Terahertz (THz) texnologiyası təxminən 10¹¹–10¹³ Hz tezlik diapazonundakı elektromaqnit dalğalarından bioloji materiallarla qarşılıqlı təsir yaratmaq və ya bu materialların elektromaqnit xüsusiyyətlərini ölçmək üçün istifadə edən fotonik tədqiqat yanaşmasıdır. Bu icmal THz texnologiyasının mikrobiologiyadakı inkişafını iki əsas istiqamətdə araşdırır: THz şüalanmasının bakteriyalar, mayalar, arxeylər və digər mikroorqanizmlər üzərində bioloji təsirləri ilə THz spektroskopiyası, yaxın-sahə görüntüləmə və rezonanslı sensorların mikroorqanizmləri aşkarlama və fərqləndirmə tətbiqləri. Mənbənin ümumi nəticəsinə görə, sahə əhəmiyyətli potensiala malikdir, lakin suyun udulması, məhdud məkan ayırdetməsi, zəif növ spesifikliyi və tədqiqatlar arasında standartlaşdırmanın çatışmazlığı səbəbindən hələ yetkin rutin mikrobioloji analiz platforması deyil.

THz tezlikləri biomolekulların aşağı tezlikli kollektiv hərəkətləri, van der Waals qarşılıqlı təsirləri, hidrogen-rabitəsi şəbəkələri və hidratasiya dinamikası ilə oxşar enerji miqyaslarında yerləşir. Buna görə THz şüalanması molekulyar rabitələri ionlaşdırıcı şüalanma kimi birbaşa qırmadan membran dinamikası, transkripsiya, zülal ekspressiyası və metabolizm kimi proseslərlə qarşılıqlı təsir göstərə bilər. İcmalda xüsusilə Escherichia coli üzərində aparılmış təcrübələrdə hüceyrə aqreqasiyası, gen ekspressiyası, plazmid nüsxə sayı, zülal istehsalı, transkripsiya və membran quruluşunda dəyişikliklər bildirən tədqiqatlar yer alır.

Bununla belə, THz bioloji təsirləri biristiqamətli deyil. Bəzi təcrübələrdə həyat qabiliyyəti və ya metabolizm üzərində nəzərəçarpacaq təsir tapılmadığı halda, fərqli tezlik, güc və ümumi enerji şəraitində hüceyrə zədələnməsi və ya ölümü bildirən tədqiqatlar da mövcuddur. Bu heterogenlik “THz mikroorqanizmləri stimullaşdırır” və ya “THz mikroorqanizmləri öldürür” kimi bir cümləlik ümumiləşdirmənin elmi baxımdan düzgün olmadığını göstərir.

Mikroorqanizm aşkarlanması tərəfində klassik THz time-domain spectroscopy (THz-TDS), continuous-wave (CW) sistemləri, transmissiya və əksolunma həndəsələri, attenuated total reflection (ATR), metamaterial/metasəth sensorları, mikroaxın sistemləri və THz scattering-type scanning near-field optical microscopy (THz s-SNOM) nəzərdən keçirilir. Xüsusilə metamaterial sensorları və s-SNOM mikroorqanizmlərin THz dalğa uzunluğuna nisbətən çox kiçik olması səbəbindən yaranan zəif işıq–maddə qarşılıqlı təsirini gücləndirməyə çalışır.

Mənbənin ən mühüm xəbərdarlıqlarından biri birbaşa “THz spektral barmaq izi” iddiasıdır. Kompleks mikroorqanizmlər çoxsaylı müxtəlif biomolekullar və yüksək miqdarda su ehtiva etdiyindən, növə xas kəskin THz udulma xətlərinin etibarlı şəkildə əldə edilməsi fiziki baxımdan çətindir. Buna görə gələcəkdə selektivliyin yalnız xam udulma piklərinə deyil, yaxın-sahə dielektrik xüsusiyyətləri, bağlayıcı biotanıma elementləri, rezonanslı sensorlar, termal ölçü və uyğun məlumat analizi kimi tamamlayıcı yanaşmalara əsaslanacağı gözlənilir.

Terahertz bölgəsi elektromaqnit spektrində harada yerləşir?

THz dalğaları elektromaqnit spektrində mikrodalğalarla infraqırmızı arasında yerləşir. Mənbə tədqiqatda THz rejimi təxminən 10¹¹–10¹³ Hz kimi müəyyən edilir. Bu diapazon təxminən 0,1–10 THz tezliklərinə uyğun gəlir.

THz fotonlarının enerjisi görünən, ultrabənövşəyi və ya X-şüası fotonları ilə müqayisədə aşağıdır. Bununla yanaşı, THz tezlikləri bəzi aşağı tezlikli molekulyar titrəyişlər, kollektiv zülal hərəkətləri, hidrogen-rabitəsi relaksasiyaları və hidratasiya suyunun dinamikası ilə üst-üstə düşə bilər.

