Teknolojia ya terahertz (THz) ni mkabala wa utafiti wa fotoniki unaotumia mawimbi ya sumakuumeme katika masafa ya takriban 10¹¹–10¹³ Hz kuingiliana na nyenzo za kibaolojia au kupima sifa za sumakuumeme za nyenzo hizo. Mapitio haya yanachunguza maendeleo ya teknolojia ya THz katika mikrobiolojia kupitia mihimili miwili mikuu: athari za kibaolojia za mionzi ya THz kwa bakteria, chachu, archaea na vijidudu vingine, pamoja na matumizi ya spektroskopi ya THz, upigaji picha wa uga wa karibu na sensa zenye rezonansi katika kugundua na kutofautisha vijidudu. Hitimisho la jumla la chanzo ni kwamba eneo hili lina uwezo mkubwa, lakini bado halijakomaa kuwa jukwaa la kawaida la uchanganuzi wa mikrobiolojia kwa sababu ya ufyonzaji wa maji, azimio dogo la anga, umahususi dhaifu wa spishi na ukosefu wa usanifishaji kati ya tafiti.

Masafa ya THz yako katika mizani ya nishati inayofanana na mienendo ya pamoja ya masafa ya chini ya biomolekuli, mwingiliano wa van der Waals, mitandao ya vifungo vya hidrojeni na mienendo ya hidrasheni. Kwa hiyo, mionzi ya THz inaweza kuingiliana na michakato kama mienendo ya utando, unakili, uelezaji wa protini na umetaboli bila kuvunja moja kwa moja vifungo vya molekuli kama mionzi ya kuionisha. Mapitio haya yanajumuisha hasa tafiti za majaribio juu ya Escherichia coli zilizoripoti mabadiliko katika mkusanyiko wa seli, uelezaji wa jeni, idadi ya nakala za plasmidi, uzalishaji wa protini, unakili na muundo wa utando.

Hata hivyo, athari za kibaolojia za THz si za mwelekeo mmoja. Katika baadhi ya majaribio hakuna athari dhahiri kwa uhai au umetaboli, ilhali tafiti nyingine zimeripoti uharibifu au kifo cha seli chini ya hali tofauti za masafa, nguvu na nishati ya jumla. Heterojenia hii inaonyesha kuwa ujumlishaji wa sentensi moja kama “THz huchochea vijidudu” au “THz huua vijidudu” si sahihi kisayansi.

Katika upande wa kugundua vijidudu, classical THz time-domain spectroscopy (THz-TDS), continuous-wave (CW) systems, jiometria za transmiseni na uakisi, attenuated total reflection (ATR), sensa za metamaterial/metasurface, mifumo ya mikrofluidiki na THz scattering-type scanning near-field optical microscopy (THz s-SNOM) zinajadiliwa. Hasa sensa za metamaterial na s-SNOM hujaribu kuimarisha mwingiliano dhaifu wa mwanga–maada unaotokea kwa sababu vijidudu ni vidogo sana ikilinganishwa na urefu wa wimbi wa THz.

Moja ya tahadhari muhimu zaidi za chanzo ni dai la moja kwa moja la “alama ya kidole ya spektra ya THz”. Kwa kuwa vijidudu kamili vina biomolekuli nyingi tofauti na kiasi kikubwa cha maji, ni vigumu kimwili kupata kwa kuaminika mistari mikali ya ufyonzaji wa THz iliyo mahususi kwa spishi. Kwa hiyo, katika siku zijazo uteuzi unatarajiwa kutegemea si vilele ghafi vya ufyonzaji pekee, bali pia mikabala inayosaidiana kama sifa za dielectriki za uga wa karibu, vipengele vya utambuzi wa kibaolojia vinavyofunga, sensa zenye rezonansi, kipimo cha joto na uchanganuzi ufaao wa data.

Eneo la terahertz liko wapi katika spektra ya sumakuumeme?

Mawimbi ya THz yako katika spektra ya sumakuumeme kati ya mikrowevu na infrared. Katika utafiti wa chanzo, hali ya THz inafafanuliwa kuwa takriban 10¹¹–10¹³ Hz. Safu hii inalingana na masafa ya takriban 0,1–10 THz.

Nishati ya fotoni za THz ni ndogo ikilinganishwa na fotoni za mwanga unaoonekana, ultraviolet au X-ray. Hata hivyo, masafa ya THz yanaweza kuingiliana na baadhi ya mitetemo ya molekuli ya masafa ya chini, mienendo ya pamoja ya protini, ulegevu wa vifungo vya hidrojeni na mienendo ya maji ya hidrasheni.

Sifa hii ya kifizikia huipa teknolojia ya THz namna mbili tofauti za matumizi. Katika ya kwanza, uga wa THz hutumiwa kama kichocheo juu ya mfumo wa kibaolojia. Katika ya pili, athari ya sampuli ya kibaolojia kwa wimbi la THz hupimwa ili kupata ishara ya sensa au spektroskopi.

