JP2009122007A - 薄切片試料の含有水分量測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生体試料のような薄切片試料中の水分量を簡易かつ迅速に高精度で測定することができ、かつ試料の精密な厚さ調整なしに適正な透過率を得ることができる薄切片試料の含有水分量測定装置および方法を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波発生器１２、光波分割素子１４、参照光検出器１６、照射光学系１８、透過光検出器２０、演算装置２２及び周波数制御装置２４を備える。演算装置２２により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料１の照射部分の透過率Ｔを求め、薄切片試料の厚さｄを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、水分の吸収係数α_ｗから薄切片試料の含有水分の体積分率ν_ｗを求める。また、周波数制御装置２４により透過率Ｔが所定の最適範囲内（例えばＴ＝０．２２〜０．５５）となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ光を利用した薄切片試料の含有水分量測定装置および方法に関する。

本出願において、およそ０．１〜１００ＴＨｚの周波数を有する電磁波、すなわちこの領域の遠赤外線及びサブミリ波を「テラヘルツ波」と呼び、「ＴＨｚ波」と記載する。

テラヘルツ波（ＴＨｚ波）の発生手段として、例えば特許文献１、非特許文献２が既に開示されている。また非特許文献１は関連する先行文献であり、非特許文献３は未公開の文献である。

特許文献１は、任意の周波数のテラヘルツ波を任意の時間に発生させることを目的とする。
このため、この発明では、図１１の装置において、ＫＴＰ結晶５８は、励起光源５１からの光を入射して、配置角度に応じた第１及び第２の波長の光を発生する。ガルバノスキャナ５２は、ふたつのＫＴＰ結晶５８の配置角度を定める。ガルバノスキャナ制御部５７は、主制御部５５からの制御信号に従い、ガルバノスキャナ５８の駆動を制御してＫＴＰ結晶５８の配置角度を定めさせる。主制御部５５の記憶部には、所望の周波数のテラヘルツ波を発生させるための第１及び第２の波長と、該波長を出力するＫＴＰ結晶５８の配置角度を定めるための制御信号とが予め記憶される。主制御部５５は、記憶部を参照して所望の周波数に対応する各制御電圧を取得し、該制御電圧をガルバノスキャナ制御部５７に出力する。テラヘルツ波発生用結晶５３は、ＫＴＰ結晶５８からの第１及び第２の波長の差に応じてテラヘルツ波を出力するものである。

非特許文献２は、１〜３ＴＨｚの周波数帯域において、ＬｉＮｂＯ_３結晶の誘導ポラリトン散乱を利用したＴＨｚ波光源である。このＴＨｚ波光源は、迅速周波数変化という点においてリング共振器型テラヘルツ波パラメトリック発振器（リングＴＰＯ）が数ミリ秒で周波数同調が可能な光源である。

非特許文献３は、２つの異なる波長のレーザ光を非線形光学結晶へ入射してそれらの差周波数分のテラヘルツ波を発生させる差周波発生法である。

特開２００６−２１５２２２号公報、「テラヘルツ波発生装置及び分光測定装置」

Ｊ．Ｋ．Ｖｉｊ， Ｄ．Ｒ．Ｊ．Ｓｉｍｐｓｏｎ， Ｏ．Ｅ．Ｐａｎａｒｉｎａ， Ｆａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ： ＧＨｚ ｔｏ ＴＨｚ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ， Ｊ．Ｍｏｌｅ．Ｌｉｑｕｉｄｓ，ｖｏｌ．１１２，ｐｐ．１２５−１３５，２００４． Ｈｉｒｏａｋｉ Ｍｉｎａｍｉｄｅ， Ａｔｓｕｓｈｉ Ｓａｔｏ， Ｔｏｍｏｆｕｍｉ Ｉｋａｒｉ， Ｈｉｒｏｍａｓａ Ｉｔｏ，"Ａｌｌ−ｉｎ−ｏｎｅ ＴＨｚ−ｗａｖｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｏｕｒｃｅ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｃｏｍｐａｃｔ ＬＤ−ｐｕｍｐｅｄ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ"，ＣＬＥＯ／Ｐａｃｃｉｆｆｉｃ Ｒｉｍ ２００７，Ｓｅｏｕｌ，Ｋｏｒｅａ，Ａｕｇｕｓｔ，２００７ Ｈｉｒｏｍａｓａ Ｉｔｏ， Ｋｏｊｉ Ｓｕｉｚｕ， Ｔｏｍｏｙｕ Ｙａｍａｓｈｉｔａ， Ａｋｉｒａ Ｎａｗａｈａｒａ ａｎｄ Ｔｏｍｏｈｉｓａ Ｓａｔｏ，"Ｒａｎｄｏｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ ｂｒｏａｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ ｓｏｕｒｃｅ ｕｓｉｎｇ ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ （ＤＡＳＴ） ｃｒｙｓｔａｌ"，ＪＪＡＰ Ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ

テラヘルツ波電磁周波数領域は、光波と電波の境に位置する電磁周波数領域である。分光学的な特長としてＴＨｚ波帯には多くの指紋スペクトルと呼ばれる分子固有の吸収スペクトルが存在することから、製品検査技術や医療診断技術開発の分野において重要な役割を果たすと期待されている。

また、ＴＨｚ波は水に強く吸収されるという特長を有することから、応用研究上、水分の取り扱いが重要となる。そのため、従来の医学応用に向けた研究では、生体組織を乾燥させて試料として用いられてきた。

物質中の水分量の測定は、物性研究や産業界における製品管理においても有用な情報を提供する。
また特に、医学臨床分野における病理診断などの病理臨床分野では、水分量と病理組織の密接な関係が示唆されており、生体組織を乾燥させることなく、その水分量を簡易かつ迅速に測定することが要望されている。

そこで、ＴＨｚ波の水の強い吸収を積極的に利用した水分量測定に関する研究が近年、活発になされている。すなわち、ＴＨｚ波を利用すれば薄い試料においても十分な透過光の減衰が得られることから、ＴＨｚ波を利用した葉の水分量モニターによる植物の活性評価に関する報告や、反射光学系を用いた病理診断の可能性が報告されている。

しかし、従来の手段では、生体試料のような薄切片試料中の水分量を簡易かつ迅速に測定することは困難であった。
また、ＴＨｚ波の透過率を利用する場合でも、適正な透過率を得るために試料の厚さ調整が不可欠であり、特に生体組織の場合に試料の厚さ調整に手間を要していた。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、生体試料のような薄切片試料中の水分量を簡易かつ迅速に高精度で測定することができ、かつ試料の精密な厚さ調整なしに適正な透過率を得ることができる薄切片試料の含有水分量測定装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割する光波分割素子と、
前記参照光の強度を検出する参照光検出器と、
前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する照射光学系と、
前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出器と、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算装置と、
前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御装置とを備えた、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記周波数制御装置は、前記透過率が所定の最適範囲内になるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。

また本発明によれば、所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生ステップと、
前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割するテラヘルツ波分割ステップと、
前記参照光の強度を検出する参照光検出ステップと、
前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する入射光照射ステップと、
前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出ステップと、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算ステップと、
前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御ステップとを有する、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記演算ステップにおいて、
前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Ｔを求め、
薄切片試料の厚さｄを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、
水分の吸収係数α_ｗから薄切片試料の含有水分の体積分率ν_ｗを求める。

また、前記周波数制御ステップにおいて、前記透過率ＴがＴ＝０．２２〜０．５５となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。

本発明は、生体組織中における水の占める割合が大きいこと、およびＴＨｚ波周波数帯では水の吸収係数が比較的強いことを利用して、薄切片中の任意の領域（ＴＨｚ波の照射領域）の水分量を、透過法を利用して測定するものである。

すなわち、上記本発明の装置及び方法によれば、テラヘルツ波発生器により、所定の周波数帯域（例えば１〜６ＴＨｚの周波数範囲）においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生することができる。
また、光波分割素子（例えばハーフミラー）と参照光検出器（例えばＳｉボロメータ）により、入射光強度を精密に測定することができ、照射光学系（例えば集光レンズ）と透過光検出器（例えばＳｉボロメータ）により、透過光強度を精密に測定することができる。
さらに、演算装置（例えばＰＣ）により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Ｔと含有水分量（含有水分の体積分率ν_ｗ）を演算することができる。

また、周波数制御装置（例えばＰＣ）により、透過率Ｔをフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御するので、透過率Ｔが所定の最適範囲内（例えばＴ＝０．２２〜０．５５）となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御することができ、最高感度に近い高い感度を確保することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１は、本発明による薄切片試料の含有水分量測定装置の全体構成図である。
この図において、本発明の含有水分量測定装置１０は、テラヘルツ波発生器１２、光波分割素子１４、参照光検出器１６、照射光学系１８、透過光検出器２０、演算装置２２および周波数制御装置２４を備える。