Bu fiziki xüsusiyyət THz texnologiyasına iki fərqli istifadə forması verir. Birincidə THz sahəsi bioloji sistem üzərində stimul kimi istifadə olunur. İkincidə isə bioloji nümunənin THz dalğası üzərindəki təsiri ölçülərək sensor və ya spektroskopiya siqnalı əldə edilir.

THz dalğaları mikroorqanizmlərə necə təsir göstərə bilər?

İcmalda bir araya gətirilən tədqiqatlar THz şüalanmasının mikroorqanizmlərdə membran və hidratasiya dinamikası, gen transkripsiyası, zülal translyasiyası və metabolik proseslərlə əlaqəli dəyişikliklər yarada biləcəyini göstərir; lakin təsirin istiqaməti və böyüklüyü tezlik, güc sıxlığı, elektrik sahəsi, məruzqalma müddəti, temperatur, mikroorqanizm növü və böyümə vəziyyətindən asılıdır və vahid universal THz bioloji təsiri müəyyən edilməmişdir.

Molekulyar rabitə qırılmadan bioloji təsir necə yarana bilər?

Elektromaqnit sahəsinin bioloji təsir yaratması üçün DNA rabitələrini qırması məcburi deyil. THz bölgəsində mənbənin müzakirə etdiyi mümkün təsirlər daha çox molekulyar strukturların kollektiv hərəkətləri, fosfolipid membranların dinamikası, zülal hidratasiyası və suyun hidrogen-rabitəsi şəbəkəsi kimi zəif qarşılıqlı təsirlər üzərindədir.

Məsələn, icmal fosfolipid ikiqat təbəqələrinin THz bölgəsində kollektiv titrəyiş modlarına malik olduğunu və təxminən 3,1 THz ətrafındakı bir tədqiqatda membran axıcılığının artdığının bildirildiyini qeyd edir. Başqa tədqiqatlar sub-THz şüalanmasının zülal ətrafındakı hidratasiya dinamikasını dəyişə bildiyini və ya elektrik sahəsinin lipid ikiqat təbəqəsi boyunca müvəqqəti su körpüləri yarada biləcəyini irəli sürür.

Bu mexanizmlər icmalın bütün təcrübələr üçün sübut etdiyi vahid ortaq mexanizm deyil. Bunlar müxtəlif laboratoriyaların fərqli tezlik və güc şəraitində əldə etdiyi nəticələri izah etmək üçün müzakirə olunan mümkün fiziki proseslərdir.

THz bioloji təsir tədqiqatlarından seçilmiş nümunələr

Bu cədvəl müxtəlif tədqiqatların şəraitini müqayisə edir. Eyni tezliyin fərqli güc və ya müddətlərdə eyni bioloji nəticə verəcəyi fərz edilə bilməz. Mənbə də eksperimental şəraitin bir-birindən əhəmiyyətli dərəcədə fərqləndiyini vurğulayır.

İsinmə ilə “qeyri-termal” təsiri ayırmaq niyə çətindir?

THz bioloji təsir tədqiqatlarının mühüm metodoloji problemlərindən biri temperaturdur. Əksər tədqiqatlar orta temperatur dəyişikliyini kiçik hesab edir; lakin xüsusilə impulslu mənbələrdə çox qısa zaman və kiçik həcm miqyasında yarana biləcək lokal temperatur dalğalanmalarını infraqırmızı kameralarla tutmaq çətin ola bilər.

Buna görə bir təcrübədə temperatur sensorunun nəzərəçarpacaq artım göstərməməsi ölçülən bütün bioloji cavabların mütləq saf qeyri-termal mexanizmdən qaynaqlandığını təkbaşına sübut etmir.

Mutagenlik və DNA zədələnməsi

İcmalda verilən bakterial mutagenlik tədqiqatlarında 1,6 və ya 2,3 THz ətrafındakı məruzqalmalarda Ames testləri və digər genotoksiklik qiymətləndirmələri nəzərəçarpacaq mutasiya və ya DNA zədəsi göstərməmişdir. Bunun əksinə, UV şüalanması və kimyəvi müsbət nəzarətlər gözlənilən DNA zədəsini yaratmışdır.

Bu nəticə THz foton enerjisinin kovalent rabitələrin birbaşa qırılması baxımından aşağı olması ilə uyğundur. Bununla yanaşı, gen ekspressiyasının və ya zülal sintezinin dəyişməsi DNA-nın fiziki olaraq qırılması ilə eyni bioloji hadisə deyil.

THz spektroskopiyası mikroorqanizmi birbaşa tezlik “barmaq izi” ilə müəyyən edə bilərmi?

Mənbənin qiymətləndirməsinə görə, kompleks mikroorqanizmlərdə etibarlı və növə xas kəskin THz udulma pikləri gözləmək problemlidir; biomolekulların yüksək hal sıxlığı, amorf quruluş, səpilmə və xüsusilə suyun genişzolaqlı udulması spektri davamlı hala gətirir, buna görə bildirilən bəzi kəskin piklər standing-wave, boşluq, su buxarı və ya səs-küy artefaktlarından ayrılmadan həqiqi bioloji barmaq izi kimi qəbul edilməməlidir.

