近日，天津大学科研团队开发了一种新型太赫兹光声系统，该系统首次实现无须抽血或标记即可实时监测活体小鼠血钠水平，人体实验也证实了其临床应用潜力。相关成果日前发表在国际期刊《光学》上。
动态观测血钠浓度变化尤为重要
“钠离子是人体最重要的电解质之一，它参与调节水电解质平衡、能量代谢和细胞功能，对于机体免疫与炎症调节具有多方面重要作用。”在天津大学实验室，论文通讯作者、天津大学精密仪器与光电子工程学院光电子科学技术系教授田震向记者展示了血钠检测的重要性。他拿起一支采血管说，数据显示，全球每年有300万—600万患者出现血钠紊乱，其中低钠血症患病率达15%—20%，高钠血症患病率为9%，严重血钠失衡患者的死亡率高达40%—60%。
田震特别指出，伴有急性肾损伤、颅脑损伤或心力衰竭的危重患者更容易出现血钠失衡，即便是轻微的低钠血症，也可能导致心力衰竭等疾病的死亡率显著上升。而严重血钠失衡，与脑水肿等神经系统并发症密切相关，且临床症状的严重程度取决于血钠离子的变化速度。“血钠波动的速度直接关系到患者的预后。”田震强调，严密监测钠离子的矫正速率，抑制钠失衡的发展进程，对改善患者的预后，防止永久性神经系统损伤至关重要。
在治疗血钠失衡的过程中，精准调控尤为关键。田震解释道：“如果血钠浓度纠正过快，超过校正的安全限度，则会导致血浆渗透压的迅速变化，从而引发渗透性脱髓鞘综合征，产生致命性、不可逆性脑损伤，危及患者生命。因此，要在治疗过程中防止矫枉过正，精确控制血钠浓度，对血钠浓度持续动态检测尤为重要。”
目前血钠检测金标准是抽取血样，在血气分析仪（BGA）或实验室中进行分析。“这种方法为有创操作，需要反复抽血。不仅增加患者痛苦，还存在感染风险。”田震说。
更严重的问题是检测的滞后性。“重症患者的血钠可能每分钟都在变化。”田震表示，开发一种无创、可以动态观测血钠变化的检测方式极为重要。
新技术有望实现无创连续检测
基于这些临床痛点，团队创新性地采用了基于“水静音”的太赫兹光声技术，研发了新型太赫兹光声系统。田震介绍，该系统为无创实时血钠监测提供了全新解决方案。
太赫兹波位于微波与中红外波段之间，具有低能量、组织无害性和弱散射性等优势，被视为理想的生物医学检测工具。然而，水分子对太赫兹波的强吸收特性一直限制着其实际应用。
“为解决这个难题，我们通过模块化系统发射太赫兹波，激发血液中钠离子振动产生超声波，再经超声换能器捕获信号。”文章第一作者、天津大学副教授李娇解释说，太赫兹光声技术将光声技术与太赫兹光谱技术相结合，可巧妙地将吸收的太赫兹能量转化为声波，有效规避了水分子对太赫兹波的强吸收干扰。实验结果表明，该技术能在无标记条件下实现活体小鼠血钠浓度的长期实时监测，人体志愿者试验也取得了积极进展。
“这项技术的临床应用前景广阔。”田震说，短期看，在血钠监测方面，无创连续检测将彻底改变现有诊疗模式，为“无针诊断”开辟了新途径。治疗期间无须抽血，就能使医生实时掌握患者血钠变化，在血钠失衡的治疗中，将显著降低因血钠纠正过快导致的神经损伤风险。
未来，太赫兹光声技术还可拓展至蛋白质、糖类以及特定有机大分子的无创检测中，推动生命体征监测与疾病诊疗技术体系的升级迭代。
更令人振奋的是，该技术在神经科学研究领域也展现出独特优势。李娇认为，由于太赫兹光声技术对钠离子的本征吸收特性，未来将有望实现无须标记的神经电活动直接检测，这将为研究钠钾离子介导的神经活动提供全新工具。
然而，要实现这些应用目标，研究团队仍需攻克多项技术挑战。首要问题是人体组织的信号衰减效应，这要求进一步提升系统的光源强度和探测灵敏度。其次，温度控制也是关键难点，目前研究团队正在评估口腔内膜组织作为潜在检测部位的可行性。此外，临床试验设计面临特殊挑战，如何在确保受试者安全的前提下建立可靠的验证方法，成为团队当前重点攻关的方向。
“此次研究中，血钠检测的成功验证了我们技术路线的可行性。团队将继续优化系统性能，推动这项创新技术尽快服务于临床，为医疗诊断和科学研究提供更精准、更安全的检测手段。”李娇说。
记者 陈曦 通讯员 赵晖