實驗結果與討論

5‐1 THz‐TDS  經空氣量測結果 

圖 5‐1 為 THz 輻射經過去除水氣後的空氣所量到的時域訊號，經過 系統量測，由此訊號也可以得知量測系統中的訊噪比，如圖 5‐2，在本 系統中訊噪比約為 10⁶。 

-10-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.00020

-0.00015 -0.00010 -0.00005 0.00000 0.00005 0.00010 0.00015

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

air

 

  圖 5-1：THz 輻射單純經過空氣所量取到的時域訊號。

0 1 2 3 4 5 6 7 10^-18

10^-17 10^-16 10^-15 10^-14 10^-13 10^-12 10^-11 10^-10 10^-9 10^-8 10^-7 10^-6

Frequency (THz)

Power

Power Spectrum

SNR~10⁶

   

圖 5-2：THz 的功率頻譜。

如圖 5‐3(a)，將 THz 時域訊號取傅立葉轉換得到頻域訊號，發現在 沒有去除水氣的情況下，水氣對 THz 某些頻率有很強的吸收[34]，對照 圖 5‐3、圖 5‐4 可以發現約在 0.556、0.753、0.989、1.099、1.115、1.165、

1.209、1.230、1.412、1.7、1.85 THz 左右有水氣吸收峰出現。將水氣去 除後，轉換後的 THz 頻譜原本出現的吸收峰消失。並且我們可以知道 本系統 SI‐InP 的 THz  輻射源中心頻率在 0.488THz，頻寬(Bandwidth)約 為 0.738THz。THz 在行進中有可能遇到某些物質而使得 THz 發生多重反 射，如圖 5‐3(c)。圖中出現類似吸收峰的頻率並非代表那些頻率有吸收 的 情 形 ， 而 只 是 多 重 反 射 的 訊 號 經 過 傅 立 葉 轉 換 後 會 發 生 調 頻 (modulation)作用。多重反射常會讓我們誤以為多重反射的訊號是樣品 吸收。因此在實驗中勢必要將多重反射訊號去除後才能呈現正確的數 據分析。 

 

 

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

 

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

 

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

   

 

   

 

 

 

5‐2 THz‐TDS  經基板量測結果  5‐2‐1  基板測試 

為了找出適合實驗的基板，我們選定不同的三種基板作為測試，

0.17  mm 的載玻片、1  mm 的鐵弗龍、和 1 mm 的矽膠。圖 5‐5 是量測 三種基板的時域訊號，圖 5‐6 則是時域訊號經過傅立葉轉換的結果。經 過測試的結果，1 mm 的鐵弗龍有著較佳的穿透特性，而其他材料例如 玻璃在 0.5 THz 到 1 THz 這個波段的吸收很強，導致有可能即使樣品在 這部分有訊號也有可能因為基板的原因而不被察覺。即使一般生物實 驗都是以載玻片作為基板，但我們還是選用不會影響細胞的鐵弗龍做 為我們的基板。矽膠則因為穿透率低的原因而且其材質較軟不適合放 置樣品，所以我們不予考慮。 

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

-0.00010 -0.00005 0.00000 0.00005 0.00010

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

air

glass 0.17mm teflon 1mm silica gel 1mm

圖 5-5： THz 穿過基板的時域訊號。  

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.0002

0.0004 0.0006 0.0008 0.0010

Amplitude(a.u.)

air

glass 0.17mm teflon 1mm silica gel 1mm

Frequency(THz)

  圖 5-6： THz 穿過基板的 FFT Spectrum。  

5‐2‐2  時域訊號 

在室溫下延遲時間為零的訊號為 THz 主訊號在自由空間傳播，另一 訊號是我們讓 THz 經過參考基板。參考基板有兩種，其中一種包含 1 mm  Teflon  板、黏膠 Lysine 和細胞培養液，如圖 5‐7。另一種參考基板包含 1  mm  Teflon  板、黏膠 Lysine、細胞培養液和大蒜精油，如圖 5‐8。當 THz 經過參考基板時，參考基板會產生相對於空氣的時間延遲， 