Niyə kiçik kristal molekul ilə bakteriya eyni davranmır?

Kiçik molekullar kristal fazada uzaq məsafəli nizam səbəbindən müəyyən fonon rezonansları yarada bilər. Bunun əksinə, bakteriya zülallar, lipidlər, nuklein turşuları, metabolitlər, su və bir çox başqa molekulun mürəkkəb birləşməsidir.

Bioloji makromolekulların aşağı tezlikli titrəyiş halları sıx və üst-üstə düşmüş ola bilər. Hüceyrə suyundakı hidrogen-rabitəsi şəbəkəsi isə geniş və güclü THz udulma fonu yaradır. Buna görə bütöv hüceyrə spektrində tək bir molekulun kəskin rezonansını seçmək daha çətindir.

THz-TDS və CW sistemləri

THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) sistemlərində femtosaniyə optik impulslarla fotokeçirici antenlər, elektro-optik kristallar və ya digər THz yayıcıları həyəcanlandırıla bilər. Pikosanəlik təkdövrlü THz elektrik sahəsi zaman oblastında ölçülür.

Zaman siqnalına Fourier çevrilməsi tətbiq edildikdə genişzolaqlı tezlik spektri əldə edilir. Koherent ölçmə sayəsində amplituda və faza məlumatı birlikdə çıxarıla bilər.

Continuous-wave (CW) sistemləri isə ümumiyyətlə daha dar xətt eni və yüksək çıxış gücü təmin edir. Schottky diodları, backward-wave oscillator mənbələri, bolometr və ya Golay cell kimi mənbə–detektor kombinasiyalarından istifadə edilə bilər.

Transmissiya və əksolunma

Transmissiya həndəsəsində THz şüası nümunədən keçirilir və nümunəli–nümunəsiz siqnallar müqayisə edilir. Nümunə yüksək dərəcədə hidratlı olduqda güclü su udulması transmissiyanı ciddi şəkildə məhdudlaşdırır.

Əksolunma həndəsəsində isə nümunənin arxasından keçmək əvəzinə interfeysdən geri dönən sahə ölçülür. Xüsusilə maye və ya yüksək su tərkibli bioloji nümunələrdə əksolunma və ATR həndəsələri daha uyğun ola bilər.

Su niyə THz mikrobiologiyasının əsas texniki problemidir?

Su THz tezliklərində çox güclü və genişzolaqlı udulma göstərdiyi üçün canlı mikroorqanizmlərin təbii hidratlı mühiti THz siqnalını güclü şəkildə zəiflədir; nümunəni qurutmaq həssaslığı artıra bilər, lakin fizioloji quruluşu dəyişdirir, buna görə sahənin əsas mühəndislik problemi canlılıq ilə ölçmə həssaslığı arasında uyğun tarazlıq yaratmaqdır.

Dehidratasiyanın bədəli

Tək hüceyrələr sensor səthinə damızdırılıb qurudula bilər və ya koloniyalar agar səthindən götürülərək müəyyən qalınlıqlı bölmələrə yerləşdirilə bilər. İstiliklə qurutma su udulmasını azaldır, lakin hüceyrə quruluşunu poza bilər.

Donduraraq qurutma quruluşu daha yaxşı qoruya bilər; buna baxmayaraq nümunə artıq təbii, canlı və tam hidratlı vəziyyətdə deyil.

Nazik hüceyrələr və mikroaxınlar

Mənbə müəyyən hündürlüklü maye hüceyrələrinin və mikroaxın sistemlərinin canlı bakteriyaları daha fizioloji şəraitdə ölçmək üçün istifadə oluna biləcəyini müzakirə edir. Nazik maye təbəqəsi THz işığının su daxilində yolunu qısaldarkən mikroaxın həndəsəsi kiçik nümunə həcmlərini nəzarətli şəkildə daşıya bilər.

Bununla yanaşı, transmissiyada bir kompromis yaranır: təbəqə nazikləşdikcə su udulması azalır, lakin nümunə ilə işığın qarşılıqlı təsir yolu da qısalır və bioloji kontrast zəifləyə bilər.

ATR və maşın öyrənməsi nümunəsi

İcmalda verilən bir tədqiqatda attenuated total reflection ilə əldə edilən THz spektrləri maşın öyrənməsi ilə təhlil edilmiş və 13 standart mikroorqanizm Gram-müsbət bakteriyalar, Gram-mənfi bakteriyalar və göbələklər olaraq üç qrupa təsnif edilmişdir. Bildirilən ümumi dəqiqlik %80,77-dir.

Bu nəticə THz + maşın öyrənməsinin potensialını göstərən ayrıca bir tədqiqat nümunəsidir. %80,77 dəyəri bütün mikroorqanizmlərə, bütün nümunə növlərinə və ya klinik rutinə ümumiləşdirilə bilən universal performans deyil.

