太赫兹光谱技术在生物医学领域的应用：信噪比提升相关的综述

标题 | 太赫兹光谱技术在生物医学领域的应用：信噪比提升相关的综述

Terahertz spectroscopy in biomedical field: a review on signal-to-noise ratio improvement

作者 | 彭艳，施辰君，朱亦鸣，顾敏，庄松林

Yan Peng, Chenjun Shi, Yiming Zhu, Min Gu & Songlin Zhuang

ISSN: 2662-1991 (electronic)

导读

本文从样本前处理、数据分析、太赫兹系统三个方面着手，详细分析研究了生物医学检测中太赫兹信噪比改善的相关工作，概括各方法的优缺点和可改进方向，为后续太赫兹技术在生物医学领域中的应用做出总结和展望。

研究背景

太赫兹光谱技术在定性和定量鉴定生物医学领域的关键物质方面具有巨大潜力，但是由于生物样品中物质成分众多和水分干扰等因素，导致目标物质吸收峰的信噪比过小而难以识别，目前未能真正进入临床应用。为此，我们总结了目前在生物医学方面太赫兹信噪比改善的相关工作。

技术突破

如下图所示，本综述从三个角度介绍了目前太赫兹信噪比提升的工作，分别是样品处理、数据分析和系统优化。在样品处理中，主要使用三种方法：衰减全反射(ATR)光谱技术，超材料和不同试剂。这些工作提高了测试过程中的灵敏度，以此提升信噪比。在数据分析中，主要使用了各种降噪和重构算法，提取出光谱数据中的有效信息，以此提升信噪比。在系统优化中，主要增强了太赫兹源的能量或太赫兹检测器的敏感度，以此直接提升测试时的信噪比。

图1 不同提高太赫兹信号信噪比的方法

Figure1 Different methods to improve the SNR of THz signal

综述

本综述分别从三个方面总结研究了生物医学检测中太赫兹信噪比改善的系列工作，其优缺点分别如下所示：

一、样本处理：

ATR光谱对少量样品敏感，但不能特异性地增强目标物质的共振。共振频率固定的超材料可以反映总介电常数的变化，只能用于定量分析，而共振频率可调的超材料可以用于获得样品的光谱进行定性和定量分析，但光谱频率范围受材料限制。不同试剂可用于不同物质的信号增强，但会导致样品污染。二、数据分析：

算法可以从光谱数据中提取有效信息，但是在处理过程中也会丢失一些有用的信息。三、系统优化：

系统优化是增强THz信号的最直接方法，但是总体的增强仍使目标物质的信号被其他物质的信号淹没。

主要作者介绍

彭滟，教授，博导，上海理工大学光电学院，国家优青，国家重点研发计划负责人，上海市东方学者，青年拔尖、启明星、曙光学者。主要研究方向为太赫兹生物医学检测。

朱亦鸣，教授，博导，上海理工大学光电学院，国家万人计划“中青年科技创新领军人才”，国家百千万人才，青年长江学者，国家自然基金委优秀青年科学基金，国务院特殊津贴获得者。

本文出处

Peng, Y., Shi, C., Zhu, Y. et al. Terahertz spectroscopy in biomedical field: a review on signal-to-noise ratio improvement. PhotoniX 1, 12 (2020).

网址：太赫兹光谱技术在生物医学领域的应用：信噪比提升相关的综述 http://www.mxgxt.com/news/view/967912

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