JP2006275592A - 検体保持用のデバイス、それを用いた検体検出装置及び検体検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微量な検体を検知する場合でも、検体を検知できることが望まれている。
【解決手段】 そこで本発明は、電磁波を伝送するための伝送線路と、検体を前記伝送線路に保持するための検体保持部と、空間から電磁波を入力するための空間結合器と、前記伝送線路を伝搬してきた前記電磁波を空間に出力するための空間結合器とを備え、空間から電磁波を入力するための前記空間結合器が前記伝送線路と接続している検体保持用のデバイス又はそれを用いた検体検出装置を提供するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁波を用いて検体を検出するための技術に関し、特に、伝送線路内での電磁波の伝搬状態の変化から検体の検知を行う装置とその方法に関する。

近年ミリ波からテラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）を発生、検出する手段が開発されたのに伴い、テラヘルツ波を利用した技術が注目されている。例えば、テラヘルツ波の応用分野としてＸ線に変わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を調べて結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術などの検体と非接触の検査技術として注目され開発されている。非特許文献１には、空間光学系で物質にテラヘルツ波を照射し、物質を透過したテラヘルツ波を検出する技術が開示されている。
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ３３２ （２０００） ３８９−３９５

一方、検体検知技術として、装置自体の小型化や検体自体の入手の困難性等で、微量な検体でしか装置を動かせない場合が想定され、そのような場合でも十分な検知感度が要求されている。しかし、非特許文献１の技術では、検体は一定量以上必要であり、微量な検体を検知する場合には、十分な検知感度を得ることが難しいことがある。

そこで本発明は、微量な検体でも十分な検知感度を得るための検体保持用のデバイス、それを用いた検体検出装置及び検体検出方法を提供するものである。

そこで本発明では、上記目的を解決するため、電磁波を伝送するための伝送線路と、検体を前記伝送線路に保持するための検体保持部と、空間から電磁波を入力するための空間結合器と、前記伝送線路を伝搬してきた前記電磁波を空間に出力するための空間結合器とを備え、空間から電磁波を入力するための前記空間結合器が前記伝送線路と接続している検体保持用のデバイスを提供するものである。

また、本発明は前述の検体保持用のデバイスと検体保持用デバイスに電磁波を照射するための発生部と検体保持用デバイスから出力される電磁波を検出するための検出部とを備える検体検知装置を提供するものである。

さらに、本発明は、電磁波を伝送するための伝送線路と、検体を前記伝送線路に保持するための検体保持部と、空間から電磁波を入力するための空間結合器と、前記伝送線路を伝搬してきた前記電磁波を空間に出力するための空間結合器とを備え、空間から電磁波を入力するための前記空間結合器が前記伝送線路と接続している検体保持用のデバイスと前記検体保持用デバイスに電磁波を照射するための発生部と前記検体保持用デバイスから出力される電磁波を検出するための検出部とを備える検体検知装置であって、前記検体と前記伝送線路を伝搬する電磁波との相互作用によって、前記伝送線路での電磁波の伝搬状態を変化させ、前記伝搬状態の変化から検体の検知を行う検体検知方法である。

本発明によれば、伝送線路中に電磁波を閉じ込めることにより、効率的に検体と電磁波を相互作用させることが可能になり、微量な検体でも検知することが可能になる。

そこで、本発明では、上記目的を達成するために、以下のように構成される。

検体保持用のデバイスとしは、電磁波を伝送するための伝送線路と、検体を前記伝送線路に保持するための検体保持部と、空間から電磁波を入力するための空間結合器と、前記伝送線路を伝搬してきた前記電磁波を空間に出力するための空間結合器とを備え、空間から電磁波を入力するための前記空間結合器が前記伝送線路と接続しているものである。

ここで、空間結合器とは、空間から効率よく電磁波を入射する、もしくは空間に効率よく電磁波を放射する機能を持つものである。例えば、アンテナや表面プラズモンを用いた結合器がある。アンテナは、マイクロストリップラインの幅を変えることでも形成することが可能であり、その形状は正方形、長方形、円形、楕円形等必要に応じて設計可能である。伝送線路としは、マイクロストリップラインやコプレーナーラインがあり、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の導電材料で形成されることが好ましい。また、伝送線路が途中で９０度に曲がっているとさらに好ましい。検体は、固体、液体だけでなく、電磁波と相互作用できるほどの高圧ガスを検体保持部に保持すれば気体でも可能である。検体保持部とは、前述の検体を保持する部分であり、伝送線路中に存在することが好ましいが、電磁波は伝送線路の中だけでなく外にも広がっているため、検体保持部を伝送線路近傍に設けてもよい。または、検体自身を伝送線路の上に貼り付けてる形態でも、電磁波の伝搬特性の変化が生じる効果が見込まれる。例えば図４に示すように、絶縁物質からなる検体保持３２の中央に空隙３３を設け、その空隙部分に検体を滴下して、伝送線路と接触させつつ、検体を保持する。