Mawimbi ya THz yanawezaje kuathiri vijidudu?

Tafiti zilizokusanywa katika mapitio zinaonyesha kuwa mionzi ya THz inaweza kusababisha mabadiliko yanayohusiana na mienendo ya utando na hidrasheni, unakili wa jeni, tafsiri ya protini na michakato ya kimetaboliki katika vijidudu; hata hivyo, mwelekeo na ukubwa wa athari hutegemea masafa, msongamano wa nguvu, uga wa umeme, muda wa mfiduo, halijoto, aina ya kijidudu na hali ya ukuaji, na hakuna athari moja ya jumla ya kibaolojia ya THz iliyofafanuliwa.

Athari ya kibaolojia inaweza kutokeaje bila kuvunjika kwa kifungo cha molekuli?

Uga wa sumakuumeme si lazima uvunje vifungo vya DNA ili kusababisha athari ya kibaolojia. Katika eneo la THz, athari zinazowezekana zinazojadiliwa na chanzo zinahusu zaidi mienendo ya pamoja ya miundo ya molekuli, mienendo ya utando wa fosfolipidi, hidrasheni ya protini na mwingiliano dhaifu kama mtandao wa vifungo vya hidrojeni wa maji.

Kwa mfano, mapitio yanaripoti kuwa bilaya za fosfolipidi zina modi za mtetemo wa pamoja katika eneo la THz na kwamba katika utafiti mmoja karibu na 3,1 THz ongezeko la umajimaji wa utando liliripotiwa. Tafiti nyingine zinapendekeza kuwa mionzi ya sub-THz inaweza kubadilisha mienendo ya hidrasheni kuzunguka protini au uga wa umeme unaweza kuunda madaraja ya muda ya maji kupitia bilaya ya lipid.

Mekanizimu hizi si mekanizimu moja ya pamoja ambayo mapitio yamethibitisha kwa majaribio yote. Ni michakato ya kifizikia inayowezekana inayojadiliwa ili kueleza matokeo yaliyopatikana na maabara tofauti chini ya hali tofauti za masafa na nguvu.

Mifano iliyochaguliwa kutoka tafiti za athari za kibaolojia za THz

Jedwali hili linalinganisha hali za tafiti tofauti. Haiwezi kudhaniwa kuwa masafa yale yale yatatoa matokeo yale yale ya kibaolojia kwa nguvu au muda tofauti. Chanzo pia kinasisitiza kuwa hali za majaribio hutofautiana kwa kiasi kikubwa.

Kwa nini ni vigumu kutenganisha kupashwa joto na athari “non-termal”?

Tatizo muhimu la kimetodolojia katika tafiti za athari za kibaolojia za THz ni halijoto. Tafiti nyingi hupata mabadiliko madogo ya wastani wa halijoto; hata hivyo, hasa kwa vyanzo vya mapigo, mabadiliko ya ndani ya halijoto yanayoweza kutokea katika vipindi vifupi sana na ujazo mdogo yanaweza kuwa magumu kunaswa na kamera za infrared.

Kwa hiyo, kutokuonyesha ongezeko dhahiri kwa sensa ya halijoto katika jaribio hakuthibitishi peke yake kwamba majibu yote ya kibaolojia yaliyopimwa lazima yatokane na mekanizimu safi ya non-termal.

Mutajeni na uharibifu wa DNA

Katika tafiti za mutajeni wa bakteria zilizowasilishwa katika mapitio, Ames tests na tathmini nyingine za genotoksisiti hazikuonyesha mutasheni au uharibifu dhahiri wa DNA katika mifiduo karibu na 1,6 au 2,3 THz. Kinyume chake, mionzi ya UV na vidhibiti chanya vya kemikali vilisababisha uharibifu wa DNA uliotarajiwa.

Matokeo haya yanaendana na ukweli kwamba nishati ya fotoni za THz ni ndogo kwa kuvunja moja kwa moja vifungo vya kovalenti. Hata hivyo, kubadilika kwa uelezaji wa jeni au usanisi wa protini si tukio lile lile la kibaolojia kama kuvunjika kimwili kwa DNA.

Je, spektroskopi ya THz inaweza kutambua kijidudu moja kwa moja kwa “alama ya kidole” ya masafa?

Kulingana na tathmini ya chanzo, ni tatizo kutarajia vilele vikali na vya kuaminika vya ufyonzaji wa THz vilivyo mahususi kwa spishi katika vijidudu changamano; msongamano mkubwa wa hali za biomolekuli, muundo amorphous, mtawanyiko na hasa ufyonzaji mpana wa maji hufanya spektra kuwa endelevu, kwa hiyo baadhi ya vilele vikali vilivyoripotiwa havipaswi kukubaliwa kama alama ya kidole ya kweli ya kibaolojia bila kutenganishwa na standing-wave, cavity, mvuke wa maji au artefakti za kelele.