テラヘルツ波発生器１２は、所定の周波数帯域（例えば１〜６ＴＨｚの周波数範囲）においてテラヘルツ波２を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生する。
光波分割素子１４は、例えばハーフミラーであり、テラヘルツ波２を入射光３と参照光４に一定の比率で分割する。
参照光検出器１６は、第１のテラヘルツ波検出器であり、参照光４の強度を検出する。参照光検出器１６は、例えばＳｉボロメータである。
照射光学系１８は、例えば集光レンズであり、入射光３を薄切片試料１（被測定物）の一部に集光して照射する。以下、薄切片試料１を単に「試料１」と呼ぶ。
透過光検出器２０は、第２のテラヘルツ波検出器であり、薄切片試料１を透過したテラヘルツ波５（透過光）の透過光強度を検出する。透過光検出器２０は、例えばＳｉボロメータである。

演算装置２２は、例えばコンピュータ（例えばＰＣ）であり、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する。
周波数制御装置２４は、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波２の発生周波数を制御する。この周波数制御装置２４は、透過率Ｔが所定の最適範囲内になるようにテラヘルツ波２の発生周波数を制御する。所定の最適範囲は、例えばＴ＝０．２２〜０．５５の範囲である。
また、薄切片試料１（例えば生体組織）を２次元的に走査可能な機構を備え、水分量の面内分布測定を可能にすることが好ましい。

図２は、本発明を構成するテラヘルツ波発生器１２の一実施形態を示す図である。この図において、テラヘルツ波発生器１２は、２波長光源３２および非線形光学材料３４を備える。

２波長光源３２は、異なる２波長の光を出射する。
この例において、２波長光源３２は、２つのバルクＫＴＰ結晶３２ａ，３２ｂ、ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３、及びレーザ発振器３３からなる２波長光パラメトリック発振器であり、波長λ_１、λ_２の２波長のレーザ光７，８を出射する。このうち、波長λ_１は例えば１２５０〜１６５０ｎｍで可変とし、折り返し配置にした２つのＫＴＰ結晶３２ａ，３２ｂの角度をガルバノスキャナで制御することによりλ_２の波長を所望のテラヘルツ周波数に合わせて１２５０〜１６５０ｎｍで可変できるようになっている。
この構成により、０．０１ＴＨｚの間隔でテラヘルツ周波数を連続的又はパルス的に発生させることができる。
なお本発明は異なる２波長の光７，８を出射できる限りで、この構成に限定されない。

図２において、２波長光源３２からの波長λ_１、λ_２の２波長のレーザ光７，８は、ミラーＭ４，Ｍ５とレンズＬを介して非線形光学材料３４の表面に対し垂直に入射する。なお、本発明において、ミラーＭ４，Ｍ５とレンズＬは必須ではなく、これらを省略することもできる。

非線形光学材料３４は、２波長λ_１、λ_２の光７，８から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波２を発生する。
非線形光学材料３４は、ＤＡＳＴ結晶（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｙｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）、ＭＮＡ（２−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｎｉｔｒｏａｎｉｌｉｎｅ）、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＴＰ、ＬｉＩＯ、ＧａＳｅ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、またはＺＧＰが好ましく、特にＤＡＳＴ結晶が好ましい。

ＤＡＳＴ結晶は、ＤＡＳＴの飽和エタノール溶液を冷却する再結晶法で約２ｃｍ角、厚さ１ｍｍ以上の結晶が製造可能である。この矩形平板面上に分子の分極方向（ａ軸）を有し、外部からａ軸偏光の励起電界を印加すると分極波が生じ、非線形光学効果から励起電界と異なる周波数の光が発生する。従って、このＤＡＳＴ結晶を広帯域テラヘルツ帯の発生に用いることができる。

なお、図２において、３１は制御記録装置（例えばＰＣ）であり、２波長光源３２を制御し、計測されたテラヘルツ波３の強度を記録するとともに、必要な解析を行う。また３５は表示装置であり、計測結果及び解析結果を表示するようになっている。
また、制御記録装置３１は、図１における周波数制御装置２４の機能を有し、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波２の発生周波数を制御してもよい。

なお、テラヘルツ波発生器１２は、図２の構成に限定されず、所定の周波数帯域（例えば１〜６ＴＨｚの周波数範囲）においてテラヘルツ波２を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生することができる限りで、その他の構成であってもよい。