( )

c d t n^s −1

=

Δ       (5.1) 

其中

n

_s為基板的折射率，

d

為基板的厚度，

c

   為光速。如果已知基板 厚度與延遲時間，從(5.1)式能獲得基板的折射率並對照時域訊號。 

   

 

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Reference Substrate

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

   

圖 5-7： THz 穿過參考基板（Teflon、Lysine 和細 胞培養液）的時域訊號。

Reference Substrate (medium treated with garlic-oil)

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

   

 

圖 5-8： THz 穿過參考基板（Teflon、Lysine、細 胞培養液和大蒜精）的時域訊號。

  5‐2‐3  頻域訊號 

如圖 5‐9、圖 5‐10，將上述兩時域訊號做傅立葉轉換得到頻域分布，

觀察兩個訊號差別僅在經過參考基板的訊號振幅隨頻率均勻下降，其

Reference Substrate

Frequency (THz)

Amplitude

圖 5-9： THz 穿過參考基板（Teflon、Lysine 和細 胞培養液）的時域訊號。

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Reference Substrate (medium treated with garlic-oil)

Frequency (THz)

Amplitude

圖 5-10： THz 穿過參考基板（Teflon、Lysine、細   胞培養液和大蒜精油）的頻域訊號。

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Refractive Index n k

κRefractive Index n

Frequency (THz)

圖 5-11：經參考基板（Teflon、Lysine 和細胞培養液） 

之複數折射率量測結果。

Refractive Index n k

Refractive Index n

Frequency (THz)

圖 5-12：經參考基板（Teflon、Lysine、細胞培養液   和大蒜精油）之複數折射率量測結果。

   

5‐3  類嗜中性球THz‐TDS量測結果 

5‐3‐1 類嗜中性球與死亡後類嗜中性球時域和頻域訊號 

號。實驗步驟為先量測類嗜中性球，量測結束後在基板上滴入酒精使 類嗜中性球壞死。比較兩者，類嗜中性球死亡之後，THz 的穿透率比原 本存活時的類嗜中性球還要高。我們個別量測三次不同 HL60 細胞分化 的類嗜中性球以確認實驗的再現性。經過 THz‐TDS 量測後，樣品滴入 染劑 trypan  blue 確認細胞的狀態。將時域訊號作傅立葉轉換後可以獲 得類嗜中性球與壞死的類嗜中性球在 THz 頻譜上的變化，如圖 5‐14。 

 

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

-0.00030 -0.00025 -0.00020 -0.00015 -0.00010 -0.00005 0.00000 0.00005 0.00010 0.00015 0.00020 0.00025

(a)

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

Air Reference Neutrophil-like Necrosis of Neutrophil-like

   

         

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

Air Reference Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

 

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

Air Reference Neutrophil-like Necrosis of Neutrophil-like

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Necrosis of Neutrophil-like Reference Substrate

 

Necrosis of Neutrophil-like Reference Substrate

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Necrosis of Neutrophil-like Reference Substrate

   

 

圖 5-14(a)、(b)、(c)：THz 穿過三次不同 HL60 細胞分化的類嗜中性球的頻域訊號。

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.6

0.8 1.0 1.2 1.4

(a)

Intensity Ratio

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.6

0.8 1.0 1.2 1.4

(b)

Intensity Ratio

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

           

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.6

0.8 1.0 1.2 1.4

(c)

Intensity Ratio

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

 

圖 5-15(a)、(b)、(c)^{：量測三次不同分化類} 嗜中性球的複數穿透係數比。

 