Kwa nini molekuli ndogo ya kristali na bakteria hazitendi kwa namna ileile?

Molekuli ndogo zinaweza kuunda rezonansi mahususi za phonon katika awamu ya kristali kutokana na mpangilio wa masafa marefu. Kinyume chake, bakteria ni mchanganyiko changamano wa protini, lipidi, asidi nukleiki, metaboliti, maji na molekuli nyingine nyingi.

Hali za mitetemo ya masafa ya chini ya makromolekuli za kibaolojia zinaweza kuwa nyingi na kuingiliana. Mtandao wa vifungo vya hidrojeni katika maji ya seli huunda pia mandharinyuma pana na yenye nguvu ya ufyonzaji wa THz. Kwa hiyo, ni vigumu zaidi kuchagua rezonansi kali ya molekuli moja katika spektra ya seli nzima.

Mifumo ya THz-TDS na CW

Katika mifumo ya THz time-domain spectroscopy (THz-TDS), antenna za fotokonduktivu, kristali za electro-optic au vitoa THz vingine vinaweza kuchochewa kwa mipigo ya optiki ya femtosekondi. Uga wa umeme wa THz wa mzunguko mmoja wa pikosekondi hupimwa katika kikoa cha muda.

Fourier transform inapotumika kwenye ishara ya muda, spektra ya masafa pana hupatikana. Kwa sababu ya kipimo koherenti, taarifa za amplitudo na awamu zinaweza kutolewa pamoja.

Mifumo ya continuous-wave (CW) kwa kawaida hutoa upana mwembamba wa mstari na nguvu ya juu ya kutoka. Mchanganyiko wa chanzo–detekta kama Schottky diodes, backward-wave oscillator sources, bolometer au Golay cell unaweza kutumika.

Transmiseni na uakisi

Katika jiometria ya transmiseni, miale ya THz hupitishwa kwenye sampuli na ishara zenye sampuli na zisizo na sampuli hulinganishwa. Wakati sampuli ina hidrasheni nyingi, ufyonzaji mkubwa wa maji hupunguza sana transmiseni.

Katika jiometria ya uakisi, badala ya kupita nyuma ya sampuli, uga unaorudi kutoka kwenye kiolesura hupimwa. Hasa kwa sampuli za kibaolojia za kimiminika au zenye maji mengi, jiometria za uakisi na ATR zinaweza kufaa zaidi.

Kwa nini maji ni tatizo kuu la kiufundi katika mikrobiolojia ya THz?

Kwa kuwa maji yana ufyonzaji mkubwa sana na mpana katika masafa ya THz, mazingira ya asili yenye hidrasheni ya vijidudu hai hudhoofisha sana ishara ya THz; kukausha sampuli kunaweza kuongeza unyeti lakini hubadilisha muundo wa kifizolojia, hivyo tatizo kuu la kihandisi katika eneo hili ni kuweka uwiano unaofaa kati ya uhai na unyeti wa kipimo.

Gharama ya dehidratheni

Seli moja moja zinaweza kudondoshwa na kukaushwa juu ya uso wa sensa, au makoloni yanaweza kuchukuliwa kutoka uso wa agar na kuwekwa katika sehemu zenye unene uliobainishwa. Kukausha kwa joto hupunguza ufyonzaji wa maji lakini kunaweza kuharibu muundo wa seli.

Kukausha kwa kugandisha kunaweza kuhifadhi muundo vizuri zaidi; hata hivyo, sampuli haitakuwa tena katika hali yake ya asili, hai na yenye hidrasheni kamili.

Seli nyembamba na mikrofluidiki

Chanzo kinajadili kuwa seli za kimiminika zenye urefu uliobainishwa na mifumo ya mikrofluidiki zinaweza kutumiwa kupima bakteria hai katika hali zilizo karibu zaidi na fiziolojia. Tabaka nyembamba la kimiminika hupunguza njia ya mwanga wa THz ndani ya maji, huku jiometria ya mikrofluidiki ikiwezesha kuhamisha ujazo mdogo wa sampuli kwa udhibiti.

Hata hivyo, katika transmiseni hutokea maelewano: tabaka linapokuwa jembamba, ufyonzaji wa maji hupungua, lakini njia ya mwingiliano kati ya sampuli na mwanga pia hupungua na kontrasti ya kibaolojia inaweza kudhoofika.

Mfano wa ATR na ujifunzaji wa mashine

Katika utafiti mmoja uliowasilishwa katika mapitio, spektra za THz zilizopatikana kwa attenuated total reflection zilichanganuliwa kwa ujifunzaji wa mashine na vijidudu 13 vya kawaida viliainishwa katika makundi matatu: bakteria Gram-chanya, bakteria Gram-hasi na fangasi. Usahihi wa jumla ulioripotiwa ulikuwa %80,77.

