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: Belirtilmemiş.
Özet
Zamana dayal terahertz sepektroskopisinin (THz-TDS) biyolojik ve biyolojik olmayan malzemelerin ölçümleri için ayr cal kl bir gereç oldu§u kan tlanm ³t r. Bu methodun tercih edilmesinin ana sebebi terhertz dalgalar n n dü³ük uyarma enerjisinden dolay genel anlamda zarars z olmas d r. Buna ek olarak so§rulma ve k r lma indisi gibi parametreler modelleme kullan lmadan direk olarak veriden ç kart labilir. Pompa/Sonda deneylerinde oldu§u gibi bir sistemin dinamik davran ³lar n n karakterize edilmesi için terahertz dalgalar n n dü³ük enerjisi THz-TDS'i kullan ³l bir araç haline getiriyor. Ayr ca terahertz dalgalar n n önde gelen özellikleri, su içeri§i, titre³im spektrumlar ve burulma modlar gibi biyolojik örneklerin baz önemli niteliklerinin incelenmesine olanak sa§lamaktad r. BuC1 C9 halka burulmalar olarak verilmi³tir. Farkl konsantrasyonlarda polyethylene ve L-tryptophan kar ³t r larak pellet örnek haz rland § nda so§urmada ve k r l m indisi pro linde farkl l klar gözlemlenir. Sonuçlar göstermektedir ki zamana dayal terahertz spektroskopisi tryptophan gibi belirli amino asitlerin konsantarsasyon de§i³iminin izlenmesinde yaln zca frekans uzay nda de§il, zaman uzay nda da kullan ³l bir gereçtir. Bu tezde özetlenmi³ olan ölçümler, biyolojik malzemelere uyguland§ nda THz pulse tekniklerinin limitlerinin ve belirleme kapasitesinin anla³ lmas na ³ k tutacakt r. çal ³mada THz-TDS sistemi ultrafast sub 20fs Ti: sapphire mode-locked lazer kayna§ ile ODTÜ'de mevcut olan tesislerde tasarlanm ³ ve kurulmu³tur. Kurulumu tamamlanan zamana dayal terahertz spektrometresi ile gerçekle³tirilen deneyler arac l § yla çe³itli biyolojik maddelerin davran ³ incelenmi³tir. Çal ³- viii malar s ras nda özellikle terahertz ³ mas n n di³ gibi sert dokular ve deri gibi yumu³ak dokular ile olan etkile³imine konsantre olunmu³tur. Üstelik ³ man n L-tryptophan amino asidi ile olan etkile³imi de ara³t r lm ³t r. Yumu³ak doku çal ³malar yan k hastalar n n karakterizasyonu için tekniklerin geli³tirilmesi yönünde yo§unla³t r lm ³t r. Yan k yaras n n s v miktar nda ger- çekle³en de§i³imin gözlemlenmesi tedavi sürecinin en önemli faktorüdür. Terahertz dalgalar n n su taraf ndan yüksek emilimi ve bir çok görünürde opak olan maddenin terahertz dalgalar na transparan olmas sebebiyle, zamana dayal terahertz teknikleri iyile³me sürecini mevcut bandaj ç karmadan da gözlemlenebilmesi için önemlidir. Cam plaka üzerine yerle³tirilen yan k fare derisi ve cam plaka üzerinde yerle³tirilip alt nda su damlas bulunan yan k fare derisi kar³ la³- t r lm ³t r ve 0.6-1THz aras nda ölçümlerin so§urum katsay lar büyük bir fark göstermi³tir. Sert doku çal ³malar ise dental uygulamalara odaklanm ³t r. nce dilimlenerek haz rlanan süt ve yeti³kin di³ örnekleri, ya³ ve kuru durumlarda ölçülmü³tür. Ya³ örnekler kuru örneklere göre daha yüksek so§urmaya ve dü³ük k r l m indisine sahiptir. Buna ek olarak, di³ örneklerinin yar s çürük ba³lang c göstermektedir ve k r lma indisi de, so§urma özellikleri de sa§l kl olan örneklere göre farkl l klar göstermektedir. 0.1-0.5 THz aras nda çürük di³ örnekleri sa§l kl olan di³lere gore daha dü³ük k r l m indisine ve daha yüksek so§urmaya sahiptir. Sonuçlar mine ve dentin tabakas aras nda da net farkl l klar oldu§unu göstermektedir. Ayr ca çürükler k r lma indisinde ve so§urma pro linde sert de§i³imlere sebep olmaktad r 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 konsantrasyonlar n n tespit edilebilmesindeki potansiyeli, bilinen bir biyolojik örne§in arkaplan ortam ndan ayr ³t r lmas na odaklanan çal ³malar ile test edilmi³tir. Konsantrasyona dayal L-tryptophan çal ³mas n n ilk ad m nda 0.1-2 THz frekans aral § nda 1.42THz ve 1.82THz frekanslar nda bulunan karakteristik tryptofan pikleri saf örnekler ile gözlemlenmi³tir. Bu piklerin nedenleri s ras yla 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 di erence 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 di erences 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 di erences 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 0.1 2 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 C1 C9 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 di erent 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
- 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
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. HAKAN ALTAN
YRD. DOÇ. DR. TUBA OKUTUCU
- 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
- 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
- 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
- Wine quality testing by using terahertz spectroscopy
Şarap kalite analizinde terahertz spectroskopi incelemesi
GALİP YİYEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizikokimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OKAN ESENTÜRK