THz s-SNOM ilə difraksiya sərhədinin aşılması

Uzaq-sahə THz dalğa uzunluğu mikrometr miqyaslı bakteriyalarla müqayisədə böyükdür. Buna görə klassik THz görüntüləmədə tək hüceyrə və hüceyrəaltı strukturların birbaşa ayrılması çətindir.

THz s-SNOM atom qüvvəsi mikroskopundakı nanometr miqyaslı ucun THz yaxın sahəsini səpməsindən istifadə edir. Uc müəyyən tezlikdə titrəyir və səpilən siqnal harmoniklərdə demodulyasiya edilərək böyük uzaq-sahə fonundan ayrılır.

Mənbə bu yanaşmanın onlarla nanometr miqyasında ayırdetməyə çata bildiyini, morfoloji AFM görüntüsü ilə lokal THz dielektrik cavabının eyni skanda əldə edilə bildiyini izah edir.

Daha yüksək harmonik demodulyasiya yaxın-sahə selektivliyini və məkan ayırdetməsini artıra bilər; bunun əvəzində siqnal intensivliyi azalır. Mənbə Figure 14-də 2Ω, 3Ω, 4Ω və 5Ω demodulyasiyalarının E. coli görüntülərini bu kompromis baxımından müqayisə edir.

Metamaterial və metasəth sensorları

Mikroorqanizmlər THz dalğa uzunluğundan çox kiçik olduğuna görə düşən sahə ilə birbaşa qarşılıqlı təsir zəifdir. Metamaterial sensorlarında sub-dalğa uzunluqlu metal rezonatorlar elektrik sahəsini kiçik həcmlərdə cəmləşdirir.

Nümunə rezonator yaxınlığındakı lokal dielektrik mühiti dəyişdirdikdə rezonans tezliyi, rezonans amplitudası və ya xətt eni dəyişə bilər. Bu dəyişiklik mikroorqanizm sayı və ya biomolekul konsentrasiyası ilə əlaqələndirilə bilər.

Q-factor və həssaslıq nəyi ifadə edir?

Mənbə rezonans sensorları üçün quality factor (Q-factor) dəyərini rezonans tezliyinin rezonans xətt eninə nisbəti kimi müəyyən edir. Daha yüksək Q dəyəri daha dar rezonans piki və ya çuxuru yaradır və kiçik tezlik sürüşmələrinin daha həssas oxunmasını asanlaşdırır.

Həssaslıq isə adətən sındırma indeksində vahid dəyişiklik başına rezonans tezliyi sürüşməsi, yəni GHz/RIU və ya THz/RIU şəklində bildirilir. Mikroorqanizm təhlillərində limit of detection (LOD) əlavə olaraq CFU/mL, hüceyrə sıxlığı, pg/mL, molyarlıq və ya hədəfə xas başqa vahidlərlə verilə bilər.

Mənbənin mühüm xəbərdarlığı ondan ibarətdir ki, THz mikrobiologiya ədəbiyyatında LOD hesabat formaları hələ standartlaşmayıb. Fərqli vahidlərdəki LOD dəyərlərini birbaşa sıralamaq elmi baxımdan yanıltıcı ola bilər.

Virusların icmaldakı yeri

Viruslar canlı orqanizm kimi üç-domen sistemində təsnif olunmasa da, mənbə tədqiqat THz aşkarlama protokollarının oxşar miqyas və sensor arxitekturalarına əsaslanması səbəbindən virus tədqiqatlarını da icmalın mikroorqanizm aşkarlama əhatəsinə daxil etmişdir.

SARS-CoV-2, influenza virusları, bakteriofaqlar, HBV DNA və digər viral hədəflərə yönəlmiş metamaterial və nanoanten sensorları nəzərdən keçirilir.

Mənbə xüsusilə bütün virusu selektiv olmayan dielektrik yüklənmə yolu ilə aşkarlamaq əvəzinə spike zülalı, DNA və ya başqa spesifik biomolekulları anticisim, aptamer və ya nanohissəciklərlə hədəfləməyin selektivliyi artıra biləcəyini müzakirə edir.

Bitki və ətraf mühit mikrobiologiyası

THz texnologiyası yalnız klinik mikroorqanizm aşkarlanması üçün araşdırılmır. Mənbə bitki xəstəlikləri və ətraf mühit monitorinqi tətbiqlərini də nəzərdən keçirir.

Şabalıd və fındıqda göbələk infeksiyalarının su tərkibində yaratdığı dəyişikliklər THz keçiriciliyinə təsir edə bilər. Kartof xəstəlikləri, xiyar unlu şehi, pomidor yarpaq xəstəlikləri və yoluxmuş ağac da araşdırılmışdır.