Matokeo haya ni mfano mmoja wa utafiti unaoonyesha uwezo wa THz + ujifunzaji wa mashine. Thamani ya %80,77 si utendaji wa jumla unaoweza kuenezwa kwa vijidudu vyote, aina zote za sampuli au matumizi ya kawaida ya kliniki.

Kuvuka kikomo cha difraksia kwa THz s-SNOM

Urefu wa wimbi wa THz wa uga wa mbali ni mkubwa ikilinganishwa na bakteria wa ukubwa wa mikromita. Kwa hiyo, katika upigaji picha wa kawaida wa THz ni vigumu kutenganisha moja kwa moja seli moja na miundo ya ndani ya seli.

THz s-SNOM hutumia kutawanywa kwa uga wa karibu wa THz na ncha ya ukubwa wa nanomita katika darubini ya nguvu za atomiki. Ncha hutetemeka kwa masafa maalumu na ishara iliyotawanyika hudimodulishwa katika harmoniki ili kutenganishwa na mandharinyuma kubwa ya uga wa mbali.

Chanzo kinaeleza kuwa mkabala huu unaweza kufikia azimio la makumi ya nanomita na kwamba picha ya morfolojia ya AFM na mwitikio wa ndani wa dielectriki wa THz vinaweza kupatikana katika skani ileile.

Demodulesheni ya harmoniki ya juu inaweza kuongeza uteuzi wa uga wa karibu na azimio la anga; kwa upande mwingine, nguvu ya ishara hupungua. Katika Figure 14, chanzo kinalinganisha picha za E. coli kwa demodulesheni za 2Ω, 3Ω, 4Ω na 5Ω kwa kuzingatia maelewano haya.

Sensa za metamaterial na metasurface

Kwa kuwa vijidudu ni vidogo sana kuliko urefu wa wimbi wa THz, mwingiliano wao wa moja kwa moja na uga unaoingia ni dhaifu. Katika sensa za metamaterial, rezoneta za metali za chini ya urefu wa wimbi hukusanya uga wa umeme katika ujazo mdogo.

Sampuli inapobadilisha mazingira ya ndani ya dielectriki karibu na rezoneta, masafa ya rezonansi, amplitudo ya rezonansi au upana wa mstari vinaweza kubadilika. Mabadiliko haya yanaweza kuhusishwa na idadi ya vijidudu au mkusanyiko wa biomolekuli.

Q-factor na unyeti vinaeleza nini?

Chanzo kinafafanua quality factor (Q-factor) kwa sensa za rezonansi kama uwiano wa masafa ya rezonansi kwa upana wa mstari wa rezonansi. Thamani kubwa ya Q huunda kilele au shimo la rezonansi lililo jembamba zaidi na hurahisisha usomaji nyeti zaidi wa mabadiliko madogo ya masafa.

Unyeti kwa kawaida huripotiwa kama mabadiliko ya masafa ya rezonansi kwa kila badiliko la kitengo katika refractive index, yaani GHz/RIU au THz/RIU. Katika uchanganuzi wa vijidudu, limit of detection (LOD) inaweza pia kutolewa kwa CFU/mL, msongamano wa seli, pg/mL, molarity au vitengo vingine mahususi kwa lengo.

Tahadhari muhimu ya chanzo ni kwamba namna za kuripoti LOD katika fasihi ya mikrobiolojia ya THz bado hazijasanifishwa. Kupanga moja kwa moja thamani za LOD zenye vitengo tofauti kunaweza kupotosha kisayansi.

Nafasi ya virusi katika mapitio

Ingawa virusi haviainishwi kama viumbe hai katika mfumo wa domain tatu, utafiti wa chanzo uliingiza pia tafiti za virusi katika wigo wa kugundua vijidudu kwa sababu itifaki za kugundua THz hutegemea mizani na usanifu wa sensa unaofanana.

Sensa za metamaterial na nanoantenna kwa SARS-CoV-2, virusi vya influenza, bacteriophages, HBV DNA na malengo mengine ya virusi zinachunguzwa.

Chanzo kinajadili hasa kwamba badala ya kugundua virusi vyote kwa upakiaji wa dielectriki usio na uteuzi, kulenga protini ya spike, DNA au biomolekuli nyingine mahususi kwa kingamwili, aptamer au nanopartikeli kunaweza kuongeza uteuzi.

Mikrobiolojia ya mimea na mazingira

Teknolojia ya THz haichunguzwi kwa kugundua vijidudu vya kliniki pekee. Chanzo kinashughulikia pia matumizi katika magonjwa ya mimea na ufuatiliaji wa mazingira.

