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为确保 Beyond 5G/6G 时代太赫兹（THz）频段电磁波的人体安全性，需评估人体组织吸收电磁波能量引起的温升。研究人员开发了甘油基半固体角膜等效体模，结合荧光热探针实现 THz 频段三维温度分布测量，空间分辨率达 2 μm（横向）和 20 μm（轴向），温度分辨率 0.04 °C，为 THz 生物安全评估提供关键工具。
在无线通信技术向太赫兹（THz）频段迈进的浪潮中，Beyond 5G/6G 时代的电磁安全问题日益凸显。太赫兹波具有高频特性，其与人体组织的相互作用可能引发热效应，而角膜作为眼部最易受辐射影响的组织之一，缺乏能准确模拟其介电特性并用于实验测量温升的体模。传统测温手段如光纤温度计和热像仪，因空间分辨率不足或无法进行深度维度分析，难以满足太赫兹频段的精准评估需求。因此，开发兼具生物组织介电模拟能力与高分辨率测温功能的体模，成为保障太赫兹技术安全应用的关键科学问题。
日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communications Technology）的研究人员针对这一挑战，开展了角膜等效体模的研制与三维温升评估研究。他们成功开发出基于甘油、生理盐水和琼脂的半固体体模，通过调节甘油浓度匹配角膜在 0.1–0.6 THz 频段的介电特性，并引入荧光热探针（Fluorescent Thermoprobe）实现非侵入式三维温度分布测量。相关成果发表在《Scientific Reports》，为太赫兹生物电磁安全领域提供了重要的实验工具和方法学突破。
研究采用的关键技术包括：
- 太赫兹时域衰减全反射光谱（THz TD-ATR Spectroscopy）：用于测量角膜和体模的复介电常数，通过硅棱镜界面的全反射逝波与样品相互作用，获取 0.1–0.6 THz 频段的介电特性数据。
- 共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy）：结合荧光热探针，实现体模内温度分布的三维成像，横向（xy）分辨率 2 μm，轴向（z）分辨率 20 μm，温度分辨率达 0.04 °C。
- 荧光比率测温技术：利用双荧光单元（温度敏感单元 1 和参考单元 2）的强度比值消除探针浓度干扰，通过校准曲线建立荧光比率与温度的线性关系。
研究结果
1. 半固体体模的介电特性调控
通过改变甘油浓度（0%–70%），体模的复介电常数呈现浓度依赖性变化。当甘油浓度为 20%、生理盐水 79.5%、琼脂 0.5% 时，体模的实部和虚部介电常数与猪角膜在 0.1–0.6 THz 频段内高度吻合，误差均在角膜测量值的范围内。这表明甘油基体模能有效模拟角膜的介电特性，为太赫兹辐射与组织相互作用的仿真提供可靠模型。
2. 荧光热探针对介电特性的影响
含荧光热探针的体模与不含探针的体模相比，介电常数偏差小于 2%（实部）和 1%（虚部），且均在角膜测量误差范围内。这说明探针的加入未显著改变体模的介电特性，确保了体模在太赫兹频段的仿真有效性。
3. 荧光热探针的功能验证
荧光热探针通过双单元比率设计消除了浓度干扰。在 28–42 °C 范围内，荧光比率与温度呈强线性相关，温度分辨率为 0.01–0.04 °C。共聚焦显微镜成像显示，加热至 40 °C 的体模内，距热板 20 μm 处温度为 39 °C，40 μm 处为 37.5 °C，清晰呈现了不同深度的温度梯度。
4. 空间分辨率分析
通过 1 μm 荧光微球的点扩散函数分析，横向分辨率为 2 μm，轴向分辨率为 20 μm，证实了该系统在微米级尺度上的温度 mapping 能力，突破了传统测温技术的空间限制。
结论与讨论
本研究开发的角膜等效体模首次实现了太赫兹频段生物组织介电特性的精准模拟与三维温升的高分辨率测量。甘油基体模兼具可调介电特性、易制备性和成本优势，而荧光热探针与共聚焦显微镜的结合，解决了太赫兹辐射引起的浅层组织（数百微米内）温升的三维测量难题。这一成果不仅为国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）等机构的安全指南提供了实验验证手段，也为太赫兹技术在医疗诊断、自动驾驶雷达等领域的应用奠定了生物安全性评估基础。未来，该体模可进一步扩展至皮肤表皮等其他组织的仿真，推动太赫兹频段电磁安全研究的全面发展。
