La radiazione a frequenze terahertz (lunghezze d'onda comprese tra 0,03 e 0,3 mm) può essere utilizzata con successo per analizzare la dinamica strutturale dell'acqua e delle biomolecole. Ma l'applicazione della tecnica a soluzioni acquose e tessuti rimane impegnativa, poiché la radiazione terahertz (THz) è fortemente assorbita dall'acqua. Mentre questo assorbimento consente alcune analisi, come la struttura dell'acqua e le sue interazioni con i soluti biologici, limita lo spessore dei campioni che possono essere analizzati, e annega i segnali più deboli dalle biomolecole di interesse. Il forte assorbimento delle radiazioni THz nell'acqua ha presentato un collo di bottiglia che impedisce alle radiazioni THz di rivelare processi biofisici e biochimici in profondità all'interno dei tessuti.

Per superare questi limiti, un gruppo di ricerca guidato da Zhen Tian e Jiao Li dell'Università di Tianjin ha recentemente sviluppato un metodo per analizzare campioni ricchi di acqua tramite optoacustica THz nel dominio del tempo. Come riportato in Fotonica avanzata , il nuovo sistema consente il rilevamento optoacustico THz nel dominio del tempo di campioni ricchi di acqua, come soluzioni acquose e tessuti. Il segnale optoacustico dell'acqua può essere smorzato alterando la temperatura per consentire il rilevamento sensibile di altre molecole di interesse.

Rilevamento e smorzamento dell'acqua basati su optoacustica THz

L'optoacustica THz nel dominio del tempo dimostrata è una svolta che consente il rilevamento preciso e non distruttivo dei segnali optoacustici in campioni ricchi di acqua su uno spessore di 104 volte, che vanno da micron a centimetri (102 volte più grandi dei tradizionali metodi di rilevamento THz come la spettroscopia nel dominio del tempo THz). Il team ha ottenuto con successo i segnali optoacustici THz nel dominio del tempo dall'acqua in diversi campioni di fantasmi di agar in acqua, bio-tessuti, e soluzioni acquose con diversi soluti.

Regolando la temperatura per alterare il segnale optoacustico THz dell'acqua, hanno migliorato la sensibilità con cui può essere analizzato. Al contrario, il segnale dell'acqua può essere ridotto o addirittura tacitato.

I vantaggi biomedici sono evidenti. Secondo gli autori, "Maneggiando i segnali optoacustici THz di un fondo acquoso, possiamo ottenere una sensibilità straordinariamente migliorata per la quantificazione senza etichetta degli ioni, in concentrazioni che raggiungono i livelli nel corpo umano." Il metodo riportato raggiunge un ordine di grandezza maggiore di sensibilità rispetto ai sistemi di spettroscopia THz disponibili in commercio.

Potente strumento per la spettroscopia

Gli autori fanno notare che questo nuovo metodo optoacustico THz può essere esteso allo studio di altre molecole e tessuti biologici, come gli zuccheri, proteine, DNA, e RNA. Ulteriori parametri di temperatura e concentrazione relativi sia all'assorbimento THz che alla propagazione ultrasonica possono essere forniti dall'optoacustica THz nel dominio del tempo, potenzialmente contribuendo a studi di proprietà biologiche e chimiche, come il numero di idratazione delle soluzioni ioniche.

Un nuovo potente strumento per la spettroscopia, L'optoacustica THz apre possibilità per l'imaging di soluzioni acquose e tessuti per studiare le interazioni molecolari ei processi biochimici. Zhen Tian dice, "Miriamo a ispirare la ricerca a lungo termine nella spettroscopia THz e nell'imaging al fine di sfruttare il biofisico, strutturale, e intuizioni funzionali che non possono essere ottenute utilizzando radiazioni di altre frequenze."

Leggi l'articolo di ricerca ad accesso aperto di Jiao Li et al, "Optoacustica terahertz nel dominio del tempo:rilevamento e smorzamento dell'acqua manipolabili".