CN104114997A - 用于测定被测定物的特性的测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是用于测定被测定物的特性的测定装置，特征在于，该测定装置具备：至少一个光源，用于照射具有规定的频率分布的电磁波；空隙配置结构体，配置在被所述电磁波照射的位置，用于在测定时在该空隙配置结构体的表面保持所述被测定物；检测器，用于检测作为透过了所述空隙配置结构体的所述电磁波的透过光、或作为由所述空隙配置结构体反射的所述电磁波的反射光；和壳体，用于容纳所述光源、所述空隙配置结构体以及所述检测器。
Description
技术领域
本发明涉及测定装置，为了分析物质的特性，而用于将被测定物保持在空隙配置结构体，向保持了该被测定物的空隙配置结构体照射电磁波，对其散射光谱进行解析来测定被测定物的特性。
背景技术
过去，为了分析物质的特性而采用的是如下方法：将被测定物保持在空隙配置结构体，向保持了该被测定物的空隙配置结构体(例如金属网)照射电磁波，对其透过率光谱进行解析来测定被测定物的特性。具体而言，例如能举出向附着了作为被测定物的蛋白质等的金属网照射太赫兹波并解析透过率光谱的手法。
例如，在专利文献1中公开了如下方法：由具有空隙部的空隙配置结构体、保持在空隙配置结构体的平面上的被测定物、朝向被测定物照射电磁波的电磁波照射部、和测定透过了空隙配置结构体的电磁波的电磁波检测部而构成，从电磁波照射部朝向空隙配置结构体投影的电磁波相对于包含空隙部的平面而倾斜地入射，基于在测定值的频率特性中产生的陷波波形的位置因被测定物的存在而移动这一点来测定被测定物的特性。
但是，在这种方法中，需要具有用于使照射的上述电磁波的频率在一定范围内变化的频率扫描的功能的装置，例如需要分光装置这样大型又难控制的测定设备。为此，有测定装置变得高价这样的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2008-185552号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明鉴于上述状况而提出，目的在于提供比过去更低成本、小型化的测定装置。
用于解决课题的手段
本发明是用于测定被测定物的特性的测定装置，其特征在于，具备：至少一个光源，用于照射具有规定的频率分布的电磁波；空隙配置结构体，配置在被所述电磁波照射的位置，用于在测定时在该空隙配置结构体的表面保持所述被测定物；检测器，用于检测作为透过了所述空隙配置结构体的所述电磁波的透过光、或作为由所述空隙配置结构体反射的所述电磁波的反射光；和壳体，用于容纳所述光源、所述空隙配置结构体以及所述检测器。
优选向所述空隙配置结构体照射的所述电磁波的频率离散地分布在规定的中心频率的附近。
优选所述电磁波包含所述中心频率为所述空隙配置结构体的谐振频率的附近的第1电磁波。
优选所述电磁波还包含所述中心频率与所述第1电磁波不同的第2电磁波。
优选在所述空隙配置结构体与所述检测器之间设有具备开口部的隔板，该开口部具有比所述空隙配置结构体的主面的面积小的开口直径。
优选所述空隙配置结构体是相对于平板状的金属周期性地形成多个空隙部而成的金属网。
发明效果
根据本发明，能提供比过去更低成本的测定装置。另外，能使测定装置的尺寸比过去大幅小型化。由此，例如在将本发明应用在临床检查领域的情况下，能提供面向私立医院、或面向一般家庭的小型且廉价的临床检查装置。
附图说明
图1是表示本发明的测定装置的一例的示意图。图1(a)是截面图，图1(b)是立体图。
图2是表示本发明中使用的空隙配置结构体的一例的示意图。图2(a)是立体图，图2(b)是主视图。
图3是表示关于实施例1中的被测定物附着前的空隙配置结构体用FT-IR进行了测定的透过率的频率特性的图。
