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该研究由Zoltan Vilagosh、Alireza Lajevardipour、Dominique Appadoo、Saulius Juodkazis和Andrew W. Wood共同完成，分别来自澳大利亚斯威本科技大学、澳大利亚同步辐射中心和东京工业大学。研究论文于2021年3月12日发表在《Applied Sciences》期刊上，题目为“Using Attenuated Total Reflection (ATR) Apparatus to Investigate the Temperature Dependent Dielectric Properties of Water, Ice, and Tissue-Representative Fats”。

研究的学术背景主要集中在太赫兹（THz）辐射领域，特别是其在生物组织成像中的应用。太赫兹辐射对液态水有很强的吸收特性，这为利用水含量的差异来区分正常和病变组织提供了可能性。然而，生物组织在太赫兹频率下的介电参数存在较大的变异性，导致正常组织和病变组织的介电参数重叠，这使得开发具有临床相关性和实用性的诊断测试变得困难。为了克服这些挑战，研究团队提出了一种新颖的方法，利用衰减全反射（ATR）装置研究太赫兹频率下生物组织的温度依赖性介电参数变化，旨在为生物组织的快速表征提供一种新的技术手段。

研究的工作流程包括以下几个主要步骤：首先，研究团队使用澳大利亚同步辐射中心的太赫兹/远红外光束线进行实验，配备了ATR装置、傅里叶变换光谱仪和金刚石棱镜样品台。其次，研究团队选择了具有不同水含量的样品，包括空气、水、冰、猪油和Lurpak®黄油，以探讨温度对太赫兹介电参数的影响。实验过程中，样品通过温度可调的热样品台进行连续加热或冷却，同时使用热电偶探头监测样品温度。研究团队在0.18至3 THz的频率范围内进行了光谱扫描，重点分析了0.7至1.15 THz和1.70至2.25 THz两个高灵敏度频段的数据。

在数据分析方面，研究团队使用了OPUS 8.0软件进行初步数据处理，每个数据点为50次扫描的平均值。通过对不同温度下样品的反射信号强度进行分析，研究团队得出了水、冰、猪油和黄油的温度依赖性介电参数变化。实验结果表明，水在0.7至1.15 THz范围内的反射信号强度随温度变化较大，而在1.70至2.25 THz范围内变化较小。冰的反射信号强度在1.70至2.25 THz范围内表现出明显的频率和温度依赖性，且与理论预测值一致。猪油在-15°C至24°C的温度范围内没有表现出明显的温度依赖性介电参数变化，而Lurpak®黄油则显示出与液态水类似的温度依赖性反射信号强度变化，尤其是在0.7至1.15 THz范围内。

研究的主要结论是，ATR装置在结合高亮度太赫兹光源的情况下，能够快速、可靠地研究样品的温度依赖性介电参数变化。该方法不仅适用于“真正的”衰减全反射模式，还能够在样品的折射率超出ATR范围时，以反射/透射模式进行有效测量。研究团队还发现，猪油在太赫兹频率下的介电参数在-15°C至24°C范围内保持恒定，而Lurpak®黄油的反射信号强度随温度升高而逐渐下降，这表明乳化水在冻结温度下仍保持类似液态水的太赫兹特性。

该研究的科学价值在于提出了一种新的方法来研究生物组织在太赫兹频率下的温度依赖性介电参数变化，为快速诊断应用提供了可能性。特别是，该方法能够在不需要复杂样品制备的情况下，快速获取样品的介电参数信息，这对于临床诊断具有重要意义。此外，研究还揭示了冰和液态水在太赫兹频率下的折射率变化，为未来的太赫兹光谱研究提供了重要的基础数据。

研究的亮点包括：1）提出了一种新颖的、基于同步辐射的ATR方法，能够快速监测样品的温度依赖性反射信号强度变化；2）证明了ATR装置在样品的折射率超出“真正的”衰减全反射范围时，仍能以反射/透射模式进行有效测量；3）首次系统研究了猪油和Lurpak®黄油在太赫兹频率下的温度依赖性介电参数变化，为生物组织的太赫兹表征提供了新的数据支持。

此外，研究还提出了未来的研究方向，包括开发一种快速、可靠的方法来提取复杂折射率，以及在反射/透射模式下提取吸收系数。研究团队还强调了进一步收集生物组织温度依赖性介电参数数据的重要性，以推动太赫兹技术在生物医学领域的应用。