Mikroyosun tədqiqatlarında THz/FTIR spektral məlumatlarının karotinoid, nişasta və digər metabolit dəyişiklikləri ilə əlaqələndirilərək ağır metal stressinin qiymətləndirilməsi araşdırılmışdır.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Bu tədqiqat orijinal təcrübə deyil, ədəbiyyat sintezidir

Mənbə yeni mikroorqanizm kulturası, yeni THz ölçümü və ya yeni təsnifat modeli yaratmır. Məqalə daha əvvəl dərc olunmuş THz mikrobiologiya tədqiqatlarını tematik şəkildə bir araya gətirən Review tədqiqatıdır.

Mənbədə formal sistematik icmal metod bölməsi, PRISMA diaqramı, elektron məlumat bazası sorğusu, başlanğıc qeyd sayı, daxil etmə/xaric etmə meyarı və ya risk-of-bias qiymətləndirilməsi bildirilmir. Buna görə Verianla mətndəki “systematic investigation” ifadəsini metodoloji mənada “systematic review” kimi yenidən təsnif etmir.

İcmalın iki əsas araşdırma istiqaməti

Mənbə Figure 1-in rolu

Figure 1 mikroorqanizmləri Archaea, Bacteria və mikroskopik Eukarya kateqoriyaları altında nümunələndirir. Viruslar bu taksonomik sxemə daxil deyil; mənbə virusları yalnız THz aşkarlama tədqiqatlarının oxşar eksperimental xüsusiyyətləri səbəbindən sonrakı əhatəsinə daxil edir.

Mənbə Figure 2-nin rolu

Figure 2 elektromaqnit spektrində THz bölgəsini mikroorqanizm və hüceyrəaltı strukturların təxmini ölçü miqyasları ilə birlikdə müqayisə edir. Şəklin əsas məqsədi THz dalğa uzunluğu ilə mikrometr miqyaslı bioloji hədəf arasındakı ölçü uyğunsuzluğunu vizual şəkildə izah etməkdir.

Mənbə Figure 3-ün rolu

Figure 3 THz şüalanmasından sonra E. coli hüceyrə aqreqasiyası, flüoresan zülal ekspressiyası və membran/morfologiya dəyişikliklərini göstərən daha əvvəl dərc olunmuş eksperimental tədqiqatlardan nümunələri bir araya gətirir.

Bu panellər fərqli tədqiqatlardan gəldiyi üçün eyni THz məruzqalma protokolunun bir-birini tamamlayan nəticələri kimi oxunmamalıdır.

Mənbə Figure 4-ün rolu

Figure 4 THz stimulyasiyasına cavab verən genetik olaraq tənzimlənmiş E. coli biosensor yanaşmasını izah edir. Promoter–reporter gen düzənində THz altında müəyyən metabolik yollarla əlaqəli promoter aktivliyi flüoresan reporter siqnalı vasitəsilə izlənmişdir.

Mənbə Figure 5-in rolu

Figure 5 tipik THz-TDS sisteminin mənbə, optik yol və detektor komponentlərini; həmçinin pikosanəlik time-domain siqnalının Fourier çevrilməsi ilə frequency-domain spektrinə çevrilməsini göstərir.

Mənbə Figure 6-nın rolu

Figure 6 THz s-SNOM sistemini və AFM topoqrafiyası ilə lokal THz cavabının birlikdə xəritələnməsini göstərir. E. coli və B. subtilis nümunəsində morfoloji baxımdan oxşar hüceyrələrin yerli dielektrik xüsusiyyətlərinin fərqli ola biləcəyi göstərilir.

Mənbə Figure 7-nin rolu

Figure 7 xiyar unlu şeh xəstəliyinin THz və yaxın-infraqırmızı görüntülərini müqayisə edir. Buradakı THz kontrastının əsas bioloji mənbəyi göbələk infeksiyasının bitki toxumasındakı su tərkibini dəyişdirməsidir.

Mənbə Figure 8 və Figure 9-un rolu

Figure 8 nano-slot və split-ring resonator kimi THz metamaterial sensorlarının elektrik sahəsini bioloji hədəfin yerləşdiyi kiçik sahələrə cəmləşdirmə məntiqini göstərir.

Figure 9 isə mikroorqanizm yüklənməsi ilə rezonans tezliyinin sürüşməsini və fərqli mikroorqanizm növlərinin hüceyrə divarı tərkibi/dielektrik sabit fərqlərinin sensor cavabını necə dəyişdirə bildiyini izah edir.

Mənbə Figure 10-un rolu

Figure 10 mikroorqanizm identifikasiyasında yalnız tezlik ölçüsünün deyil, temperatur ölçüsünün də istifadə oluna biləcəyini göstərir. Mikroorqanizmlə örtülmüş metamaterial qızdırıldıqda böyümə, termal inaktivasiya, DNA denaturasiyası və hüceyrə divarının pozulması ilə əlaqəli rezonans dəyişiklikləri yarana bilər.