また、検体検出装置としは、前述の検体保持用のデバイスと電磁波を発生するための発生部と電磁波を検出するための検出部とを備えている。検体保持部に保持された検体と伝送線路を伝搬する電磁波を相互作用させることによって、伝送線路での電磁波の伝搬状態を変化させ、その変化から検体を保持していない場合と比較して検体の検知を行う。さらに、検体検出装置に偏光フィルターを備えていることが好ましい。これにより、ノイズを除去できより精度のいい検出が可能になる。電磁波としは、周波数領域がミリ波〜テラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）であるものを用いることが好ましい。電磁波を発生するための発生部は、光伝導素子を用いたもの、パラメトリック発生器、量子カスケードレーザ、後進行波管（ＢＷＯ）などが考えられる。電磁波を検出するための検出部は、光伝導素子、ＥＯ結晶、ボロメーター、超伝導トンネル接合素子などが考えられる。偏光フィルタは、ある偏波面を持った電磁波とその電磁波と偏波面において９０度傾いている電磁波を分離させる機能を持っている。例えば、ワイヤーグリッドを用いる。

一方の空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面が他の空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面とが異なることが好ましい。
または、空間結合器のうち、一方の空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面と他方の空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面とが９０度異なることが好ましい。

以下に電磁波としてテラヘルツ波を用いての検体検知装置の実施形態について図１を用いてより具体的に説明する。本発明は当然これらの実施例に限定されるものではない。検体検知装置は、電磁波を伝送するための伝送線路４と、少なくとも２つの空間結合器３、６と、検体を伝送線路に保持しておく為の検体保持部５とを有し、２つの空間結合器において、一方の空間結合器３に電磁波２を空間から入力し、他方の空間結合器６から電磁波７を空間へ出力する検体保持用のデバイスと電磁波発生部１と偏光フィルタ８と電磁波検出部９からなる。

検体保持用のデバイスにおいて空間結合器は、電磁波の入出力としての役割を持つ。伝送線路上には検体保持機構である検体保持部５がある。検体保持部５の構成は、検体と電磁波を安定して相互作用させる事が出来れば何でも良く、例えば図４に示すように、絶縁物質からなる検体保持３２の中央に空隙３３を設け、その空隙部分に検体を滴下して、伝送線路と接触させつつ、検体を保持する。電磁波発生部から検体保持用のデバイスの一方の空間結合器にテラヘルツ波を入射して、伝送線路で伝搬させた後、他方の空間結合器から放射させ、偏光フィルタによって出力部分の空間結合器から放射された電磁波と前記電磁波と偏波面が９０度異なる電磁波を分離して、出力部分の空間結合器から放射された電磁波を電磁波検出装置にて検出する。検体保持部にて、電磁波と検体が相互作用し、電磁波の伝搬損失、位相遅延、特有の吸収スペクトルの変化等の電磁波の伝搬特性の変化を抽出することによって、検体の特性（誘電率など）を検知することができる。本実施例では、特に両方の空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面をずらすように構成している。これは、出力部分の空間結合器から放射された電磁波の偏波を入力電磁波における入力部分の空間結合器や伝送線路からの反射による電磁波ノイズの偏波に対してずらすことである。これによって、反射による電磁波ノイズを除去でき、混信を防ぐことができる。つまり、出力部分の空間結合器から放射された電磁波とノイズを識別でき、Ｓ／Ｎが向上することにより、微量な検体と電磁波との相互作用も検知できるようになる。