Mabadiliko ya maudhui ya maji yanayosababishwa na maambukizi ya fangasi katika chestnut na hazelnut yanaweza kuathiri upitishaji wa THz. Magonjwa ya viazi, powdery mildew ya tango, magonjwa ya majani ya nyanya na mbao zilizoambukizwa pia yamechunguzwa.

Katika tafiti za mikroalgae, tathmini ya msongo wa metali nzito imechunguzwa kwa kuhusisha data za spektra za THz/FTIR na mabadiliko ya carotenoid, wanga na metaboliti nyingine.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Kazi hii si jaribio asilia, bali ni usanisi wa fasihi

Chanzo hakitengenezi utamaduni mpya wa vijidudu, kipimo kipya cha THz au modeli mpya ya uainishaji. Makala ni utafiti wa Review unaokusanya kwa mada tafiti za mikrobiolojia ya THz zilizochapishwa hapo awali.

Katika chanzo hakuna sehemu rasmi ya mbinu ya mapitio ya kimfumo, mchoro wa PRISMA, hoja ya hifadhidata ya kielektroniki, idadi ya rekodi za awali, vigezo vya kujumuisha/kuondoa au tathmini ya risk-of-bias iliyoripotiwa. Kwa hiyo, Verianla haiainishi upya usemi “systematic investigation” katika maandishi kama “systematic review” katika maana ya kimetodolojia.

Mihimili miwili mikuu ya mapitio

Jukumu la Figure 1 ya chanzo

Figure 1 inaonyesha mifano ya vijidudu chini ya makundi ya Archaea, Bacteria na Eukarya ya hadubini. Virusi si sehemu ya mpangilio huu wa kiteksonomia; chanzo hujumuisha virusi baadaye kwa sababu tu tafiti za kugundua THz zina sifa za majaribio zinazofanana.

Jukumu la Figure 2 ya chanzo

Figure 2 inalinganisha eneo la THz katika spektra ya sumakuumeme na mizani ya takriban ya ukubwa wa vijidudu na miundo ya ndani ya seli. Kusudi kuu la mchoro ni kueleza kwa taswira kutolingana kwa ukubwa kati ya urefu wa wimbi wa THz na lengo la kibaolojia la kiwango cha mikromita.

Jukumu la Figure 3 ya chanzo

Figure 3 inakusanya mifano kutoka tafiti za majaribio zilizochapishwa hapo awali zinazoonyesha mkusanyiko wa seli za E. coli, uelezaji wa protini ya floresensi na mabadiliko ya utando/mofolojia baada ya mionzi ya THz.

Kwa kuwa paneli hizi zinatoka katika tafiti tofauti, hazipaswi kusomwa kama matokeo yanayokamilishana ya itifaki moja ya mfiduo wa THz.

Jukumu la Figure 4 ya chanzo

Figure 4 inaeleza mkabala wa biosensa ya E. coli iliyodhibitiwa kijenetiki na inayojibu kichocheo cha THz. Katika mpangilio wa jeni wa promoter–reporter, shughuli ya promoter inayohusiana na njia fulani za kimetaboliki chini ya THz ilifuatiliwa kupitia ishara ya reporter ya floresensi.

Jukumu la Figure 5 ya chanzo

Figure 5 inaonyesha vipengele vya chanzo, njia ya optiki na detekta vya mfumo wa kawaida wa THz-TDS; pia inaonyesha ubadilishaji wa ishara ya pikosekondi ya time-domain kuwa spektra ya frequency-domain kwa Fourier transform.

Jukumu la Figure 6 ya chanzo

Figure 6 inaonyesha mfumo wa THz s-SNOM na ramani ya pamoja ya topografia ya AFM na mwitikio wa ndani wa THz. Katika mfano wa E. coli na B. subtilis, inaonyeshwa kuwa seli zinazofanana kimofolojia zinaweza kuwa na sifa tofauti za ndani za dielectriki.

Jukumu la Figure 7 ya chanzo

Figure 7 inalinganisha picha za THz na near-infrared za powdery mildew ya tango. Chanzo kikuu cha kibaolojia cha kontrasti ya THz hapa ni mabadiliko ya maudhui ya maji katika tishu za mmea yanayosababishwa na maambukizi ya fangasi.

Jukumu la Figure 8 na Figure 9 ya chanzo

Figure 8 inaonyesha mantiki ya sensa za metamaterial za THz kama nano-slot na split-ring resonator za kukusanya uga wa umeme katika maeneo madogo ambako lengo la kibaolojia lipo.

Figure 9 inaeleza kuhamishwa kwa masafa ya rezonansi kutokana na kupakiwa kwa vijidudu na jinsi tofauti katika muundo wa ukuta wa seli/dielectric constant kati ya aina tofauti za vijidudu zinavyoweza kubadilisha mwitikio wa sensa.