Müəlliflər bu yanaşmanı “thermal fingerprint” tipli əlavə fərqləndirici ölçü kimi müzakirə edirlər. Bu, mənbənin tənqid etdiyi birbaşa tezlik-barmaq izi anlayışı ilə eyni deyil.

Mənbə Figure 11-in rolu

Figure 11 virus və viral biomolekul sensorlarını nümunələndirir. Influenza viruslarında nanoslot antenlərinin tezlik/amplituda dəyişiklikləri və HBV hədəf ardıcıllığında nanohissəcik dəstəkli siqnal gücləndirilməsi göstərilir.

Mənbə Figure 12-nin rolu

Figure 12 güclü su udulması probleminə qarşı THz-ATR həndəsəsini göstərir. Eyni şəkildə 13 standart mikroorqanizmin udulma spektrləri üzərindən Gram-müsbət, Gram-mənfi və göbələk qrupları kimi təsnif edilməsi nümunələndirilir.

Mənbə Figure 13-ün rolu

Figure 13 canlı bakteriyaları kiçik sulu damcılar içində kapsullaşdıran mikroaxın sisteminin THz ölçmələri ilə inteqrasiyasını göstərir. Bu dizayn həyat qabiliyyətini qoruyan su mühiti ilə THz-nin suya qarşı yüksək udulması arasında mühəndislik tarazlığı yaratmağı hədəfləyir.

Mənbə Figure 14-ün rolu

Figure 14 s-SNOM siqnalının fərqli harmoniklərdə demodulyasiyası ilə əldə edilən məkan ayırdetməsi dəyişikliyini göstərir. Harmonik dərəcə yüksəldikcə lokal yaxın-sahə töhfəsi daha aydın olur, ölçülən siqnal isə zəifləyir.

THz bioloji təcrübələrində standartlaşdırma üçün təklif edilən parametrlər

Bu cədvəl icmalın ən mühüm metodoloji nəticələrindən biridir. Müəlliflər bütün təcrübələrə tətbiq ediləcək vahid tezlik və ya güc standartı təklif etmirlər; çünki bu dəyişənlər tədqiqat sualının özüdür. Bunun əvəzinə tədqiqatların istifadə etdiyi elektromaqnit, termal və bioloji parametrləri tam və ortaq vahidlərlə bildirməsini təklif edirlər.

Əsas texniki çətinliklər

İcmalın güclü tərəfləri

• THz-nin bioloji stimullaşdırma və mikroorqanizm aşkarlama rollarını eyni çərçivədə qiymətləndirməsi.
• Bakteriya, maya, arxey, mikroyosun və virus hədəflərini geniş texnologiya spektri ilə müqayisə etməsi.
• THz-TDS, CW, ATR, s-SNOM, metamaterial və mikroaxın sistemlərini eyni fiziki çərçivədə izah etməsi.
• “THz fingerprint” iddialarını yalnız təqdim etməyib kondensə olunmuş maddə fizikası baxımından tənqidi şəkildə qiymətləndirməsi.
• Su udulması və məkan ayırdetməsi kimi əsas fiziki sərhədləri açıq şəkildə müzakirə etməsi.
• Təkrarlana bilmə üçün ətraflı eksperimental parametr hesabat cədvəli təklif etməsi.

İcmalın metodoloji məhdudiyyətləri

• Formal sistematik icmal axtarış protokolu bildirilməmişdir.
• Tədqiqatlar arasında mənbə, tezlik, güc, məruzqalma müddəti, temperatur və bioloji hədəf heterogenliyi çox yüksəkdir.
• THz bioloji təsirlərində termal və qeyri-termal komponentləri fərqli tədqiqatlar arasında birbaşa ayırmaq çətindir.
• Mikroorqanizm aşkarlama tədqiqatlarında LOD vahidləri və performans hesabat formaları standart deyil.
• Bir çox yüksək həssaslıqlı metamaterial tədqiqatı laboratoriya nümunələri ilə aparılmışdır.
• s-SNOM mikrobiologiya tədqiqatlarının mühüm hissəsi dehidratasiya olunmuş nümunələrlə məhduddur.
• Virus və klinik nümunə tətbiqlərində real sahə/klinik dayanıqlıq və müdaxilə təsirləri üçün geniş doğrulama tələb olunur.
• Simulyasiya ilə bildirilən bəzi yüksək Q-factor və ya həssaslıq dəyərləri praktik cihazlarda eyni səviyyəyə çatmaya bilər.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

THz şüalanması müəyyən eksperimental şəraitdə mikroorqanizmlərdə metabolik, transkripsional, translyasional və membranla əlaqəli dəyişikliklər yarada bilər.

THz texnologiyası mikroorqanizmlərin və ya biomolekulyar komponentlərinin dielektrik xüsusiyyətlərini ölçmək və fərqli nümunələri ayırd etmək üçün istifadə oluna bilər.