本発明による第２の実施例は図２で説明する。本発明に用いる検体検知装置において検体保持用のデバイスには、高抵抗Ｓｉ基板１３の上にグランド面として金属を蒸着した後、高周波絶縁材料１４が塗布してある。高周波絶縁材料としては、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ポリイミド、ポリシランなど様々な物質が考えられる。高周波絶縁材料の上に空間結合器であるパッチアンテナ１５ａ、１５ｂ、伝送線路であるマイクロストリップライン１７などの金属ラインをパターニングで作製する。方法は、高周波絶縁材料の上にフォトレジストを塗布する。露光、現像を行い、フォトレジストをパターニングして、ベークする。金属（チタン、金の積層構造など）を蒸着し、リフトオフによってフォトレジストを剥離させる。伝送線路、パッチアンテナが形成される後に、絶縁体物質によって、塗布、ベーク、エッチングを経て、検体保持部１８を形成する。

図４に検体保持部を図示する。空隙部に検体を滴下する事によって、検体を保持する。なお、安定して電磁波と相互作用できれば良いので検体保持機構はこの形態に限るものではない。このようにして素子が完成する。パッチアンテナの典型的な大きさはテラヘルツ波の波長オーダーとしておよそ１００μｍ、伝送線路の長さは伝送線路での電磁波の損失を考慮しておよそ１ｍｍとする。伝送線路の幅は高周波絶縁材料の厚み、高周波絶縁材料の誘電率の３つの数値から伝送線路のインピーダンスの値を設定し、パッチアンテナとインピーダンスマッチングを達成するように調整する。図３のようにインピーダンスマッチングを達成するために、パッチアンテナ２２に切り込み２３を入れても良い。またアンテナからの放射分布を狭くするために、アンテナ中央にスリット１６ａ、１６ｂを設けても良い。このようにテラヘルツ波を伝搬させる機能だけを持つ素子とする事で、交換部である検体保持用のデバイスのコストを下げる事が出来る。

実施例２においては図２のように伝送線路を曲げている。これは以下の理由による。テラヘルツ波は１ＴＨｚにおいては波長が約３００μｍであり、光ほどの空間分解能、光束直進性は無い。アンテナのサイズがおよそ１００μｍであり、テラヘルツ波をアンテナ部分に集光して照射できない可能性がある。その時に、出力部分のアンテナからの放射と、入力部分に入射出来なかった（伝送線路や入力部分のアンテナからの）反射によるノイズと混信する恐れがある。パッチアンテナからの放射の電磁波の偏波方向は伝送線路（給電点）とパッチアンテナの中央部分を結んだ方向であり、伝送線路部分で９０度曲げて予め電磁波の偏波方向を９０度ずらしておけば、先のノイズと混信する事が無くなる。この混信を防止している事によって、光学系において、テラヘルツ波の光軸調整が容易になり、光学系の簡略化を達成する事が出来る。またノイズと混信を防ぐ事によって、Ｓ／Ｎが向上し、より微量な検体と電磁波の相互作用も検知する事が出来るようになる。

テラヘルツ波発生装置１０からパッチアンテナ１５ａに入射したテラヘルツ波は伝送線路を伝搬して、検体保持部１８によって保持された検体と相互作用した後、パッチアンテナ１５ｂから放射され、偏光フィルタ１９を経た後テラヘルツ波検出装置２０にて検出される。テラヘルツ波の発生の例として、光伝導素子と光パルスを用いた方法がある。構成を図６に示す。光伝導素子は、光伝導膜５２の上にアンテナ構造５３を設けた構成になっている。光伝導膜５２にはキャリアの移動度が高く、キャリアの寿命が短く、耐電圧の高い材質（例えばＬＴ−ＧａＡｓ）が使用される。アンテナ構造５３が有するギャップ部分５４にＤＣバイアス電圧５６を印加した状態で、ギャップ部分に光パルス５７（フェムト秒レーザー）を照射するとテラヘルツパルス５５が放射される。

偏光フィルタの例としてはワイヤグリッドなどが考えられる。これは細い金属のワイヤの線を一定の間隔で周期的に配列したものであり、金属ワイヤ線間の間隔をテラヘルツ波の波長よりも充分短い距離（〜３０μｍ）にすると、金属ワイヤ線と垂直な方向に偏波面を持つ電磁波は透過し、金属ワイヤ線と垂直な方向に偏波面を持つ電磁波は金属に吸収され、透過しない。この機能を利用して、それぞれ９０度偏波面が異なる電磁波を分離する事が出来る。

つまり出力部分の空間結合器からの電磁波の偏波面をワイヤグリッドの金属ワイヤ線と垂直な方向になるようにワイヤグリッドを配置する事で、出力部分の空間結合器からの電磁波と前記電磁波と偏波面において９０度傾いている電磁波の分離を行う事が出来る。