图4是表示关于实施例1中使用的带通滤波器用FT-IR进行了测定的透过率的频率特性的图。
图5(a1)以及(a2)是表示实施例1中使用的固定器(holder)(隔板)的侧视图以及俯视图。图5(b1)以及(b2)是表示向固定器固定空隙配置结构体或者带通滤波器的固定状态的侧视图以及俯视图。
图6是表示关于实施例1中的被测定物附着后的空隙配置结构体用FT-IR进行了测定的透过率的频率特性的图。
图7是表示关于实施例2中使用的带通滤波器用FT-IR进行了测定的透过率的频率特性的图。
图8(a)以及(b)是表示向实施例2中使用的固定器(隔板)固定带通滤波器的固定状态的侧视图以及俯视图。
图9是用于说明实施例2中使用的带通滤波器的切换结构的图。
具体实施方式
本发明是用于测定被测定物的特性的测定装置，其特征在于，具备：至少一个光源，用于照射具有规定的频率分布的电磁波；空隙配置结构体，配置在被所述电磁波照射的位置，用于在测定时在表面保持所述被测定物；检测器，用于检测作为透过了所述空隙配置结构体的所述电磁波的透过光、或作为由所述空隙配置结构体反射的所述电磁波的反射光；和壳体，用于容纳所述光源、所述空隙配置结构体以及所述检测器。
在本发明中，所谓“测定被测定物的特性”是指进行成为被测定物的物质的定量或各种定性等，例如能举出测定溶液中等的微量物质的含有量的情况、进行被测定物的辨认的情况。在进行被测定物的定量的情况下，优选通过与以预先测定各种量的被测定物所得的频率特性为基础而作成的检量线进行比较，由此来计算被测定物的量。
图1是表示本发明的测定装置的一例的示意图。以下，参考图1来说明本发明的测定装置的一例。
在图1(a)、(b)所示的测定装置中，光源2、带通滤波器3、空隙配置结构体1以及检测器4以按序串联地配置的状态被容纳在壳体5中。
在使用了图1所示的测定装置的情况下，从光源2朝向空隙配置结构体1照射的电磁波，相对于空隙配置结构体1的主面而大致垂直地照射，能基于透过了空隙配置结构体1的电磁波(透过光)的频率特性因被测定物的存在而变化这一点来测定被测定物的特性。
(空隙配置结构体)
空隙配置结构体1是具有在与主面垂直的方向上进行了贯通的多个空隙部的结构体。整体的形状通常为平板状或薄片状。
本发明中使用的空隙配置结构体是在与主面垂直的方向上进行了贯通的多个空隙部在上述主面上的至少一个方向上周期性地配置的结构体。所述空隙配置结构体优选是相对于平板状的金属周期性地形成多个空隙部而成的金属网。其中，不需要遍布空隙配置结构体的整体周期性地配置空隙部，只要在结构体的至少一部分周期性地配置空隙部即可。
空隙配置结构体优选是准周期结构体、周期结构体。所谓准周期结构体，是指虽不具有平移对称性但在排列上保持秩序性的结构体。作为准周期结构体，例如作为一维准周期结构体能举出斐波那契结构，作为二维准周期结构体能举出彭罗斯结构。所谓周期结构体，是指具有以平移对称性为代表的各种空间对称性的结构体，对应于其对称的维度而分类为一维周期结构体、二维周期结构体、三维周期结构体。一维周期结构体例如能举出线栅结构、一维衍射光栅等。二维周期结构体例如能举出网式过滤器、二维衍射光栅等。即便在这些周期结构体当中，也是适合使用二维周期结构体，更优选使用空隙部在纵向以及横向上被规则地排列(方形排列)的二维周期结构体。
作为空隙部被方形排列的二维周期结构体，例如能举出图2所示那样的矩阵状地以一定的间隔配置空隙部11的板状结构体(格子状结构体)。空隙部并不限定于这样的形状，例如也可以是长方形、圆或椭圆等。另外，若是方形排列，则两个排列方向的间隔也可以不相等，例如也可以是长方形排列。
另外，空隙配置结构体的厚度(t)优选为用于测定的电磁波的波长λ的四分之一以下。例如，在照射的电磁波的波长λ为10μm的情况下，t优选为5μm以下。若结构体的厚度大于该范围，则有时被测定物的存在所引起的空隙配置结构的特性变化会变小。