Metamaterial və yaxın-sahə texnologiyaları THz dalğa uzunluğu ilə mikroorqanizm ölçüsü arasındakı uyğunsuzluğu azaldaraq ölçmə həssaslığını və məkan ayırdetməsini yaxşılaşdıra bilər.

Su udulması canlı mikroorqanizmlərin THz ölçmələrinin əsas fiziki məhdudiyyətlərindən biridir.

Eksperimental standartlaşdırma və ətraflı parametr hesabatı THz bioloji təsir ədəbiyyatının təkrarlana bilməsini yaxşılaşdırmaq üçün zəruridir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

Tədqiqat bütün THz tezliklərinin mikroorqanizm böyüməsini artırdığını göstərmir.

Tədqiqat THz şüalanmasının bütün şəraitdə bioloji baxımdan zərərsiz olduğunu göstərmir.

Tədqiqat hər bakteriya və ya virus növünün etibarlı vahid THz tezlik barmaq izinin olduğunu göstərmir.

İcmaldakı ən aşağı LOD dəyərləri bütün nümunə növlərində və klinik mühitdə əldə edilə bilən ümumi THz performansı deyil.

Laboratoriya şəraitində SARS-CoV-2, influenza və ya başqa virus sensor nəticələri rutin klinik diaqnostik doğrulama demək deyil.

Maşın öyrənməsi ilə əldə edilmiş ayrı-ayrı təsnifat dəqiqliyi bütün THz mikrobiologiya tətbiqlərinin ümumi dəqiqliyi deyil.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Research Progress of Terahertz Technology in Microbiology

Müəlliflər: Ding Cao; Ruibing Dong; Guangyou Fang; Xuequan Chen.

Məsul müəllif: Xuequan Chen.

Qurumlar: GBA Branch of Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, China; Guangdong Provincial Key Laboratory of Terahertz Quantum Electromagnetics, Guangzhou, China; School of Photonics and Optical Engineering, Aerospace Information Technology University, Jinan, China.

Jurnal: Biosensors.

Nəşriyyat: MDPI, Basel, Switzerland.

Nəşr məlumatı: 2026; cild 16; sayı 9; məqalə 515. Nəşr tarixi: 11 Sentyabr 2026.

DOI: 10.3390/bios16090515

Mənbə növü: Resenziyalı, açıq girişli Review məqaləsi.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Açar sözlər: terahertz, spectroscopy, sensing, microbiology, bacteria, radiation effect.

İcmalın əhatəsi: THz şüalanmasının mikroorqanizmlər üzərindəki bioloji təsirləri və THz əsaslı mikroorqanizm aşkarlama/görüntüləmə texnologiyaları.

İcmal metodunun sərhədi: Mənbə mətnində PRISMA axını, formal məlumat bazası axtarış sorğuları, qeyd sayı, daxil etmə/xaric etmə meyarları və ya tədqiqat keyfiyyəti/risk-of-bias qiymətləndirilməsi bildirilmir. Buna görə Verianla məzmunu məqaləni formal sistematik icmal kimi təsnif etmir.

Əsas THz sistemləri: THz-TDS və continuous-wave THz sistemləri; transmissiya və əksolunma həndəsələri.

Əsas həssaslıq artırma yanaşmaları: Metamateriallar/metasəthlər, split-ring resonators, nanoantenlər, mikroaxın hüceyrələri, nanoparticles, graphene əsaslı strukturlar, ATR və THz s-SNOM.

Əsas fiziki məhdudiyyət: Suyun THz tezliklərində güclü udulması canlı və hidratlı mikroorqanizm ölçmələrində siqnal itkisinə səbəb olur.

Əsas görüntüləmə məhdudiyyəti: Uzaq-sahə THz ayırdetməsi tək hüceyrə miqyası üçün yetərsizdir; s-SNOM kimi yaxın-sahə üsulları bu sərhədə qarşı inkişaf etdirilir.

Əsas selektivlik sərhədi: Bütöv mikroorqanizmlərdə etibarlı, kəskin və növə xas THz udulma barmaq izlərini birbaşa əldə etmək fiziki və eksperimental baxımdan problemlidir.

Standartlaşdırma sərhədi: THz mənbəyi, tezlik, zolaq eni, impuls rejimi, güc sıxlığı, sahə intensivliyi, məruzqalma müddəti, temperatur, hüceyrə konsentrasiyası, böyümə fazası və nümunə həcmi tədqiqatlar arasında standartlaşdırılmış şəkildə bildirilmir.

Mənbə Figure 1: Mikroorqanizm kateqoriyalarını və nümunələrini göstərir.

Mənbə Figure 2: Elektromaqnit spektrini mikroorqanizm və hüceyrə strukturlarının ölçüləri ilə müqayisə edir.

Mənbə Figure 3: THz məruzqalmasının bakterial morfologiya və ekspressiya üzərindəki fərqli eksperimental nəticələrini nümunələndirir.

Mənbə Figure 4: Genetik reporter istifadə edən THz-həssas E. coli biosensor yanaşmasını göstərir.