図３は、本発明による薄切片試料の含有水分量測定方法の全体フロー図である。
この図において、本発明の含有水分量測定方法は、テラヘルツ波発生ステップＳ１、テラヘルツ波分割ステップＳ２、参照光検出ステップＳ３、入射光照射ステップＳ４、透過光検出ステップＳ５、演算ステップＳ６、および周波数制御ステップＳ７の各ステップを有する。
テラヘルツ波発生ステップＳ１では、所定の周波数帯域（例えば１〜６ＴＨｚの周波数範囲）においてテラヘルツ波２を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生する。
テラヘルツ波分割ステップＳ２では、テラヘルツ波２を入射光３と参照光４に分割する。
参照光検出ステップＳ３では、参照光３の強度を検出する。
入射光照射ステップＳ４では、入射光４を薄切片試料１の一部に集光して照射する。
透過光検出ステップＳ５では、薄切片試料１を透過したテラヘルツ波５（透過光）の透過光強度を検出する。

演算ステップＳ６では、入射光強度と透過光強度から薄切片試料１の照射部分の透過率と含有水分量を演算する。
この演算ステップＳ６において、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Ｔを求め、薄切片試料の厚さｄを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、水分の吸収係数α_ｗから薄切片試料の含有水分の体積分率ν_ｗを求める。
演算ステップＳ６における計算内容は後述する。

周波数制御ステップＳ７では、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する。
この周波数制御ステップＳ７において、透過率ＴがＴ＝０．２２〜０．５５となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する。

上述した本発明の装置及び方法によれば、テラヘルツ波発生器１２により、所定の周波数帯域（例えば１〜６ＴＨｚの周波数範囲）においてテラヘルツ波２を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生することができる。
また、光波分割素子１４と参照光検出器１６により、入射光強度Ｉ_ｉｎを精密に測定することがで、照射光学系１８と透過光検出器２０により、透過光強度Ｉ_ｏｕｔを精密に測定することができる。
さらに、演算装置２２により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Ｔと含有水分量（生体組織中の含有水分の体積分率ν_ｗ）を演算することができる。

また、周波数制御装置２４により、透過率Ｔをフィードバックしてテラヘルツ波２の発生周波数を制御するので、透過率Ｔが所定の最適範囲内（例えばＴ＝０．２２〜０．５５）になるようにテラヘルツ波２の発生周波数を制御することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。

１．測定原理
初めに、本発明の測定原理を説明する。
図４は、本発明の測定原理図である。
この図に示すような構成において、光が試料１に入射すると、反射、吸収、透過を繰り返す。この場合において、試料１に対する入射強度と透過強度の関係は、ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則により数１の式（１）で記述される。
ここで、Ｉ_ｉｎは試料１への入射強度、Ｉ_ｏｕｔは試料１からの透過強度、αは試料の吸収係数、ｄは試料の厚さである。なお「光」は、テラヘルツ波に限定されない。

次に、試料１が水分（添字ｗで示す）および水分以外の成分（添字ｎｗで示す）で構成されていると考えると、試料１の吸収係数αは、水分による吸収と水分以外の吸収に分けて考えることができ、試料の吸収係数αは数１の式（２）で表わせる。
ここで、水分の吸収係数をα_ｗ、水分以外の成分の吸収係数をα_ｎｗとする。また、試料中の水分が占める体積の割合、つまり含有水分の体積分率をν_ｗとし、水分以外の成分の体積分率をν_ｎｗとする。

生体組織中の水分の吸収係数α_ｗはν_ｗ＝１（１００［ｖｏｌ％］）における吸収係数であり、水分以外の吸収係数α_ｎｗはν_ｎｗ＝１（１００［ｖｏｌ％］）における吸収係数である。また、含有水分の体積分率ν_ｗと水分以外の成分の体積分率ν_ｎｗの関係はν_ｗ＋ν_ｎｗ＝１・・・式（２ａ）が成り立つ。

次に、生体組織の構成要素として、水分とそれ以外の成分を考えると、水分による吸収係数α_ｗがそれ以外の吸収係数α_ｎｗに比べると十分大きいと考えることができ、数１の式（３）が成り立つ。

また、生体組織中の含有水分の体積分率ν_ｗは他の体積分率ν_ｎｗに比べ同等か大きいと考えることができ、数１の式（４）が成り立つ。
従って、試料の吸収係数αは主に水分によるものと考えると、試料の吸収係数αは数１の式（５）のように近似できる。