Jukumu la Figure 10 ya chanzo

Figure 10 inaonyesha kuwa katika utambuzi wa vijidudu si kipimo cha masafa pekee bali pia kipimo cha halijoto kinaweza kutumiwa. Metamaterial iliyofunikwa na vijidudu inapopashwa joto, mabadiliko ya rezonansi yanaweza kutokea kutokana na ukuaji, ulemavu wa joto, denaturation ya DNA na kuharibika kwa ukuta wa seli.

Waandishi wanajadili mkabala huu kama kipimo cha ziada cha kutofautisha kinachofanana na “thermal fingerprint”. Hii si sawa na dhana ya alama ya kidole ya masafa ya moja kwa moja inayokosolewa na chanzo.

Jukumu la Figure 11 ya chanzo

Figure 11 inatoa mifano ya sensa za virusi na biomolekuli za virusi. Kwa virusi vya influenza, mabadiliko ya masafa/amplitudo ya nanoslot antennas na uimarishaji wa ishara unaosaidiwa na nanopartikeli katika mfuatano lengwa wa HBV yanaonyeshwa.

Jukumu la Figure 12 ya chanzo

Figure 12 inaonyesha jiometria ya THz-ATR dhidi ya tatizo la ufyonzaji mkubwa wa maji. Pia inaonyesha mfano wa uainishaji wa vijidudu 13 vya kawaida kama Gram-chanya, Gram-hasi na fangasi kwa kutumia spektra zao za ufyonzaji.

Jukumu la Figure 13 ya chanzo

Figure 13 inaonyesha ujumuishaji wa mfumo wa mikrofluidiki unaofungasha bakteria hai katika matone madogo ya maji na vipimo vya THz. Muundo huu unalenga kuweka uwiano wa kihandisi kati ya mazingira ya maji yanayohifadhi uhai na ufyonzaji mkubwa wa THz na maji.

Jukumu la Figure 14 ya chanzo

Figure 14 inaonyesha mabadiliko ya azimio la anga yanayopatikana kwa demodulesheni ya ishara ya s-SNOM katika harmoniki tofauti. Kadiri mpangilio wa harmoniki unavyoongezeka, mchango wa ndani wa uga wa karibu unaonekana zaidi huku ishara iliyopimwa ikidhoofika.

Vigezo vinavyopendekezwa kwa usanifishaji katika majaribio ya kibaolojia ya THz

Jedwali hili ni mojawapo ya matokeo muhimu ya kimetodolojia ya mapitio. Waandishi hawapendekezi kiwango kimoja cha masafa au nguvu kitakachotumika kwa majaribio yote; kwa sababu vigezo hivi ni sehemu ya swali lenyewe la utafiti. Badala yake, wanapendekeza vigezo vya sumakuumeme, joto na kibaolojia vilivyotumika katika tafiti viripotiwe kikamilifu na kwa vitengo vya pamoja.

Changamoto kuu za kiufundi

Nguvu za mapitio

• Kutathmini majukumu ya THz katika uchochezi wa kibaolojia na kugundua vijidudu ndani ya mfumo mmoja.
• Kulinganisha malengo ya bakteria, chachu, archaea, mikroalgae na virusi kwa wigo mpana wa teknolojia.
• Kueleza THz-TDS, CW, ATR, s-SNOM, metamaterial na mifumo ya mikrofluidiki ndani ya mfumo mmoja wa kifizikia.
• Kutokunukuu tu madai ya “THz fingerprint” bali kuyatathmini kwa ukosoaji kutoka mtazamo wa fizikia ya condensed matter.
• Kujadili wazi mipaka ya msingi ya kifizikia kama ufyonzaji wa maji na azimio la anga.
• Kupendekeza jedwali la kina la kuripoti vigezo vya majaribio kwa ajili ya urudufu.

Mapungufu ya kimetodolojia ya mapitio

• Itifaki rasmi ya utafutaji wa mapitio ya kimfumo haijaripotiwa.
• Heterojenia ya chanzo, masafa, nguvu, muda wa mfiduo, halijoto na lengo la kibaolojia ni kubwa sana kati ya tafiti.
• Ni vigumu kutenganisha moja kwa moja vipengele vya joto na non-termal vya athari za kibaolojia za THz kati ya tafiti tofauti.
• Vitengo vya LOD na namna za kuripoti utendaji si za kawaida katika tafiti za kugundua vijidudu.
• Tafiti nyingi za metamaterial zenye unyeti mkubwa zimefanywa kwa sampuli za maabara.
• Sehemu kubwa ya tafiti za mikrobiolojia za s-SNOM imewekewa mipaka na sampuli zilizodehidratiwa.
• Katika matumizi ya virusi na sampuli za kliniki, uthibitishaji mpana unahitajika kwa uimara wa hali halisi ya uwanja/kliniki na athari za mwingilio.
• Baadhi ya thamani kubwa za Q-factor au unyeti zilizoripotiwa kwa simuleringi huenda zisifikie kiwango kilekile katika vifaa vya vitendo.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

Mionzi ya THz inaweza kusababisha mabadiliko ya kimetaboliki, unakili, tafsiri na yanayohusiana na utando katika vijidudu chini ya hali fulani za majaribio.