Mənbə Figure 5: THz-TDS qurğusu ilə zaman və tezlik sahəsi siqnallarını göstərir.

Mənbə Figure 6: THz s-SNOM ilə bakteriya yaxın-sahə görüntülənməsini izah edir.

Mənbə Figure 7: Göbələk mənşəli bitki xəstəliyinin THz görüntüləmə nümunəsini göstərir.

Mənbə Figure 8–9: Metamaterial əsaslı THz mikroorqanizm sensorlarını və rezonans dəyişikliklərini göstərir.

Mənbə Figure 10: Mikroorqanizmlərin temperaturdan asılı THz rezonans dəyişikliklərinin əlavə təsnifat xüsusiyyəti kimi istifadəsini göstərir.

Mənbə Figure 11: Virus və viral biomolekul THz sensorlarına nümunələr təqdim edir.

Mənbə Figure 12: THz-ATR və maşın öyrənməsi ilə mikroorqanizm təsnifatını nümunələndirir.

Mənbə Figure 13: Mikroaxın damcı texnologiyası ilə canlı bakteriyaların hidratlı THz ölçümünü göstərir.

Mənbə Figure 14: s-SNOM harmonik demodulyasiya dərəcəsi ilə məkan ayırdetməsi/siqnal arasındakı əlaqəni göstərir.

Mənbə Table 1: Mikrobiologiyada istifadə olunan ənənəvi və müasir tədqiqat texnologiyalarını müqayisə edir.

Mənbə Table 2: Mikroorqanizmlərdə THz bioloji təsir tədqiqatlarının tezlik, güc, məruzqalma, temperatur və bioloji nəticələrini müqayisə edir.

Mənbə Table 3: Bakteriya, göbələk, maya, virus və digər hədəflər üçün THz sensor dizaynlarını, rezonansları və bildirilən performans göstəricilərini toplayır.

Mənbə Table 4: Gələcək THz bioloji təsir tədqiqatlarında ortaq şəkildə bildirilməsi təklif edilən elektromaqnit, termal və bioloji parametrləri sadalayır.

Maliyyələşdirmə: National Natural Science Foundation of China (62588201, 62305069); Natural Science Foundation of Guangdong Province (2024A1515010367); Guangdong Provincial Pearl River Talents Program (2023QN10X375, 2023CX10X067); Guangzhou Talent Recruitment Project (2024D01J0115).

Etika komitəsi: Tətbiq edilə bilməz.

Məlumatlandırılmış razılıq: Tətbiq edilə bilməz.

Məlumatların əlçatanlığı: Tədqiqatda yeni məlumat yaradılmayıb və ya təhlil edilməyib; məlumat paylaşımı tətbiq edilə bilməz.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşması bildirməyiblər; maliyyələşdirənlərin tədqiqatın dizaynı, məlumat təhlili/şərhi, yazılması və ya nəşr qərarında rolunun olmadığı qeyd olunub.

Süni intellekt istifadəsi bəyanatı: Müəlliflər DeepSeek-V3-dən ingilis dili redaktəsi və oxunaqlılığı yaxşılaşdırmaq məqsədilə istifadə etdiklərini; çıxışı nəzərdən keçirib redaktə etdiklərini və yekun məzmun üçün məsuliyyəti üzərlərinə götürdüklərini bildiriblər.

Müəllif hüququ/vizual qeyd: Məqalənin özü CC BY lisenziyalı olsa da, bəzi şəkil panelləri digər nəşrlərdən yenidən istifadə olunub və öz orijinal lisenziya/icazə şərtlərinə malikdir. Verianla üçün mənbə şəkillərinin piksel nüsxələri əvəzinə elmi əlaqələri əsas götürən orijinal sxem və qrafiklərə üstünlük verilməlidir.

Verianla təqdimetmə üsulu: Bu məzmun yalnız abstract və conclusion tərcüməsi deyil. Elektromaqnit spektri, THz–biomolekul qarşılıqlı təsiri, mikroorqanizm bioloji təsirləri, mutagenlik sərhədi, THz-TDS/CW cihazları, nümunə hazırlama, su udulması, s-SNOM, metamaterial sensorları, virus aşkarlanması, bitki və ətraf mühit tətbiqləri, performans göstəriciləri, standartlaşdırma və təkrarlana bilmə ayrı-ayrı elmi qatlar şəklində yenidən strukturlaşdırılmışdır.

Tətbiq sərhədi: İcmalda təqdim olunan eksperimental və sensor nəticələrinin böyük hissəsi laboratoriya tədqiqatlarından gəlir. THz texnologiyasının rutin klinik, ətraf mühit və ya sənaye mikrobiologiyası alətinə çevrilə bilməsi üçün standartlaşdırılmış protokollar, hidratlı real nümunələrdə doğrulama, selektivlik, müdaxiləyə davamlılıq və genişmiqyaslı təkrarlana bilmə tədqiqatlarına ehtiyac var.