式（５）より、水分の吸収係数α_ｗが既知であれば、式（１）と式（５）の関係を用いてＴＨｚ波の透過率Ｔから含有水分の体積分率ν_ｗが求まる。ここで、測定結果として含有水分の体積分率ν_ｗ、すなわち生体組織中に占める水分の体積の割合が求まることになるので、生体組織単位体積あたりに含まれる水分の質量ｍ［ｇ／Ｌ］は、水分の密度Ｄ［ｇ／Ｌ］を用いて、ｍ＝Ｄ×ν_ｗ・・・式（５ａ）となる。
つまり、生体組織による吸収係数αを水による吸収係数α_ｗと近似することで、ＴＨｚ波を生態組織に照射し、その透過率を測定するという簡易な測定法において、ＴＨｚ波が照射された領域の水分量測定（生体組織単位体積あたりに含まれる水分の質量ｍの測定）が可能となる。

２．近似により生じる誤差の見積もり
本発明の方法では、生体組織のＴＨｚ波の吸収を含有水分によるものと仮定している。この仮定、つまり式（５）による近似によって生じる誤差について以下検討する。

上述した測定原理より、測定される含有水分の体積分率は見かけ体積分率ν^’ _ｗとして測定される。見かけ体積分率ν^’ _ｗは、水分の吸収係数α_ｗと水分以外の吸収係数α_ｎｗおよび、生体組織中に含まれている真の水分の体積分率ν_ｗを用いて数２の式（６）で表わされる。

よって、式（６）より測定される体積分率ν^’ _ｗは数２の式（７）のようになる。

ここで、真の水分の体積分率ν_ｗは式（７）の第１項であるので、同式の右辺第２項の成分が、仮定によって生じる誤差として寄与していることが分かる。 次に、誤差の定量的な解析のために、真の含有水分の体積分率ν_ｗと測定された見かけの水分の体積分率ν^’ _ｗのずれの程度として相対誤差Ｅを用いる。相対誤差Ｅは数２の式（８）ように表わせる。

式（８）より、式（５）の近似によって生じる誤差Ｅは、水分ｎとそれ以外の成分の吸収係数の比α_ｎｗ／α_ｗおよび体積分率比に依存することが分かる。つまり、水分と水分以外の成分の吸収係数の比が大きく、かつ高い含有水分の体積分率の測定において相対誤差が小さくなることが分かる。

図５は、水分体積分率と相対誤差との関係図である。この図は、水分および水分以外の吸収係数の比をパラメータにして、真の含有水分の体積分率ν_ｗと測定された見かけの水分の体積分率ν^’ _ｗの、仮定によって生じる相対誤差を計算したものである。
図中の斜線領域は、生体組織中の水分の体積分率として０．５〜０．９および、吸収係数の比として０．１〜０．０１の領域を示している。つまり、この条件での測定では式（５）の仮定によって生じる誤差は最大１０％となり、最小で０．１％以下で測定が可能であることを示している。

３．最適透過率の決定
ＴＨｚ波による水分量の測定では式（１）のように透過測定法に基づいている。まず、透過測定法における最適な透過率について検討する。透過測定法における透過率は測定感度と密接な関係がある。感度を見積もるためには、式（１）を用いて吸収係数αの微小変化率Δα／αに対する、透過率の微小変化を検討すればよい。この変化は式（１）を用いて数３の式（９）のように表わされる。

次に、感度ｓは、吸収係数αの微小変化率Δα／αとそれによって生じる透過率の変化ΔＴの比として定義される。感度ｓは数３の式（１０）のようになる。

図６は、透過率と感度の関係図である。
式（１０）はＴ＝０．３６８において極大をとる関数である。図６は、感度ｓの透過率依存性を示しており、透過率Ｔ＝０．３６８のとき極大値を取り、このとき、感度ｓ＝０．３６８となり最大になることが分かる。したがって、透過測定法を用いた水分量の測定には、透過率３６．８％付近に設定することが好ましい。

また、透過率Ｔ＝０．３６８となる条件は、含有水分による体積分率のみで決定されると仮定すると数３の式（１１）の関係となる。
一般的に、吸収係数α_ｗは周波数の関数であり、α_ｗ（ｆ）と書き換えることが出来る。つまり、式（１１）は数３の式（１２）となる。

生体組織中に含まれる水分量の測定では、前述したように含有水分の体積分率ν_ｗを測定することになるので、ν_ｗは未知数である。未知数ν_ｗに対して式（１２）を満足するためには、少なくとも厚さｄを変化させる方法、もしくは吸収係数α_ｗ（ｆ）を変化させる方法が考えられる。

