生物醫療應用：液體與生物組織的介電特性分析

在精準醫療與非侵入式檢測技術蓬勃發展的今天，人體組織與生物液體的「介電特性」——介電常數 (Dk) 與導電率/損耗因數 (Df)——已成為疾病診斷、熱治療監控及藥物開發的重要生物標記，不同於電子產業的固態基板，生物樣本具有高含水量、高離子濃度及異質性等特點，使得傳統的量測方法面臨巨大挑戰；本文將深入探討生物介電物理機制，解析開放式同軸探棒法與高靈敏度微波共振腔技術，如何協助研發團隊在微波至毫米波頻段下，精準解碼生命的電磁訊號。

解碼生命的「電磁指紋」

當電磁波進入人體時，會發生什麼事？這不僅是無線通訊安全（如 SAR 值）的評估重點，更是現代醫療診斷技術的基石，研究發現癌細胞與正常細胞、血糖濃度變化的血液、以及不同含水量的組織，在微波頻段下呈現出截然不同的介電響應。

例如，惡性腫瘤組織通常比正常組織擁有更高的含水量與鈉離子含量，這導致其介電常數與導電率顯著較高，若能精準量測這些參數，醫師便能利用微波成像技術進行早期乳癌篩檢，或在微波燒灼手術（Ablation）中即時監控腫瘤的壞死程度，然而生物樣本通常是液態、半固態或凝膠狀，且極易受溫度與環境影響，這使得傳統針對 PCB 板材設計的傳輸線法或平行板法難以直接應用，因此建立一套適用於「濕潤、高損耗」環境的介電量測標準，是生醫電子研發的首要任務。

物理機制：水分子與離子的電磁交互作用

要準確量測生物材料，首先必須理解其微觀物理行為，生物組織在電學上可視為一種由水、溶解離子（如鈉、鉀、氯）與生物大分子（蛋白質、脂質）組成的複雜介質。

水分子的極化弛豫 (Relaxation)

生物體內含有大量的水，水分子是極性分子，當受到外加交流電場作用時，水分子會嘗試隨著電場方向旋轉排列，在低頻時，水分子能跟上電場變化；但當頻率進入微波頻段（特別是 GHz 等級），水分子的旋轉速度開始滯後於電場變化，這種「跟不上」的現象稱為介電弛豫，這導致了兩個結果：

1. 高介電常數 (Dk)：
   水儲存電能的能力極強（Dk 約 78），遠高於一般電子材料（Dk 約 3-10）。
2. 高介電損耗 (Df)：
   旋轉滯後造成的摩擦將電磁能轉化為熱能，這也是微波爐加熱食物（生物組織）的原理。

離子導電效應 (Ionic Conduction)

體液中豐富的電解質提供了自由移動的離子，在低頻段離子隨著電場移動產生傳導電流，這會貢獻巨大的損耗，雖然隨著頻率升高，離子慣性使其移動幅度變小，但在 RF 頻段，離子導電率仍是決定組織特性的關鍵因素，因此生物組織的總損耗是「偶極子轉動損耗」與「離子導電損耗」的總和，且這兩者都高度依賴於頻率與溫度。

核心量測技術一：寬頻量測的王者——開放式同軸探棒法

對於液體、半液體（如血液、凝膠）及軟組織（如皮膚、肌肉、臟器），開放式同軸探棒法 (Open-Ended Coaxial Probe Method) 是目前應用最廣泛的技術。

技術原理

該方法使用一根截面平整的同軸傳輸線作為感測器，量測時將探棒的末端直接接觸待測組織或浸入液體中，向量網路分析儀 (VNA) 發射訊號並量測反射係數 (S11)，由於探棒末端的邊緣電場會穿透進入待測物，待測物的介電特性會改變探棒末端的等效電容與電導，進而改變反射訊號的相位與振幅。透過軟體內建的數學模型（如有理函數模型），即可將 S11 轉換為 Dk 與 Df。