本発明の第３の実施例を図５に示す。図５は高周波絶縁材料の上のパターンのみを示している。実施例１、２との重複する部分の説明は省略している。図の様に出力部分の空間結合器に４３のプリントダイポールアンテナを用いる。伝送線路と間隙を経て、プリントダイポールアンテナを設ける。プリントダイポールアンテナの長さＬはおよそ１００μｍとして、間隙を給電点としてプリントダイポールアンテナが共振構造となりＬを半波長とするような波長付近の帯域の電磁波がプリントダイポールアンテナから放射される。この際にも放射された電磁波は、伝送線路や入力部分の空間結合器からの反射によるノイズと偏波が９０度異なっており、偏光フィルタを使用する事でノイズとの混信を防ぐという効果が期待できる。これによって、実施例１と同じように光学系において、テラヘルツ波の光軸調整が容易になり、光学系の簡略化を達成する事が出来る。またノイズと混信を防ぐ事によって、Ｓ／Ｎが向上し、より微量な検体と電磁波の相互作用も検知する事が出来るようになる。

本発明における１つの検体検知装置に関する実施の形態 第１実施例の検体検知装置の全体図 アンテナの拡大図 伝送線路における検体保持部を示した図 第２実施例の検体検知装置のパターン図 光伝導素子によるテラヘルツ波発生の模式図

符号の説明

１、１０ 電磁波（テラヘルツ波）発生装置
２、７、１１、１２ 電磁波（テラヘルツ波）
３、６ 空間結合器
１３ 基板
１４ 高周波絶縁材料
１５ａ、１５ｂ、２２、４１ パッチアンテナ
１６ａ、１６ｂ スリット
４、１７、２１、３１、４２、５１ 伝送線路
５、１８、３２ 検体保持部
８、１９ 偏光フィルタ
９、２０ 電磁波（テラヘルツ波）検出装置
２３ 切れ込み
３３ 空隙部
４３ プリントダイポールアンテナ
５２ 光伝導膜
５３ ダイポールアンテナ
５４ ギャップ部分
５５ テラヘルツパルス
５６ バイアス電圧
５７ 光パルス（フェムト秒レーザー）

Claims (9)

1. 電磁波を伝送するための伝送線路と、検体を前記伝送線路に保持するための検体保持部と、空間から電磁波を入力するための空間結合器と、前記伝送線路を伝搬してきた前記電磁波を空間に出力するための空間結合器とを備え、空間から電磁波を入力するための前記空間結合器が前記伝送線路と接続していることを特徴とする検体保持用のデバイス。
2. 一方の前記空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面と、他方の空間結合器の空間との結合効率の強い電磁波の偏波面とが９０度異なることを特徴とする請求項１記載の検体保持用のデバイス。
3. 前記空間結合器がアンテナであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか記載の検体保持用のデバイス。
4. 前記検体保持用のデバイスが、複数の空間結合器を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の検体保持用のデバイス。
5. 前記空間結合器にスリットを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の検体保持用のデバイス。
6. 請求項１から５のいずれか記載の検体保持用のデバイスと前記検体保持用デバイスに電磁波を照射するための発生部と前記検体保持用デバイスから出力される電磁波を検出するための検出部とを備えることを特徴とする検体検知装置。
7. 前記検体検知装置が、前記検体保持用デバイスと前記検出部との間に偏光フィルタを備えることを特徴とする請求項６記載の検体検知装置。
8. 前記電磁波の周波数領域が３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ領域から選択された電磁波であることを特徴とする請求項６又は７のいずれか記載の検体検知装置。
9. 電磁波を伝送するための伝送線路と、検体を前記伝送線路に保持するための検体保持部と、空間から電磁波を入力するための空間結合器と、前記伝送線路を伝搬してきた前記電磁波を空間に出力するための空間結合器とを備え、空間から電磁波を入力するための前記空間結合器が前記伝送線路と接続している検体保持用のデバイスと前記検体保持用デバイスに電磁波を照射するための発生部と前記検体保持用デバイスから出力される電磁波を検出するための検出部とを備える検体検知装置であって、前記検体と前記伝送線路を伝搬する電磁波との相互作用によって、前記伝送線路での電磁波の伝搬状態を変化させ、前記伝搬状態の変化から検体の検知を行うことを特徴とした検体検知方法。
   

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