Compilation de divers articles
*Source : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004223011379
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Ce livre décrit un absorbeur actif à base de métamatériaux pour des applications potentielles en génie biomédical. La spectroscopie térahertz (THz) est un outil important pour l’imagerie dans le domaine du génie biomédical, en raison de la nature non invasive et non ionisante du rayonnement térahertz associée à ses caractéristiques de propagation dans l’eau, qui permettent à l’opérateur d’obtenir des images à contraste élevé de cancers de la peau, de brûlures, etc. sans effets néfastes. Afin d’exploiter cet énorme potentiel, il est important de construire des systèmes d’imagerie biomédicale hautement efficaces en introduisant des absorbeurs térahertz dans les détecteurs biomédicaux. Le plus grand défi rencontré dans la réalisation de cet objectif est le manque de diélectriques naturels, qui est surmonté grâce à l’utilisation de matériaux résonants artificiellement conçus, à savoir les métamatériaux. Ce livre décrit un tel absorbeur actif à base de métamatériaux. La conception a été optimisée à l’aide de l’optimisation par essaim de particules (PSO), ce qui a finalement abouti à un absorbeur térahertz actif ultra-mince. L’absorbeur présente une absorption proche de l’unité pour une plage de réglage d’application térahertz (THz).
Applications biomédicales de la spectroscopie et de l’imagerie Terahertz
Tendances en biotechnologie Journal 2016, Tendances en biotechnologie
Rayonnement de Terahertz: une technologie émergente pour la recherche biomédicale
Figure 1. La région de Terahertz (THz) et les applications du rayonnement THz. La région THz inclut typiquement des fréquences de 100 GHz à 10 THz sur le spectre électromagnétique. Convertie en d’autres unités, la région THz peut être définie comme étant de 30 um-3000 pm (longueur d’onde) ou de 3,33 cm −1’1’3’c////////// Des approches de génération THz en électronique et en photonique ont été développées avec succès pour explorer ce que l’on appelle le «écart THz», y compris la surconversion des sources radiofréquences électroniques et la conversion à la baisse des sources optiques. La technologie THz a été exploitée pour détecter divers biomatériaux, illustrés par des acides nucléiques, des protéines, des cellules et des tissus.
Le rayonnement THz fait généralement référence à la bande de fréquences s’étendant sur 0,1 à 10 THz, qui se trouve entre les régions hyperfréquences et infrarouges du spectre électromagnétique (figure 1). En raison de l’absence de sources et de détecteurs efficaces, cet «écart THz» entre l’électronique et la photonique est resté inexploré jusqu’à ce que les progrès de la physique au cours des années 1980. Plus précisément, le développement rapide de lasers ultrarapides a contribué à l’établissement d’une spectroscopie moderne dans le domaine temporel térahertz (THz-TDS), qui a été largement utilisée dans des applications telles que l’astronomie, la microélectronique et la science biomédicale.
Enthousiasmé par les vibrations moléculaires basse fréquence des domaines intra/intermoléculaires reliés par des interactions faibles et liées à la conformation, y compris les liaisons hydrogène, les van der Waals et les interactions non-liées (hydrophobes), le rayonnement THz a des propriétés uniques qui sont bien adaptées à la recherche biomédicale (encadré 2)[2]. Selon la méthode de détection et de traitement du signal sous-jacente, les technologies THz peuvent être classées en deux catégories: la spectroscopie THz et l’imagerie THz. Bien qu’une étude récente ait résumé plusieurs applications macroscopiques et moléculaires clés [3, une revue plus complète et critique est présentée ici, illustrant des potentielles.
Caractéristiques attrayantes du rayonnement THz pour la recherche biomédicale
Empreinte spectrale
L’énergie de photon de l’onde THz correspond largement à des niveaux d’énergie correspondent à des mouvements à basse fréquence, tels que la vibration, la rotation et la translation du squelette moléculaire. Ces mouvements spécifiques à la molécule identifient les biomolécules en mesurant leurs signatures spectrales caractéristiques dans la gamme THz.
