授予年度：2022年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

主      题：太赫兹时域光谱 超表面生物传感器 原位表征 太赫兹辐射 生物效应 

摘      要：太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）拥有高效、无标记、非电离以及频谱信息丰富等独特优点,在医学生物学领域拥有广阔的应用前景和需求。太赫兹超表面是一种将亚波长尺寸谐振单元周期性排列的人工电磁材料,经特殊设计后可对太赫兹波强烈响应,并对含水量丰富的生物样品具有更强的包容性,该技术也为太赫兹生物医学检测领域提供了新的发展思路;同时,随着高性能太赫兹源的研发和运用,高功率太赫兹波的生物安全性问题也在逐渐引起人们的高度重视,迫切需要对太赫兹辐射的安全剂量和损伤阈值建立有效性、系统性的评估方法。基于此,本文将围绕以上两个问题进行探索,研究内容和结果如下:基于氧化铟锡（ITO）超表面生物传感器设计及检测平台搭建。这是后续开展细胞原位表征实验的基础,将主要完成光学参数推导、数据处理软件编写、传感器参数设计制作和仿真。为了提取准确的光学参数,降低因不同界面反射太赫兹信号引起的时域谱混叠干扰,以及环境波动和系统稳定性下降的影响,提出了包括校正相移、去除基底信号和校正共振峰峰值漂移等完整的数据处理方法。并通过仿真软件COMSOL优化传感器几何参数,研究传感器如何对表面介质进行响应。利用ITO超表面太赫兹传感技术对不同细胞密度以及盐酸阿霉素（DOX）治疗后的Hela细胞层进行原位光谱表征,并建立一个稳定、有效的Hela细胞药物治疗模型,最大程度提升太赫兹波对细胞状态光谱表征的准确率。对不同密度细胞引起的共振峰幅值变化和频移进行评估,实验发现ITO超表面生物传感器对表面介电损耗更为敏感,共振峰幅值变化程度是传统石英器皿表面细胞太赫兹检测结果的5.6倍。定量分析得到细胞密度与峰值变化量关系的线性拟合结果较好,R=0.993。此外,经5μg/m L的DOX孵育4 h的Hela细胞在0-12 h药物抑制率可逐步达到73.6%。利用ITO超表面生物传感器可实现经药物治疗后Hela细胞不同检测时间点的共振峰峰值显著区分,其变化量是对照组的2.4倍。证实了ITO超表面太赫兹检测技术的有效性。再者,ITO超表面拥有可见光的高透明特性、较好的生物相容性和耐用性高等优点,为太赫兹检测与其他细胞实验的联合运用提供了极大的便利。在场强为100 k V/cm的太赫兹脉冲辐照Hela细胞的实验中发现,辐照1 min未对细胞产生显著影响,但经过辐照10 min和30 min的Hela细胞,会在一定程度降低细胞线粒体膜电位水平,分别降低至对照组的0.60±0.12倍（p0.05）和0.55±0.06倍（p0.01）;同时,细胞内游离Ca浓度上升,分别上升至对照组的1.62±0.12倍（p0.05）和2.99±0.35倍（p0.001）。证实高功率太赫兹波辐照会对Hela细胞产生一定的损伤。综上所述,本课题成功实现了基于ITO超表面太赫兹传感技术的活细胞原位表征,完成了高功率太赫兹辐照对Hela细胞生物效应的初步探究,为体外细胞及组织实验的太赫兹检测技术提供了新的研究思路。