5‐3‐3  複數折射率 

頻域訊號裡包含樣品的強度與相位訊息，比較參考基板與類嗜中性

球的強度與相位後計算出強度比 與相位差 。根據上一章

(4.13)式的理論計算，利用強度比、相位差和參考基板等物理量可以獲 得類嗜中性球的複數折射率。圖 5‐16 是不同狀態的類嗜中性球的複數 折射率實部。圖 5‐17 則是複數折射率虛部。我們比較類嗜中性球和壞 死類嗜中性球，其複數折射率的實部與虛部值非常接近

ⁿ ( ) ( ) ^{ω ≈ κ ω}

。 觀察圖 5‐16，類嗜中性球的折射率隨著頻率上升而下降。比較兩個不 同狀態的細胞，壞死細胞具有比健康細胞較大的折射率。除此之外，

壞死細胞的折射率在 1.2THz 和 1.8THz 這個波段有波動的現象。從物理

( )

( ) ^ω

κ

所代表的則是材料對於光的吸收。我們推測壞死細胞的折射率之

所以會發生變化的原因是類嗜中性球滴入酒精後，細胞膜破裂導致樣 品表面變得支離破碎。當 THz 穿過壞死的類嗜中性球時，造成 THz 發 生散射的現象，導致某些頻率的 THz 增強或減弱，同時其相位也發生 不尋常的變化。THz 在樣品的干涉訊號反映在樣品的折射率上。 

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

2 4 6 8

(a)

Refractive index n

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of neutrophil-like

   

           

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Refractive index n

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of neutrophil-like

 

Refractive index n

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of neutrophil-like

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

2 4 6 8

(a)

κ

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

2 4 6 8

(b)

κ

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

             

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

2 4 6 8

(c)

κ

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

圖 5-17(a)、(b)、(c)：量測三次不同分化的     類嗜中性球的複數折射率虛部。

   

5‐3‐4  介電函數  (Dielectric Function) 

介電函數ε^∗

( )

ω ，介電函數的虛部ε′′

( )

ω =2nκ，如圖 5‐18。利用前面 小節得到的複數折射率實部虛部計算出介電函數虛部(4.11)式，圖中為 健康類嗜中性球與壞死類嗜中性球的介電函數。ε^′′

( )

ω 介電函數的虛部 對應的物理意義代表類嗜中性球對 THz 光能量的吸收。介電函數虛部 和 κ 的趨勢相當類似。類嗜中性球的介電函數虛部隨著頻率上升而下 降。比較兩種不同狀態的細胞，壞死的細胞有著比健康細胞大的介電 函數虛部。 

           

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

20 40 60

(a)

Dielectric constant imaginary part ε''

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

20 40 60

(b)

Dielectric constant imaginary part ε''

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

               

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

20 40 60

(c)

Dielectric constant imaginary part ε''

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

圖 5-18(a)、(b)、(c)：不同次分化類嗜中性 球的介電函數虛部。

5‐3‐5  吸收係數 

根據上一章的理論計算，獲得健康的類嗜中性球與壞死的類嗜中性 球的吸收，如圖 5‐19。類嗜中性球細胞的吸收隨著頻率上升而增加。

壞死細胞有著比健康細胞較高的吸收，但吸收係數在 1.2 THz 和 1.8 THz 呈現下降出現兩個吸收谷。 

將圖 5‐19 歸一化，再將縱軸轉成以 ln 標示做 fitting。最後將原本 的 Absorption(A)和 fitting 的 exponential 函數相減獲得∆Absorption  (normalized)，如圖 5‐20。 

             

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

1000 2000

(a)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

Absorption

Frequency (THz)

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

1000 2000

(b)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

Absorption

Frequency (THz)

   

               

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

1000 2000

(c)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

Absorption

Frequency (THz)

圖 5-19(a)、(b)、(c)：不同次分化類嗜中性   球吸收係數。

   

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 -0.2

0.0 0.2

(a)

Δ Absorption (normalized)

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

           

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 -0.2

0.0 0.2

(b)

Δ Absorption (normalized)

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 -0.2

0.0 0.2

(c)

Δ Absorption (normalized)

Frequency (THz)

Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

圖 5-20(a)、(b)、(c)：不同次分化類嗜中性   球吸收係數差（歸一化）。

 

從圖 5‐19 可以發現類嗜中性球的吸收係數隨著頻率上升而變大，

壞死的類嗜中性球的吸收係數比健康的類嗜中性球要大。此外，壞死 的細胞在 1.2THz 和 1.8THz 左右出現吸收谷，健康的細胞卻沒有觀察到 有吸收谷的出現。 

5‐4  類嗜中性球加入大蒜精油THz‐TDS量測結果 

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

Air Reference Neutrophil-like

Necrosis of Neutrophil-like

 

 

Necrosis of Neutrophil-like

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

 

Necrosis of Neutrophil-like

THz Electric Field (a.u)

Delay Time (ps)

圖 5‐21(a)、(b)、(c)：三組不同次分化的類嗜中性球(加入 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Necrosis of Neutrophil-like Reference Substrate

 

Necrosis of Neutrophil-like Reference Substrate

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Necrosis of Neutrophil-like Reference Substrate

圖 5-22(a)、(b)、(c)：三組不同次分化的類嗜中性球(加 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.6

0.8 1.0 1.2 1.4

(a)

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Intensity Ratio

Frequency (THz)

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.6

0.8 1.0 1.2 1.4

(b)

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Intensity Ratio

Frequency (THz)

   

               

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.6

0.8 1.0 1.2 1.4

(c)

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Intensity Ratio

Frequency (THz)

圖 5-23(a)、(b)、(c)：三組不同次分化的類   嗜中性球(加入大蒜精油)複數穿透係數比。

   

5‐4‐3  複數折射率 

圖 5‐24 為類嗜中性球(加入大蒜精油)的複數折射率實部，細胞的折 射率實部隨頻率上升而變小。壞死細胞的折射率實部比健康細胞的折 射率實部要大。圖 5‐25 為類嗜中性球(加入大蒜精油)的複數折射率虛 部，和折射率實部相同，細胞的折射率虛部隨頻率上升而變小，壞死 的細胞的折射率虛部較健康的細胞大，從物理觀點來說，壞死類嗜中 性球對 THz 有較大的吸收。 

                 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Refractive index n

Frequency (THz)

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Refractive index n

Frequency (THz)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Refractive index n

Frequency (THz)

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

κ

 

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

κ

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

κ

5‐4‐4  介電函數  (Dielectric Function) 

圖 5‐26 為類嗜中性球(加入大蒜精油)的介電函數虛部，和複數折射 率虛部相似，細胞的介電函數虛部隨著頻率上升而下降。以壞死的細

胞和健康的細胞做比較，壞死的細胞介電函數虛部較大。 

Neutrophils-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Dielectric constant imaginary part ε''

Frequency (THz)

Neutrophils-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Dielectric constant imaginary part ε''

Frequency (THz)

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

20 40 60 80 100

(c)

Neutrophils-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Dielectric constant imaginary part ε''

Frequency (THz)

  圖 5-26(a)、(b)、(c)：三組不同次分化的類  嗜中性球(加入大蒜精油)介電函數虛部。

 

5‐4‐5  吸收係數 

計算類嗜中性球(加入大蒜精油)的吸收係數於圖 5‐27，利用計算類 嗜中性球吸收係數差的相同方法，獲得類嗜中性球(加入大蒜精油)的吸 收係數差，如圖 5‐28。隨著頻率上升，細胞的吸收越強。而細胞壞死 之後的吸收也比原本健康時還大，壞死細胞在 1.2THz 和 1.8THz 有兩個 吸收谷。 

                 

 

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

1000 2000

(a)

Absorption

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Frequency (THz)

   

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

1000 2000

(b)

Frequency (THz)

Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

Necrosis of Neutrophil-like treated with garlic-oil

在文檔中 類嗜中性球的兆赫輻射時析頻譜研究 (頁 53-97)