综述：太赫兹技术在微生物学中的研究进展

《Biosensors》：Research Progress of Terahertz Technology in Microbiology

　　

微生物在自然界中无处不在，微生物活动与整个生命循环系统和人类生活紧密交织。开发用于微生物检测、表征和操控的新型技术，可促进其在临床、环境和工业领域的应用。在过去二十年中，太赫兹（terahertz, THz）技术已成为微生物学的一种新型光学工具。其巨大潜力源于太赫兹波的独特优势，包括对水及分子间/分子内运动的高灵敏度、非侵入性和无标记检测方案，以及其低光子能量。太赫兹波已被用作改变微生物功能的刺激手段，或作为定量测量和定性区分的传感方法。本综述特别聚焦于太赫兹技术在微生物学领域应用的最新研究进展，包括太赫兹生物效应与微生物检测应用两大部分。在本文末尾，研究人员总结了研究进展，并讨论了太赫兹技术在微生物学中当前面临的挑战及潜在的解决方案。研究人员还提出了对未来发展方向的展望。本综述旨在搭建太赫兹光子学与微生物学之间的桥梁，推动这一跨学科领域的基础研究与应用发展。

2. 太赫兹辐射暴露下对微生物的生物效应

该部分阐述太赫兹（THz）技术作为刺激手段对微生物产生的生物效应。高功率太赫兹源的快速发展是重要推动力，包括固态器件、自旋电子器件、非线性晶体、空气等离子体、量子级联激光器（QCLs）和自由电子激光器（FELs）等。太赫兹波频率与DNA和蛋白质的分子内运动相匹配，其能级对应于氢键弛豫和范德华力，可经由改变分子间相互作用而诱导非热生物效应。与哺乳动物细胞相比，微生物细胞数量多、结构简单，太赫兹波可完全穿透微生物个体，同时其独立生存和快速增殖的特性使其成为研究辐射效应的理想平台。

2.1 太赫兹辐射对微生物的影响

大肠杆菌（E. coli）是研究最广泛的模式菌株。Peltek等人利用FEL源2.3 THz（强度1400 mW/cm²）照射后，发现细胞聚集和黏附相关基因表达上调，而细胞分裂相关基因活性下降。另一项研究中，E. coli经3.1 THz连续波照射8小时后质粒拷贝数增加，进而导致红色荧光蛋白产量上升。Imashimizu等人聚焦4.0±1.0 THz FEL辐射下E. coli的RNA聚合酶活性，结果表明转录过程（包括流产性起始和暂停）受到显著影响。Ivanova等人使用0.5–18 THz宽带同步辐射源照射后，观察到细菌外膜变形、膜扰动及胞质泄漏。Bannikova等人对嗜极菌Geobacillus icigianus的研究发现，2.3 THz暴露后趋化性、肽聚糖和核黄素合成等代谢途径发生改变，其机制主要归因于铜、铁、锌稳态系统基因表达的干扰。在遗传毒性方面，Sergeeva等人及Shirato等人采用Ames试验对多种菌株进行检测，均证实太赫兹辐射不具有致突变性，也不会造成DNA损伤。此外，酵母菌在200–350 GHz辐射下于341 GHz处表现出生长速率增加；古菌中有16种蛋白的表达水平发生改变；硅藻的硅质壳（frustule）与细胞膜的分离可被亚毫米波辐射促进。多数研究报道太赫兹照射期间温升可忽略，但脉冲照射下可能产生难以实验分辨的局域非平衡热波动，需谨慎评估。

2.2 生物效应的利用

研究人员利用基因工程将启动子与报告基因（如绿色荧光蛋白GFP）连接，构建基于E. coli的太赫兹敏感生物传感器。其中pKatG-GFP可指示氧化损伤，在太赫兹辐射下GFP表达增加反映出氢过氧化物酶I表达上调。此外，copA、emrR、matA、safA、chbB和tdcR等传感器基因的启动子亦被用于研究不同代谢途径，均表现出太赫兹辐射下基因表达升高的趋势，从而实现对特定基因表达的实时原位监测。

3. 使用太赫兹波检测微生物

3.1 仪器与样品制备

太赫兹系统分为脉冲时域太赫兹系统（THz-TDS）和连续波（CW）系统。THz-TDS通过光电导天线、非线性晶体或自旋电子器件产生和探测太赫兹辐射，具有皮秒级时间分辨率、超宽带宽以及同时获取幅度和相位信息的相干探测能力。CW系统通常具有窄线宽和高输出功率，提供更好的光谱分辨率和穿透深度。测量构型包括透射和反射两种。由于水分子在太赫兹波段呈现强吸收，微生物样品通常需脱水或制备成薄膜；冻干法可在降低水吸收影响的同时较好地保持细胞结构。反射构型适用于水合状态样品，可避免样品内部的衰减影响。