Teknolojia ya THz inaweza kutumiwa kupima sifa za dielectriki za vijidudu au vipengele vyake vya biomolekuli na kutofautisha sampuli tofauti.

Teknolojia za metamaterial na uga wa karibu zinaweza kupunguza kutolingana kati ya urefu wa wimbi wa THz na ukubwa wa kijidudu, na hivyo kuboresha unyeti wa kipimo na azimio la anga.

Ufyonzaji wa maji ni mojawapo ya vikwazo vikuu vya kifizikia vya vipimo vya THz kwa vijidudu hai.

Usanifishaji wa majaribio na kuripoti kwa kina vigezo ni muhimu ili kuboresha urudufu wa fasihi ya athari za kibaolojia za THz.

Hitimisho ambazo utafiti hauungi mkono

Utafiti hauonyeshi kuwa masafa yote ya THz huongeza ukuaji wa vijidudu.

Utafiti hauonyeshi kuwa mionzi ya THz haina madhara ya kibaolojia katika hali zote.

Utafiti hauonyeshi kuwa kila aina ya bakteria au virusi ina alama moja ya kuaminika ya kidole ya masafa ya THz.

Thamani za chini zaidi za LOD katika mapitio si utendaji wa jumla wa THz unaoweza kupatikana katika aina zote za sampuli na mazingira ya kliniki.

Matokeo ya sensa za SARS-CoV-2, influenza au virusi vingine katika mazingira ya maabara hayamaanishi uthibitishaji wa uchunguzi wa kliniki wa kawaida.

Usahihi wa uainishaji mmoja mmoja uliopatikana kwa ujifunzaji wa mashine si usahihi wa pamoja wa matumizi yote ya mikrobiolojia ya THz.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Research Progress of Terahertz Technology in Microbiology

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

Mwandishi anayewasiliana: Xuequan Chen.

Taasisi: 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.

Jarida: Biosensors.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Taarifa ya uchapishaji: 2026; juzuu 16; toleo 9; makala 515. Tarehe ya uchapishaji: 11 Septemba 2026.

DOI: 10.3390/bios16090515

Aina ya chanzo: Makala ya Review iliyopitiwa na wataalamu na yenye ufikiaji wazi.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Maneno muhimu: terahertz, spectroscopy, sensing, microbiology, bacteria, radiation effect.

Wigo wa mapitio: Athari za kibaolojia za mionzi ya THz kwa vijidudu na teknolojia za THz za kugundua/kupiga picha vijidudu.

Kikomo cha mbinu ya mapitio: Maandishi ya chanzo hayaripoti mtiririko wa PRISMA, hoja rasmi za utafutaji wa hifadhidata, idadi ya rekodi, vigezo vya kujumuisha/kuondoa au tathmini ya ubora wa utafiti/risk-of-bias. Kwa hiyo, maudhui ya Verianla hayaainishi makala kama mapitio rasmi ya kimfumo.

Mifumo kuu ya THz: THz-TDS na continuous-wave THz systems; jiometria za transmiseni na uakisi.

Mikabala kuu ya kuongeza unyeti: Metamaterials/metasurfaces, split-ring resonators, nanoantennas, seli za mikrofluidiki, nanoparticles, miundo ya graphene, ATR na THz s-SNOM.

Kikomo kikuu cha kifizikia: Ufyonzaji mkubwa wa maji katika masafa ya THz husababisha kupotea kwa ishara katika vipimo vya vijidudu hai na vyenye hidrasheni.

Kikomo kikuu cha upigaji picha: Azimio la THz la uga wa mbali halitoshi kwa kiwango cha seli moja; mbinu za uga wa karibu kama s-SNOM zinatengenezwa dhidi ya kikomo hiki.

Kikomo kikuu cha uteuzi: Kupata moja kwa moja alama za ufyonzaji wa THz zilizo kali, za kuaminika na mahususi kwa spishi katika vijidudu kamili ni tatizo la kifizikia na kimajaribio.

Kikomo cha usanifishaji: Chanzo cha THz, masafa, upana wa bendi, hali ya mpigo, msongamano wa nguvu, nguvu ya uga, muda wa mfiduo, halijoto, mkusanyiko wa seli, awamu ya ukuaji na ujazo wa sampuli haviripotiwi kwa namna iliyosanifishwa kati ya tafiti.

Chanzo Figure 1: Inaonyesha makundi na mifano ya vijidudu.

Chanzo Figure 2: Inalinganisha spektra ya sumakuumeme na ukubwa wa vijidudu na miundo ya seli.