Transparence des matériaux comprenant des molécules non polaires
Des matériaux tels que le papier et le plastique, opaques aux ondes visibles et proches de l’infrarouge, peuvent être transparents dans la gamme THz. Cette propriété permet la détection de substances dangereuses sans ouverture d’emballages car le rayonnement THz peut facilement pénétrer des matériaux d’emballage communs.
Forte absorption par eau
Les molécules polaires, telles que l’eau, présentent une forte absorption dans l’intervalle THz. En effet, le coefficient d’absorption de l’eau THz à 1 THz est d’environ 220 cm -1 à température ambiante, dépassant celui des biomolécules courantes. Les tissus normaux et les tissus cancéreux peuvent être différenciés avec précision parce que leur teneur en eau est différente. De plus, le rayonnement THz a le potentiel d’évaluer rapidement l’état vivant des bactéries (vivantes ou mortes) en fonction de leurs différents niveaux d’hydratation.
Excellente résolution du temps et de l’espace
Le rayonnement THz interroge les caractéristiques de fréquence avec une résolution spatiale de plusieurs micromètres selon des modalités spectroscopiques proches du champ et révèle une dynamique résolue dans le temps sur les échelles de temps subpicoseconde à picoseconde. Ainsi, la spectroscopie THz permet des études résolues dans le temps des modes de vibration collective des biomolécules en solution avec une capacité de détection sans précédent.
Propriétés non invasives et non ionisants
Les photons à faible énergie du rayonnement THz (c’est-à-dire de 1 à 10 meV) le rendent adapté à l’imagerie médicale car la modalité d’imagerie non invasive peut être appliquée pour un diagnostic en temps réel in vivo sans causer de dommages à l’ionisation, contrairement aux rayons X. Par ailleurs, les longueurs d’onde THz sont plus longues que la lumière infrarouge et visible, et les pertes de diffusion dans les tissus biologiques sont négligeables.
Imagerie Terahertz
Deux types d’invisibilité
Le fait de regarder le monde à l’aide de térahertz fournit des informations nouvelles et uniques. Cela ne devrait pas être surprenant; de la même manière que le développement des rayons X a ouvert une nouvelle fenêtre sur le monde il y a un siècle, donc aujourd’hui est l’instrumentation térahertz aujourd’hui.
Le rayonnement est transmis par des plastiques et des matériaux organiques similaires. Il est donc idéal pour l’inspection des emballages en plastique, en papier ou en carton pour révéler le contenu de manière non destructive. Un exemple est donné dans Fig. 1. Ici, l’image térahertz du haut du stylo en sursqueur révèle la structure interne du couvercle du stylo et de la plume à l’intérieur de l’encre.
Le rayonnement de Terahertz est absorbé par l’eau. Cela suggère de nombreuses applications dans les domaines de la chimie de l’eau, de la biologie, de l’agriculture et de la médecine. Un exemple est donné dans Fig. 2. Ici, l’eau a été placée dans l’une des bulles d’une feuille d’emballage à bulles à l’aide d’une seringue. L’eau n’est pas visible sur la photo visible, mais évidente dans l’image térahertz.
Travaux de référence 2017, Encyclopédie de la spectroscopie et de la spectrométrie (troisième édition) R.A. Lewis
Dynamique respirante de l’ADN en présence d’un champ de térahertz
* Source : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0375960110000125
Résumé
Nous considérons l’influence d’un champ de térahertz sur la dynamique respirante de l’ADN double brin. Nous modélisons la formation spontanée d’ouvertures localisées spatialement d’une chaîne d’ADN amortie et entraînée, et nous constatons que les instabilités linéaires conduisent à la dimérisation dynamique, tandis que les vraies séparations de brins locaux nécessitent un mécanisme d’amplitude seuil. Sur la base de nos résultats, nous soutenons qu’une exposition spécifique aux rayonnements térahertz peut affecter de manière significative la dynamique naturelle de l’ADN, et ainsi influencer les processus moléculaires complexes impliqués dans l’expression génique et la réplication de l’ADN.