另外，空隙配置结构体的空隙部的尺寸优选为用于测定的电磁波的波长λ的十分之一以上、且10倍以下。若空隙部的尺寸成为该范围以外，则有时透过的电磁波的强度变弱而难以检测信号。
另外，空隙部的格子间隔(间距)优选为用于测定的电磁波的波长的十分之一以上、且10倍以下。若空隙部的格子间隔成为该范围以外，则有时会难以发生透过。
其中，空隙配置结构体、空隙部的形状或大小都是根据测定方法、空隙配置结构体的材质特性、所使用的电磁波的频率等来适宜设计的，难以使其范围一般化，但并不限定于上述的范围。
空隙配置结构体由金属构成。作为金属，能举出能与具有烃基、硫醇基、羧基等的官能基的化合物的官能基键合的金属、能在表面涂敷烃基、氨基等的官能基的金属、以及这些金属的合金。具体而言，能举出金、银、铜、铁、镍、铬、硅、锗等，优选是金、银、铜、镍、铬，更优选是镍、金。
在使用了金、镍的情况下，由于特别在被测定物具有硫醇基(-SH基)的情况下能使该硫醇基在空隙配置结构体的表面键合，因此是有利的。另外，在使用了镍的情况下，由于特别在被测定物具有烃基(-OH)或羧基(-COOH)的情况下能使该官能基在空隙配置结构体的表面键合，因此是有利的。
相关的空隙配置结构体虽然能用各种公知的方法来制作，但优选通过图案形成而形成在板状或薄片状的支承基材的表面。图案形成能通过通常的半导体上电极制作工序(例如抗蚀剂涂覆、图案印刷、抗蚀剂图案形成、金属蒸镀、抗蚀剂去除)等来进行。
在本发明中，作为将被测定物保持在空隙配置结构体的方法，能使用各种公知的方法，例如既可以直接附着在空隙配置结构体，也可以隔着支承膜等来附着。从提升测定灵敏度、抑制测定的偏差由此来进行重现性高的测定的观点出发，优选使被测定物直接附着在空隙配置结构体的表面。
作为使被测定物直接附着在空隙配置结构体的情况，不仅包含在空隙配置结构体的表面与被测定物之间直接形成化学键等的情况，还包含针对于预先在表面键合了主分子的空隙配置结构体而与该主分子键合被测定物这样的情况。作为化学键，能举出共价键(例如金属-硫醇基间的共价键等)、范德瓦尔斯键、离子键、金属键、氢键等，优选是共价键。另外，所谓主分子，是能特异性地使被测定物键合的分子等，作为主分子和被测定物的组合，例如能举出抗原和抗体、糖链和蛋白质、类脂物和蛋白质、低分子化合物(配位体)和蛋白质、蛋白质和蛋白质、单链DNA和单链DNA等。
(光源)
向空隙配置结构体1照射的电磁波优选频率离散地分布在规定的中心频率的附近。这种情况下，由于不进行频率扫描等地进行测定，因此能提供比过去更低成本(例如现有的1/100以下)的测定装置。另外，测定装置的尺寸也能比过去大幅小型化(例如手掌尺寸)。另外，向空隙配置结构体1照射的电磁波并不仅限于一个种类，也可以是多种电磁波(分布在不同的中心频率的附近的电磁波)。
在此，优选至少一个种类的电磁波的规定的中心频率是空隙配置结构体I的谐振频率的附近。由此，由于被测定物附着在空隙配置结构体1时的透过光的强度变化变得显著，因此测定灵敏度提升。
优选所述电磁波还包含所述中心频率与所述第1频率不同的第2电磁波。第2电磁波的中心频率优选设定为并非空隙配置结构体的谐振频率的附近。其中，若第2电磁波的中心频率与第1电磁波的中心频率不同，则也可以设定为成为空隙配置结构体的谐振频率的附近。
在将第2电磁波的中心频率设定为即使附着了被测定物而空隙配置结构体的透过光的特性也几乎不发生变化的频率的情况下，通过将向空隙配置结构体照射第2电磁波时的透过光的数据作为测定间的变动误差的校正用数据来使用，从而与仅使用第1电磁波的情况相比，能进行更高精度的测定。
另外，也可以将第2电磁波的中心频率设定为附着被测定物时空隙配置结构体的透过光的特性发生变化这样的频率。即便在这种情况下，由于也能通过增加测定点来灵活运用以平均或多变量解析为首的各种提高检测精度的解析手法，因此与仅使用第1电磁波的情况相比，能进行更高精度的测定。