Chanzo Figure 3: Inaonyesha mifano ya matokeo tofauti ya majaribio ya mfiduo wa THz kwa mofolojia na uelezaji wa bakteria.

Chanzo Figure 4: Inaonyesha mkabala wa biosensa ya E. coli nyeti kwa THz inayotumia genetic reporter.

Chanzo Figure 5: Inaonyesha mpangilio wa THz-TDS na ishara za kikoa cha muda na masafa.

Chanzo Figure 6: Inaeleza upigaji picha wa bakteria wa uga wa karibu kwa THz s-SNOM.

Chanzo Figure 7: Inaonyesha mfano wa upigaji picha wa THz wa ugonjwa wa fangasi wa mimea.

Chanzo Figure 8–9: Inaonyesha sensa za vijidudu za THz zenye msingi wa metamaterial na mabadiliko ya rezonansi.

Chanzo Figure 10: Inaonyesha matumizi ya mabadiliko ya rezonansi ya THz yanayotegemea halijoto ya vijidudu kama sifa ya ziada ya uainishaji.

Chanzo Figure 11: Inatoa mifano ya sensa za THz za virusi na biomolekuli za virusi.

Chanzo Figure 12: Inaonyesha mfano wa uainishaji wa vijidudu kwa THz-ATR na ujifunzaji wa mashine.

Chanzo Figure 13: Inaonyesha kipimo cha THz chenye hidrasheni cha bakteria hai kwa teknolojia ya matone ya mikrofluidiki.

Chanzo Figure 14: Inaonyesha uhusiano kati ya mpangilio wa demodulesheni ya harmoniki ya s-SNOM na azimio la anga/ishara.

Chanzo Table 1: Inalinganisha teknolojia za jadi na za kisasa za utafiti zinazotumiwa katika mikrobiolojia.

Chanzo Table 2: Inalinganisha masafa, nguvu, mfiduo, halijoto na matokeo ya kibaolojia ya tafiti za athari za THz kwa vijidudu.

Chanzo Table 3: Inakusanya miundo ya sensa za THz, rezonansi na vipimo vya utendaji vilivyoripotiwa kwa bakteria, fangasi, chachu, virusi na malengo mengine.

Chanzo Table 4: Inaorodhesha vigezo vya sumakuumeme, joto na kibaolojia vinavyopendekezwa kuripotiwa kwa pamoja katika tafiti za baadaye za athari za kibaolojia za THz.

Ufadhili: 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).

Kamati ya maadili: Haitumiki.

Ridhaa yenye taarifa: Haitumiki.

Upatikanaji wa data: Hakuna data mpya iliyozalishwa au kuchanganuliwa katika utafiti; kushiriki data hakutumiki.

Mgongano wa maslahi: Waandishi hawakuripoti mgongano wa maslahi; imeelezwa kuwa wafadhili hawakuwa na jukumu katika muundo wa utafiti, uchanganuzi/ufafanuzi wa data, uandishi au uamuzi wa kuchapisha.

Tamko la matumizi ya akili bandia: Waandishi waliripoti kutumia DeepSeek-V3 kwa uhariri wa lugha ya Kiingereza na kuboresha usomekaji; walikagua na kuhariri matokeo na wakachukua wajibu wa maudhui ya mwisho.

Dokezo la hakimiliki/kuonekana: Ingawa makala yenyewe ina leseni ya CC BY, baadhi ya paneli za michoro zimetumika tena kutoka machapisho mengine na zina masharti yao ya awali ya leseni/ruhusa. Kwa Verianla, michoro na grafu asilia zinazotegemea mahusiano ya kisayansi zinapaswa kupendelewa badala ya nakala za pikseli za michoro ya chanzo.

Mbinu ya uwasilishaji ya Verianla: Maudhui haya si tafsiri ya abstract na conclusion pekee. Spektra ya sumakuumeme, mwingiliano wa THz–biomolekuli, athari za kibaolojia kwa vijidudu, kikomo cha mutajeni, vifaa vya THz-TDS/CW, maandalizi ya sampuli, ufyonzaji wa maji, s-SNOM, sensa za metamaterial, ugunduzi wa virusi, matumizi ya mimea na mazingira, vipimo vya utendaji, usanifishaji na urudufu vimepangwa upya kama tabaka tofauti za kisayansi.

Kikomo cha matumizi: Sehemu kubwa ya matokeo ya majaribio na sensa yanayowasilishwa katika mapitio yanatokana na utafiti wa maabara. Ili teknolojia ya THz iwe chombo cha kawaida cha mikrobiolojia ya kliniki, mazingira au viwanda, itifaki zilizosanifishwa, uthibitishaji katika sampuli halisi zenye hidrasheni, uteuzi, uimara dhidi ya mwingilio na tafiti kubwa za urudufu zinahitajika.