生体組織を試料１として用いた場合、厚さｄを変化させる方法は作業を複雑にするため、簡易な方法とはいえない。一方、吸収係数が周波数の関数α_ｗ（ｆ）として与えられることに着目すると、厚さｄを変えなくても、測定する周波数を変化させるだけで、ν_ｗが未知数の条件で式（１２）を満たすことが出来ることが分かる。

ここで、透過率Ｔの変動を伴う測定においては、透過率にある程度許容範囲を与える必要がある。つまり、式（１２）の条件に対して感度ｓにある程度許容を与えたとする。例えば感度が１０％程度低下する範囲を透過率の許容範囲とすると、図６より１０％感度が低下する透過率の範囲はＴ＝０．２２〜０．５５となる。つまり、吸収係数と厚さ、体積分率の関係は数３の式（１３）となる。

４．試料の厚さの決定
含有水分の体積分率ν_ｗの測定に用いる試料の厚さについて議論する。まず、本測定では水のＴＨｚ波帯の吸収係数が重要になる。図７は非特許文献１を基に計算した水の吸収係数である。１〜６ＴＨｚでは、吸収係数が２００ｃｍ^−１から１４００ｃｍ^−１の範囲で、周波数の増加に伴い単調に増加していることが分かる。

図８は、含有水分の体積分率ν_ｗをパラメータとしたときに、Ｔ＝０．３６８となる吸収係数α_ｗと厚さｄの関係を示す。ここでパラメータは体積分率であり、ν_ｗ＝０．２からν_ｗ＝０．９として計算した結果を図中実線で示す。また、図中の斜線領域は、ν_ｗ＝０．２およびν_ｗ＝０．９に対して式（１３）を満たす厚さの範囲である。

図８よりある体積分率では吸収係数が大きくなるにつれて式（１３）の条件を満たす試料の厚さは薄くなることが分かる。図７よりＴＨｚ波の吸収係数は、１〜６ＴＨｚで約２００から１４００ｃｍ^−１を変化しているので、体積分率が０．２から０．９の間にある試料に対して式（１３）を満たしながら測定するためには、厚さの範囲は、１０から２５０μｍの範囲となる。

一方、医学・生物分野では、凍結ミクロトームによって作製した薄切片試料が広く使われており、その厚さは凡そ２μｍから２００μｍである。図８中の両矢印で示す領域はミクロトームで作製可能な典型的な厚さの範囲である。

ＴＨｚ波の吸収係数で測定可能な試料の厚さ範囲とほぼ一致している。そのため、ＴＨｚ波を利用することで凍結ミクロトームで作製した生体組織切片中の水分含有量の測定が可能となる。よって、本発明は、従来の試料作製技術と融合できる利点があり、より広い分野に適応可能であると考えられる。

薄切片試料中の含有水分量の測定における、試料の厚さとＴＨｚ周波数、および測定可能な体積分率の関係について議論する。水の吸収係数は図７に示すように周波数ｆによって変化する。そのため、吸収係数α_ｗと厚さｄの関係は、図９のように周波数ｆと厚さｄの関係とすることができる。図９から周波数の帯域によって、Ｔ＝０．３６８となるｄが異なる。たとえば、１から３ＴＨｚ では、５０から１００μｍ程度の試料の厚さに対応している。また、高周波側では、比較的薄い試料に対応している。

５．最適周波数の決定
次に、図１０に厚さｄをパラメータとしたときの周波数ｆと含有水分の体積分率ν_ｗの関係を示す。１〜６ＴＨｚの周波数領域で、最もν_ｗの範囲が広く取れるのはｄ＝４０μｍのときであり、このときν_ｗ＝０．２以上の測定が可能となる。

つまり、試料の厚さが自由に準備できるのであれば厚さ４０μｍ程度の試料をもちいれば広い範囲のν_ｗに対して行えることになる。また、ν_ｗの測定においては、まず、透過率をモニターしながら測定する周波数を変化させて透過率がＴ＝０．３６８付近になるような周波数ｆを決定して、水分量の測定を行うことになる。したがって、本測定法においては、広帯域かつ周波数可変ＴＨｚ波光源がキーデバイスとなる。