3.2 微生物的太赫兹光谱与成像

由于生物大分子具有高态密度，微生物等复杂样品的分子间振荡表现为无特征连续谱。Johnson等人测量了五种芽孢杆菌菌株的中红外和远红外光谱，发现中红外波段存在特征频率但太赫兹波段无特征峰。Tang等人对芽孢杆菌孢子0.2–2.2 THz光谱的研究也表明，吸收随频率单调增加主要源于米氏散射和残余水，缺乏特征吸收峰。部分研究声称观察到E. coli和芽孢杆菌孢子的特征吸收，但这些报道与凝聚态物理理论相矛盾，可能源于驻波效应、噪声、水汽吸收或腔体振荡等伪影，需谨慎甄别。太赫兹光谱亦被用于水污染评估，研究人员使用傅里叶变换红外光谱仪（0.9–20 THz）实时定量藻类代谢物（β-胡萝卜素、虾青素和淀粉），并基于光谱数据建立模型以预测重金属离子（如Pb²⁺）浓度。

太赫兹成像主要借助散射式扫描近场光学显微镜（THz s-SNOM）实现，该技术利用原子力显微镜（AFM）的纳米尺度针尖散射太赫兹场，通过谐波解调提取近场信号，分辨率可达数十纳米。THz s-SNOM可区分形态相似的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌，并可用于金黄色葡萄球菌的抗生素敏感性测试，与传统药敏试验结果吻合且无需培养标记。远场太赫兹成像可用于与微生物活动相关的大尺寸样品检测，如板栗真菌感染、黄瓜白粉病、番茄叶霉病和马铃薯晚疫病等植物病害的诊断。

3.3 微生物的太赫兹传感

由于太赫兹波长与微米级微生物尺寸严重失配，需采用超材料（MMs）等场约束技术增强光-样品相互作用效率。超材料传感器通过共振频率红移和共振强度衰减响应微生物负载，品质因数（Q-factor）和灵敏度是评估性能的关键参数，检测限（LOD）的报道单位因靶标不同而异。在传感应用方面，Yu等人利用Fe₃O₄@Au纳米复合材料结合适配体功能化检测金黄色葡萄球菌；微流控超材料基于法诺共振效应实现对大肠杆菌的检测，检测限低至5×10³ cells/mL；金属-石墨烯混合超表面耦合聚乙烯亚胺修饰的CuS纳米颗粒可实现致病菌的检测与原位灭活，检测限为11 CFU/mL。亚洲大学团队进一步对载菌超材料进行热曲线分析，发现不同细菌在特定温度下共振频率发生突变，这些温度与生长相、热失活相、DNA变性相和细胞壁破坏相四个温度阶段对应，可作为细菌鉴别的独特特征。病毒检测方面，基于纳米天线传感芯片可区分H1N1、N5N2和H9N2病毒；针对SARS-CoV-2刺突蛋白的抗体功能化传感器实现了快速筛查；金磁纳米颗粒介导的滚环扩增（GMNP-RCA）结合超材料传感器可实现乙型肝炎病毒（HBV）DNA的特异灵敏检测，检测限为127 IU/mL。

4. 总结

太赫兹辐射对微生物表现出不同于其他刺激的非热效应，响应取决于中心频率、暴露时间和功率密度等辐射参数。多数文献报道太赫兹辐射可上调DNA和蛋白表达，但也有研究显示其不影响细菌活力或代谢活性，高能量暴露甚至可导致细胞损伤。太赫兹光谱可揭示不同微生物间的介电常数差异，但对比度有限，需借助超材料等场增强技术放大。太赫兹热光谱从温度维度提取微生物特征信息。由于缺乏指纹吸收，开发结合技术以提高靶标特异性是未来重要方向。

5. 挑战与展望

5.1 水的强吸收

水的强吸收限制了太赫兹透射测量的信噪比和带宽。脱水虽可提高灵敏度，但会损害细胞活力。限定高度样品室和反射构型（尤其是衰减全反射ATR）适用于水合样品，ATR结合机器学习可对临床样本中十三种标准微生物实现快速识别与分类，总诊断准确率达80.77%。微流控装置（如环烯烃共聚物COC和聚二甲基硅氧烷PDMS材质）可在近生理环境中液滴封装活菌并进行折射率测量，铜离子（Cu²⁺）处理下细菌折射率随浓度升高而增加，可区分应激状态。

5.2 空间分辨率差

衍射极限导致远场成像分辨率远大于单细胞尺寸。THz s-SNOM通过纳米针尖散射可突破衍射极限，分辨率达数十纳米，但受谐波解调阶次影响——高阶谐波提升分辨率同时降低信噪比，需增加太赫兹系统的动态范围以改善近场图像质量。

5.3 实验标准与数据可重复性

实验标准的缺乏导致数据可靠性评估困难、可重复性低。建议未来研究全面描述照射和实验条件，包括关键电磁、热和生物学参数，采用一致的单位和报告规范，鼓励更多复现和验证工作以提升数据质量。

5.4 展望

太赫兹频段是尚未充分开发的电磁频谱区间，微生物种类繁多且适应性强，其独立生存特性和丰富代谢活动与太赫兹波在含水样品中有限的穿透深度高度适配。随着研究持续深入，太赫兹技术有望成为微生物学的新型研究工具和检测手段，推动太赫兹光子学与微生物学的交叉发展。