例如，从FT-IR的测定结果可知当某被测定物附着于空隙配置结构体时透过光的峰值频率向低频侧移位的情况下，在使用了一个电磁波的测定结果中，当透过光的强度发生变动时判断为存在被测定物的情况下，由于还考虑峰值频率不变动而仅透过率变动的情况，因此有可能错误地进行关于被测定物的存在的判断。但是，通过使用两个中心频率不同的电磁波，从而在透过光的测定值的一方增加而另一方减少的情况下，峰值频率移位，若判断为被测定物存在，则能使误判断的概率降低。如此，通过增加测定的信息量来进行多变量化，从而能提高测定的精度。
作为用于向空隙配置结构体1照射这种电磁波的光源2，例如能举出宽带光源以及单色光源。在作为光源2而使用宽带光源的情况下，使从该宽带光源出射的光通过后述的带通滤波器3，从而能向被测定物照射上述那样的频率离散地分布在规定的中心频率的附近的电磁波。
作为宽带光源，例如能举出使用了以CaF2制的窗材被密封的Kanthal(カンタル：注册商标)制灯丝的宽带光源。除此以外，例如能举出利用了钨或陶瓷等的发热体的黑体辐射光源(宽带光源)。
作为单色光源，例如能举出激光器(量子串级激光器等)、发光二极管(红外用LED等)。
(带通滤波器)
作为带通滤波器3，能使用各种公知的电磁波滤波器。在例如光源2为宽带光源的情况下，为了得到具有规定的频率分布(例如频率离散地分布在规定的中心频率的附近这样的频率分布)的电磁波而使用带通滤波器3。
作为具体的带通滤波器3，例如能举出层叠不同电介质的板状结构物，该板状结构物具有相对于照射至该板状结构物的主面电磁的波而使透过了该板状结构物的电磁波具有图4所示那样的规定的频率特性(频率离散地分布在规定的中心频率(通频带中心)的附近这样的特性)。除此以外，例如还能使用上述的图2所示那样的空隙配置结构体作为带通滤波器3。
(检测器)
作为电磁波检测器4，只要是能检测具有规定的频率的电磁波的强度的检测器，便没有特别的限定，例如能举出热电型传感器。该传感器使到达热电体的电磁波对热电体加热，测定由此产生的热电体的温度变化(即热电效应)。
除此以外，例如还能使用利用了热电堆或MCT(Mercury CadmiumTelluride：汞、镉和碲的合金)的传感器等能检测电磁波的传感器。
(壳体)
壳体5只要能容纳光源2、空隙配置结构体1以及检测器4等，便没有特别的限定，但优选壳体5的内壁由吸收用于检测的电磁波(例如红外线)的材质构成。这是因为，若从光源照射的电磁波在壳体的内壁反射，则会产生检测误差。作为这种材质，例如能举出金属或树脂。优选为黑色化的金属(例如经黑色耐酸铝加工的铝)或黑色树脂。
(隔板)
优选在空隙配置结构体1与检测器4之间设置具备开口部的隔板，以使仅透过了空隙配置结构体1的结构体部的电磁波到达检测器4。另外，优选在带通滤波器3与空隙配置结构体1之间设置具备相同开口部的隔板，以使仅通过了带通滤波器3的带通滤波器部的电磁波到达空隙配置结构体1。
上述隔板的开口部优选具有比空隙配置结构体1的主面的面积小的开口直径。由此，能使得仅通过了带通滤波器3的带通滤波器部的电磁波到达空隙配置结构体1，另外仅透过了空隙配置结构体1的结构体部的电磁波到达检测器4。
另外，隔板也可以如参考图5在后面叙述的那样，兼作用于将空隙配置结构体1和带通滤波器3固定在壳体5的固定器。
另外，在上述的实施方式中，说明了基于透过了空隙配置结构体1的电磁波(透过光)的频率特性来测定被测定物的特性的测定装置，但在本发明中，也可以通过在空隙配置结构体1的光源2侧配置检测器4，从而基于由空隙配置结构体1反射的电磁波(反射光)来测定被测定物的特性。
实施例