６．装置構成
本発明では単一周波数（例えば周波数変動が０．０１〜０．１ＴＨｚ）のテラヘルツ波を用いて試料の水分量を測定するが、最適感度で測定を行うには、水分量および厚さに応じて周波数を変化させなければならない。更に、実用性を考えれば、迅速に測定できる必要がある。したがって、測定に用いるＴＨｚ波光源としては、迅速に周波数を変化できかつ、単色広帯域の周波数可変なＴＨｚ波光源が適している。
本発明の発明者らは、これまでに、非線形光学効果を用いたＴＨｚ波光源を開発し出願している。

非特許文献２は、１〜３ＴＨｚの周波数帯域において、ＬｉＮｂＯ_３結晶の誘導ポラリトン散乱を利用したＴＨｚ波光源であり、非特許文献３は、有機非線形結晶ＤＡＳＴを用いた差周波発生ＴＨｚ波光源であり２〜６０ＴＨｚにおける超広帯域周波数可変光源が実現されている。迅速周波数変化という点では、前者においてはリング共振器型テラヘルツ波パラメトリック発振器（リングＴＰＯ）が数ミリ秒で周波数同調が可能な光源であり、後者においては、ガルバノスキャナーコントロールによってＫＴＰ結晶の角度を調整することで、２波長励起光を瞬時変化可能な機構を有するＴＨｚ波光源が実現されている。

上述した図１は、広帯域周波数可変ＴＨｚ波発生器を用いた本発明による水分量測定システムの概要図である。テラヘルツ波発生器１２からのＴＨｚ波２は２光波３，４に分けられ、一方のＴＨｚ波３は対物レンズ１８で集光され生体組織１を照射し透過したＴＨｚ波５が透過光検出器２０で検出される。他方の光波は参照光４として参照光検出器１６で検出される。検出された強度は、計測・データ処理および演算を経て透過率Ｔが計算される。ここで、既に述べたように、透過率Ｔ＝０．３６８付近で感度が良いため、透過率を調整するためのフィードバック機構として、ＴＨｚ波光源の周波数制御装置２４が重要となる。また、生体組織を２次元に走査可能な機構を有すれば水分量の面内分布測定が可能になる。

７．ＴＨｚ波光源と測定濃度範囲の関係
リングＴＰＯは発振ＴＨｚ周波数が１〜３ＴＨｚ波である。図９より１〜３ＴＨｚの周波数範囲では、厚さ４０μｍの試料を用いた場合、ν_ｗ＝０．４１〜１．０の範囲で式（１２）を満たしながら測定が可能である。また、ＤＡＳＴ結晶を用いたＴＨｚ波源ではν_ｗ＝０．１９〜１．０の測定ができる。

上述したように、本発明では、ＴＨｚ波を用いた薄切片試料中の水分量測定法を提案した。本発明によれば、生体組織中の水の占める割合が大きいことと、ＴＨｚ波周波数帯の水の吸収係数がその他の構成成分による吸収に比べ大きいと仮定し、生体組織中のＴＨｚ波の吸収が水分によるものとすると、透過測定法による簡便な方法で水分量の測定が可能である。更に、生体組織中のＴＨｚ波の吸収が水分によるものとする仮定によって生じる誤差は、水およびその他の構成成分のＴＨｚ波帯の吸収係数の比およびそれらの体積分率の比で相対誤差が決まることが明らかとなった。

次に、測定感度に関し、微小な体積分率の変化に対する透過率の変化で定義される感度は、透過率が３６．８％のときに最大になることを見出し、高感度条件での測定のためには、透過率を調整する必要があることがわかった。
透過率の調整においては、吸収係数が周波数の関数であることと、ＴＨｚ波帯の水の吸収係数の周波数依存性が単調増加であることに着目して測定周波数を変化させて適度な透過率が得られることを提案した。
また、試料の厚さとしては１〜６ＴＨｚ波の吸収係数を考慮した場合に、４０μｍのとき最も広範囲で多含有水分の体積分率の測定が可能であることが明らかとなった。

上述した本発明の装置及び方法によれば、例えば２波長光源３２と有機非線形光学材料３４とにより、異なる２波長の光７，８から光差周波発生（ＤＦＧ）によりそれらの差周波数分に相当するテラヘルツ波２を発生するので、２波長７，８を可変波長にすることにより、所望の周波数のテラヘルツ波２を容易に発生させることができる。

また、演算装置２２により、入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Ｔと含有水分量（薄切片試料の含有水分の体積分率ν_ｗ）を演算することができる。

さらに、周波数制御装置２４により、透過率をフィードバックしてテラヘルツ波２の発生周波数を制御するので、透過率Ｔが所定の最適範囲内（例えばＴ＝０．２２〜０．５５）となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御することができ、最高感度に近い高い感度を確保することができる。

