Terahertz time-domain spectroscopy and its applicationtowards measurements in biology
Zaman dayalı terahertz spektroskops ve biyolojk ölçümlere yönelk uygulamaları
- Tez No: 442280
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN ALTAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Terahertz, TDS, Laser, Spectroscopy vii
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Zamana dayal terahertz sepektroskopisinin (THz-TDS) biyolojik ve biyolojik olmayan malzemelerin ölçümleri için ayrcalkl bir gereç oldu§u kantlanm³tr. Bu methodun tercih edilmesinin ana sebebi terhertz dalgalarnn dü³ük uyarma enerjisinden dolay genel anlamda zararsz olmasdr. Buna ek olarak so§rulma ve krlma indisi gibi parametreler modelleme kullanlmadan direk olarak veriden çkartlabilir. Pompa/Sonda deneylerinde oldu§u gibi bir sistemin dinamik davran³larnn karakterize edilmesi için terahertz dalgalarnn dü³ük enerjisi THz-TDS'i kullan³l bir araç haline getiriyor. Ayrca terahertz dalgalarnn önde gelen özellikleri, su içeri§i, titre³im spektrumlar ve burulma modlar gibi biyolojik örneklerin baz önemli niteliklerinin incelenmesine olanak sa§lamaktadr. BuC1C9 halka burulmalar olarak verilmi³tir. Farkl konsantrasyonlarda polyethylene ve L-tryptophan kar³trlarak pellet örnek hazrland§nda so§urmada ve krlm indisi pro linde farkllklar gözlemlenir. Sonuçlar göstermektedir ki zamana dayal terahertz spektroskopisi tryptophan gibi belirli amino asitlerin konsantarsasyon de§i³iminin izlenmesinde yalnzca frekans uzaynda de§il, zaman uzaynda da kullan³l bir gereçtir. Bu tezde özetlenmi³ olan ölçümler, biyolojik malzemelere uyguland§nda THz pulse tekniklerinin limitlerinin ve belirleme kapasitesinin anla³lmasna ³k tutacaktr. çal³mada THz-TDS sistemi ultrafast sub 20fs Ti: sapphire mode-locked lazer kayna§ ile ODTÜ'de mevcut olan tesislerde tasarlanm³ ve kurulmu³tur. Kurulumu tamamlanan zamana dayal terahertz spektrometresi ile gerçekle³tirilen deneyler aracl§yla çe³itli biyolojik maddelerin davran³ incelenmi³tir. Çal³- viii malar srasnda özellikle terahertz ³masnn di³ gibi sert dokular ve deri gibi yumu³ak dokular ile olan etkile³imine konsantre olunmu³tur. Üstelik ³mann L-tryptophan amino asidi ile olan etkile³imi de ara³trlm³tr. Yumu³ak doku çal³malar yank hastalarnn karakterizasyonu için tekniklerin geli³tirilmesi yönünde yo§unla³trlm³tr. Yank yarasnn sv miktarnda ger- çekle³en de§i³imin gözlemlenmesi tedavi sürecinin en önemli faktorüdür. Terahertz dalgalarnn su tarafndan yüksek emilimi ve bir çok görünürde opak olan maddenin terahertz dalgalarna transparan olmas sebebiyle, zamana dayal terahertz teknikleri iyile³me sürecini mevcut bandaj çkarmadan da gözlemlenebilmesi için önemlidir. Cam plaka üzerine yerle³tirilen yank fare derisi ve cam plaka üzerinde yerle³tirilip altnda su damlas bulunan yank fare derisi kar³la³- trlm³tr ve 0.6-1THz arasnda ölçümlerin so§urum katsaylar büyük bir fark göstermi³tir. Sert doku çal³malar ise dental uygulamalara odaklanm³tr. nce dilimlenerek hazrlanan süt ve yeti³kin di³ örnekleri, ya³ ve kuru durumlarda ölçülmü³tür. Ya³ örnekler kuru örneklere göre daha yüksek so§urmaya ve dü³ük krlm indisine sahiptir. Buna ek olarak, di³ örneklerinin yars çürük ba³langc göstermektedir ve krlma indisi de, so§urma özellikleri de sa§lkl olan örneklere göre farkllklar göstermektedir. 0.1-0.5 THz arasnda çürük di³ örnekleri sa§lkl olan di³lere gore daha dü³ük krlm indisine ve daha yüksek so§urmaya sahiptir. Sonuçlar mine ve dentin tabakas arasnda da net farkllklar oldu§unu göstermektedir. Ayrca çürükler krlma indisinde ve so§urma pro linde sert de§i³imlere sebep olmaktadr ve bu nedenle terahertz teknikleri di³ hekimli§i için de§erli bir gereç olabilir. Son olarak, ölçüm tekniklerimizin hassasiyeti ve biyolojik maddelerin çok dü³ük oranlardaki konsantrasyonlarnn tespit edilebilmesindeki potansiyeli, bilinen bir biyolojik örne§in arkaplan ortamndan ayr³trlmasna odaklanan çal³malar ile test edilmi³tir. Konsantrasyona dayal L-tryptophan çal³masnn ilk admnda 0.1-2 THz frekans aral§nda 1.42THz ve 1.82THz frekanslarnda bulunan karakteristik tryptofan pikleri saf örnekler ile gözlemlenmi³tir. Bu piklerin nedenleri srasyla tryptophan molekülünde mevcut olan C11 ve C12 burulma hareketi ve ix
Özet (Çeviri)
Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) has proved to be an exceptional tool in measurements of biological and non-biological materials. The main reason why this method is preferred is that terahertz waves are typically harmless on samples due to the low excitation energy. Furthermore, one is able to extract parameters such as the absorption and refractive index easily directly from the data without using modeling. The low energy of the terahertz wave also makes it a useful tool for characterizing dynamic behavior of a system such as done with pump/probe experiments. Also, outstanding properties of terahertz waves provide opportunity to investigate some important characteristics of biological samples like water content, vibrational spectra, and torsional modes. In this work, THz-TDS system was designed and tested using the facilities available at METU driven with an ultrafast sub 20fs Ti: sapphire mode-locked laser source. By performing experiments with the home-built terahertz time-domain spectrometer the behavior of a variety of biological materials were investigated. Speci cally the studies concentrated in developing an understanding the interv action with terahertz radiation with hard tissues such as teeth and soft tissues such as skin. Furthermore, the interaction of the radiation with the speci c amino-acid L-trytophan was also investigated. Soft-tissue investigations focused on skin samples for development of techniques toward characterization of burn victims. Observation of changes in the burn injury's water content is one of the most important factors of the treatment. Because terahertz waves are highly absorbed by water and transparent through lots of visibly opaque materials, terahertz time-domain techniques are important to follow the healing process without removing the bandage. Burned rat-skin tissue on a glass plate was compared with glass plate with distilled drop of water underneath burned rat-skin sample and from the measurements absorption coe cients of these samples showed a large dierence between 0.6THz and 1THz. Hard-tissue studies focused on dental applications. Tooth samples, which were prepared by thinly slicing primary and adult teeth, were measured in the wet and dry states. Wet samples have higher absorption and lower refractive index compared to dry samples. In addition to that, half of the tooth samples showed signs of decay, and the refractive index as well as absorptive properties of these samples showed clear dierences when compared to intact ones. Between 0.1 THz and 0.5 THz, the decayed tooth samples have lower refractive index and higher power absorption than the intact ones. Results show that there are clear dierences between dentine and enamel sections of each sliced tooth. In addition, decays tend to drastically change the refractive index and absorption pro le which suggests that terahertz techniques can be an invaluable tool in dentistry. Finally, sensitivity of our measurement techniques and its potential in identifying minute concentrations of biological materials was tested in studies focused on discerning the concentration of a known biological sample in a background environment. In the rst step of the concentration based L-tryptophan study, the characteristic tryptophan peaks in the frequencies of 1.42 THz and 1.82 THz in the 0.12 THz frequency region were observed for pure samples. The explanation of these peaks is given as the torsional motion of C11 and C12 and the ring vi torsions of C1C9 in the tryptophan molecule, respectively. When mixed with varying concentrations of polyethylene in a pellet sample, clear changes were observed in both the absorption and refractive index pro les of samples with dierent L-tryp to polyethylene ratios. The results show that THz-time domain spectroscopy is a useful tool to monitor the change in concentration of certain amino acids like tryptophan in a background not only the frequency domain but also in the time-domain. The measurements as outlined throughout this thesis shed light on understanding the limits and detection capabilities of THz pulsed techniques when applied to biological materials.
Benzer Tezler
- Development of compact terahertz time-domain terahertz spectrometer using electro-optic detection method
Elekro-optik belirleme yöntemi ile kompakt atılımlı terahertz spektrometre geliştirilmesi
MUKADDES MELİZ METBULUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAKAN ALTAN
- Determination of optical constants by using thz time-domain spectroscopy
Thz zaman uzayı spektroskopisisini kullanarak optik sabitlerin hesaplanması
SALAH HAFFAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR CEM HASAR
- Experimental investigation of nanofluids using terahertz time domain spectroscopy (THz TDS)
Nano akışkanların zamana dayalı terahertz spektrometresi ile deneysel olarak incelenmesi
CAN KORAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ALTAN
YRD. DOÇ. DR. TUBA OKUTUCU
- Construction of terahertz spectrometers and their use in characterization of conductivities and modulation behaviors of graphene layers
Terahertz spektrometre kurulumu ve graphene tabakalarının iletkenlik ve modülasyon davranışlarının karakterizasyonu
EMİNE KAYA
- Investigation of effective medium absorbers for possible sensing applications in the sub-1 THz region
1 THz altı bölgede olası algılama uygulamaları için etkin ortam soğurucuların incelenmesi
OYTUN DEMİRÖRS
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizikokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKAN ESENTÜRK