以下，举出实施例来更详细地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。
(实施例1)
准备了图1所示那样的、光源2、带通滤波器3、空隙配置结构体1以及检测器4按顺串联地配置并容纳于壳体5而成的测定装置。
首先，作为空隙配置结构体1，准备了图2(a)以及(b)所示那样的、贯通空隙配置结构体1的空隙部11周期性地配置在空隙配置结构体1的主面10a方向上的结构体。另外，空隙部11的尺寸d(图2(b))设为4.0μm，间距s(图2(b))设为6.5μm。
关于该空隙配置结构体1使用FT-IR(傅立叶变换红外分光法)来预先测定了透过率的频率特性。在图3中示出测定结果。如图3所示那样，确认出该空隙配置结构体是在40THz附近具有谐振的结构体。根据该结果，在本实施例中，假定对空隙配置结构体1使用40THz附近成为中心的具有离散性频率分布的电磁波。
作为光源，准备使用了以CaF2制的窗材被密封的Kanthal(カンタル：注册商标)制灯丝的宽带光源。Kanthal(カンタル：注册商标)是Fe以及Cr的合金，是作为灯丝的性能比镍铬合金线更卓越的材质。该光源是利用了来自灯丝的黑体辐射的红外用光源，能用作CaF2窗材的透过域即频率30THz以上的红外光的宽带光源。
为了从上述的宽带光源获得40THz附近成为中心的具有离散性频率分布的电磁波，准备了带通滤波器3。作为带通滤波器3，使用如下的带通滤波器：利用层叠不同的电介质的板状的结构物，相对于照射至板的主面的电磁波而具有图4所示那样的透过率的频率特性、即通频带中心(中心频率)成为约40THz那样的透过特性。另外，图4表示用FT-IR测定了所使用的带通滤波器的结果。
作为电磁波检测器，准备了能感测40THz附近的频率的电磁波的热电型红外传感器。
壳体5为了抑制壳体5内的电磁波的散射，用相对于40THz附近的电磁波而吸收性能高的树脂制(黑色聚乙烯)制作。
另外，将带通滤波器3以及空隙配置结构体1以图5的侧视图(b1)以及俯视图(b2)所示那样的状态固定在图5的侧视图(a1)以及俯视图(a2)所示那样的具有开口部61的树脂制的固定器(隔板)6，固定器6侧(图5的下侧)成为检测器1侧地设置在壳体5的内部，以使仅通过带通滤波器3的带通滤波器部、且透过了空隙配置结构体1的结构体部的电磁波能到达检测器4。其中，在本发明中并不限定于此，带通滤波器以及空隙配置结构体的固定器也可以设置为固定器成为光源侧。
在该构成下，以3秒间隔来进行光源的开启(3V)-关闭(0V)，用热电传感器接收透过了带通滤波器、空隙配置结构体1的电磁波，读取并记录其传感器强度。在此，开启-关闭电源缘于热电传感器的感测原理，与所谓的斩波对应。
接下来，将空隙配置结构体1从壳体拆除，使被测定物附着于该空隙配置结构体1。具体而言，使油性墨水1μL滴落到先前的空隙配置结构体的主面，并使其干燥。
与上述同样地使用FT-IR对附着了被测定物的空隙配置结构体1测定透过率的频率特性。在图6中示出测定结果。另外，在图6中，为了进行比较而一并示出图3所示的被测定物附着前的测定结果(虚线)。通过根据图6所示的结果比较40THz附近的透过率，确认出因被测定物的附着而透过率减少。
使附着了该被测定物的空隙配置结构体1放回到壳体5中，在与之前相同的条件下读取并记录传感器强度。
在表1中示出用本实施例的测定装置得到的被测定物的附着前后的热电传感器的输出(传感器强度)。另外，在表1中一并记录用FT-IR测定出的被测定物的附着前后的空隙配置结构体的透过率的频率特性中的40THz下的透过率。
[表1]
如表1所示那样，确认出用本发明的检测方法正确地检测出被测定物的附着。
(实施例2)
在实施例2中，示出除了与实施例1同样地使用40THz附近成为中心的具有离散性频率分布的电磁波(第1电磁波)以外、还一并使用35THz附近成为中心的具有离散性频率分布的电磁波(第2电磁波)的检测方法。