應用優勢與限制

優勢

• 寬頻掃描：
  單次量測即可覆蓋從 RF 到微波（例如 10 MHz 至 50 GHz）的連續頻譜，能完整觀察生物組織的頻散現象。
• 製備簡單：
  無需將樣品加工成特定形狀，非破壞性，適合活體 (In-vivo) 量測。
• 適用高損耗：
  特別適合量測 Dk 高（>10）且 Df 大的生物材料。

限制

• 接觸誤差： 探棒必須與組織緊密接觸，任何氣泡或空隙都會導致嚴重誤差。
• 感測深度淺： 電場僅穿透樣品表面數毫米，無法量測深層特性。

核心量測技術二：高靈敏度微波共振腔 (Resonant Cavity)

當研究目標轉向極低濃度的生物標記偵測（如血糖監測）或低損耗生物材料（如乾燥的骨骼、牙齒、生醫陶瓷）時，探棒法的解析度往往不足。此時，微波共振腔技術便派上用場。

微擾法 (Perturbation Method) 的應用

這類技術利用高 Q 值（品質因子）的金屬腔體。當微量的生物樣品放入腔體中電場最強處時，會對原本的共振狀態產生「微擾」，導致：

• 共振頻率偏移 (Frequency Shift)： 對應材料的儲能特性 (Dk)。
• Q 值下降 (Q-Factor Drop)： 對應材料的耗能特性 (Df)。

針對液體的特殊設計

傳統共振腔（如 SPDR）主要設計用於固體薄板，針對液體，現代技術發展出了「容器化」的微擾共振腔（例如 3-in-1 諧振腔）。

• 石英毛細管載具：
  利用極低損耗的石英玻璃管盛裝微量液體（僅需數微升）。
• 高解析度：
  由於背景雜訊極低，此方法能偵測出溶液中極微小的介電變化，研究顯示利用此技術可分辨出不同葡萄糖濃度的水溶液差異，為非侵入式血糖儀的研發提供了理論依據。

關鍵挑戰：溫度控制與環境模擬

生物分子的結構對溫度極為敏感，例如蛋白質在加熱過程中會發生變性 (Denaturation)，導致結構展開水分釋出，這會劇烈改變其介電特性。

變溫測試的必要性

在進行微波消融（Microwave Ablation）設備開發時，工程師必須知道肝臟或腫瘤組織在 37°C（體溫）至 60°C（凝固壞死溫度）甚至 100°C（碳化溫度）過程中的 Dk/Df 變化曲線，先進的量測系統會整合精密溫控模組或恆溫水浴系統，確保樣品在量測過程中維持恆定溫度，或執行受控的升溫程序，同時量測軟體需具備熱飄移補償演算法，扣除金屬治具因熱膨脹造成的頻率漂移，確保數據真實反映組織的生理變化。

選擇正確的工具是成功的關鍵

在生醫介電特性的量測光譜中，沒有一種萬能的工具。

• 若您的樣品是高含水量的血液、肌肉或臟器，且需要寬頻數據，開放式同軸探棒是最佳選擇。
• 若您的樣品是微量生化溶液，需要偵測極微小的成分變化，或樣品為低損耗的骨骼/生醫材料，高 Q 值共振腔將提供無可比擬的靈敏度。

透過深入理解材料物理機制並選用合適的量測技術，我們不僅能提升醫療設備的效能，更能加速新型診斷技術的問世，讓電磁波成為守護健康的隱形防線。

推薦解決方案：DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案

為了協助生醫與材料研發團隊克服複雜的測試挑戰，奧創系統整合了全方位的 「DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案」，系統採開放式架構，完美支援 R&S ZNA/ZNB 系列，並廣泛相容 Keysight 與 Anritsu 等主流品牌網分。

立即聯繫奧創系統，預約生醫材料量測方案實機展示，為您的醫療創新注入精準數據的驅動力。