また、透過法による濃度測定における透過率の調整は試料の厚さを変化させることが一般的であるが、本発明では、測定の簡易性および迅速性を得るために、吸収係数が周波数の関数であることおよび、水のＴＨｚ波帯の吸収係数の周波数分散が単調に変化していることを利用した透過率の調整方法を提案した。これによれば生体組織のように試料の厚さ調整に手間を要する測定条件において、簡易かつ迅速な測定が可能になる。

また、図１に示すように、被測定物１を２次元ステージ１１上に固定し、被測定物１を走査してＴＨｚ波が照射する部位を変化させるか、もしくは、ＴＨｚ波ビームを走査して照射する位置を変化させることで、被測定物１の水分含有量の空間的な分布を測定することが可能になる。つまり、水分量の違いによって、物質の差別化が可能となる。また、水分量の測定結果を、各時間においてコンピューター内の記憶装置に記憶すれば水分量の計時変化をモニターできる。つまり、水分量の計時変化が測定が可能になる．

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明による薄切片試料の含有水分量測定装置の全体構成図である。 本発明を構成するテラヘルツ波発生器１２の一実施形態を示す図である。 本発明による薄切片試料の含有水分量測定方法の全体フロー図である。 本発明の測定原理図である。 水分体積分率と相対誤差との関係図である。 透過率と感度の関係図である。 非特許文献１を基に計算した水の吸収係数α_ｗ（ｆ）である。 含有水分の体積分率ν_ｗをパラメータとしたときに，Ｔ＝０．３６８となる吸収係数α_ｗと厚さｄの関係を示す図である。 周波数ｆと試料の厚さｄとの関係図である。 厚さｄをパラメータとしたときの周波数ｆと含有水分の体積分率ν_ｗの関係を示す図である。 特許文献１の装置の模式図である。

符号の説明

１ 薄切片試料（被測定物）、２ テラヘルツ波、３ 入射光、
４ 参照光、５ テラヘルツ波（透過光）、７，８レーザ光、
１０ 含有水分量測定装置、１１ ２次元ステージ、
１２ テラヘルツ波発生器、
１４ 光波分割素子（ハーフミラー）、１６ 参照光検出器（Ｓｉボロメータ）、
１８ 照射光学系、２０ 透過光検出器（Ｓｉボロメータ）、
２２ 演算装置、２４ 周波数制御装置、
３１ 制御記録装置（ＰＣ）、３２ ２波長光源、
３２ａ，３２ｂ バルクＫＴＰ結晶、
３４ 非線形光学材料（ＤＡＳＴ結晶）、
３５ 表示装置

Claims (5)

1. 所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生器と、
   前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割する光波分割素子と、
   前記参照光の強度を検出する参照光検出器と、
   前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する照射光学系と、
   前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出器と、
   前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算装置と、
   前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御装置とを備えた、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定装置。
2. 前記周波数制御装置は、前記透過率が所定の最適範囲内になるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の薄切片試料の含有水分量測定装置。
3. 所定の周波数帯域においてテラヘルツ波を、パルス波又は連続波として、連続的又は不連続的に任意の周波数を発生するテラヘルツ波発生ステップと、
   前記テラヘルツ波を入射光と参照光に分割するテラヘルツ波分割ステップと、
   前記参照光の強度を検出する参照光検出ステップと、
   前記入射光を薄切片試料の一部に集光して照射する入射光照射ステップと、
   前記薄切片試料を透過したテラヘルツ波の透過光強度を検出する透過光検出ステップと、
   前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率と含有水分量を演算する演算ステップと、
   前記透過率をフィードバックしてテラヘルツ波の発生周波数を制御する周波数制御ステップとを有する、ことを特徴とする薄切片試料の含有水分量測定方法。
4. 前記演算ステップにおいて、
   前記入射光強度と透過光強度から薄切片試料の照射部分の透過率Ｔを求め、
   薄切片試料の厚さｄを用いて、ランベルト・ベールの法則によって試料の吸収係数αを求め、
   水分の吸収係数α_ｗから薄切片試料の含有水分の体積分率ν_ｗを求める、ことを特徴とする請求項３に記載の薄切片試料の含有水分量測定方法。
5. 前記周波数制御ステップにおいて、前記透過率ＴがＴ＝０．２２〜０．５５となるようにテラヘルツ波の発生周波数を制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の薄切片試料の含有水分量測定方法。

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