与实施例1同样的具有图4所示那样的透过特性(通频带中心为约40THz)的第1电磁波用的带通滤波器31分开，另行准备具有图7所示那样的透过特性(通频带中心为约35THz)的第2电磁波用的带通滤波器32。另外，图7表示用FT-IR测定了第2电磁波用的带通滤波器32的结果。
作为固定器，准备图8所示那样具有两个开口部61a、61b的固定器6，在一个开口部61a固定了第1电磁波用的带通滤波器31，在另一个开口部61b固定了第2电磁波用的带通滤波器32。
如图9所示，在光源2与空隙配置结构体1之间以能切换带通滤波器31、32的状态设置了固定该带通滤波豁31、32的图8所示的固定器6。通过如图9中箭头所示那样使固定器6移动来进行带通滤波器31、32的切换，能读取向空隙配置结构体1照射第1电磁波以及第2电磁波时的与各电磁波相对的热电传感器的输出。
与实施例1同样地，分别对第1电磁波(40THz)和第2电磁波(35THz)测定了被测定物的附着前后的热电传感器的输出(传感器强度)。在表2中示出测定结果。另外，在表2中，一并记录用FT-IR测定出的被测定物的附着前后的空隙配置结构体的透过率的频率特性中的40THz下的透过率、以及35THz下的透过率。
[表2]
如表2所示那样，确认出无论在使用第1电磁波(40THz)和第2电磁波(35THz)的哪一者的情况下均能以两个频率正确地检测出被测定物的附着。
在本实施例中，根据FT-IR的透过率的测定结果可知，在被测定物(油性墨水)附着于空隙配置结构体时透过光的峰值频率向低频侧移位。这种情况下，如表2所示那样，由于根据第2电磁波(35THz)的透过光的强度增加，第1电磁波(40THz)的透过光的强度减少这一情况而认为透过光的峰值频率向低频侧移位，因此能比实施例1更确实地判定被测定物的存在，能提高测定的精度。
另外，在本发明中，电磁波的频率并不特别限定于本实施例的两个频率。此外，例如还能在不损害本发明的效果的范围内进一步增加用于检测的电磁波的频率。
本次公开的实施方式以及实施例在全部方面上均是例示，不应认为是限制性的。本发明的范围并非以上述的说明而是以权利要求的范围来表示，意图包括与权利要求的范围等同的意义以及范围内的全部变更。
标号说明
1空隙配置结构体，10a主面，11空隙部，2光源，3、31、32带通滤波器，4检测器，5壳体，6隔板(固定器)，61、61a、61b开口部。
Claims (6)
1.一种测定装置，用于测定被测定物的特性，其特征在于，具备：
至少一个光源，用于照射具有规定的频率分布的电磁波；
空隙配置结构体，配置在被所述电磁波照射的位置，用于在测定时在该空隙配置结构体的表面保持所述被测定物；
检测器，用于检测作为透过了所述空隙配置结构体的所述电磁波的透过光、或作为由所述空隙配置结构体反射的所述电磁波的反射光；和
壳体，用于容纳所述光源、所述空隙配置结构体以及所述检测器。
2.根据权利要求1所述的测定装置，其中，
向所述空隙配置结构体照射的所述电磁波的频率离散地分布在规定的中心频率的附近。
3.根据权利要求2所述的测定装置，其中，
所述电磁波包含所述中心频率为所述空隙配置结构体的谐振频率的附近的第1电磁波。
4.根据权利要求3所述的测定装置，其中，
所述电磁波还包含所述中心频率与所述第1电磁波不同的第2电磁波。
5.根据权利要求1所述的测定装置，其中，
在所述空隙配置结构体与所述检测器之间设有具备开口部的隔板，该开口部具备有比所述空隙配置结构体的主面的面积小的开口直径。
6.根据权利要求1所述的测定装置，其中，
所述空隙配置结构体是相对于平板状的金属周期性地形成多个空隙部而成的金属网。
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