JP2014190967A - 測定用器具、測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体や細胞などの試料を、テラヘルツ波を用いて簡便に測定可能な測定用器具を提供する。
【解決手段】液体を含む試料を透過したテラヘルツ波を測定するのに用いる測定用器具２１であって、試料を保持可能な容器２２と、容器２２の底部２２ａに載置自在な誘電体材料からなる窓部材２４と、を備え、窓部材２４を底部２２ａに載置することにより、窓部材２４と底部２２ａとの間に介在してテラヘルツ波を透過させる試料の測定厚さを制限可能に構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、テラヘルツ波を使用して試料を測定するのに用いる測定用器具、該測定用器具を用いる測定装置及び測定方法に関するものである。

近年、テラヘルツ波を利用した分光測定技術が開発されている。テラヘルツ波は、半導体やアミノ酸結晶などの固体試料の評価のみならず、水溶液のイオン濃度や水の温度変化に対しても感度を有することから、水溶液や水を多く含む生体試料の測定技術としても注目されている。テラヘルツ波の測定では、テラヘルツ波を試料に透過させて試料の測定を行うことが多く行われている。

ここで、試料として水溶液や水を多く含む生体材料を用いた場合のテラヘルツ波の透過測定では、試料の厚さが厚いと水によってテラヘルツ波が吸収され、その測定を行うことが難しい。これに関し、流路や専用容器を用いて水の厚さを限定し、テラヘルツ波による透過測定を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１０−７１６６０号公報 特開２０１２−１８５１５１号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示の技術は、液体試料を専用の流路に流入させる必要があるため、測定系が複雑になるという不都合がある。また、試料として、水溶液だけではなく、例えば培養生細胞などの生体材料を用いる場合、ディッシュ等で培養された細胞を流路や専用容器に移す必要があり、細胞を生きた状態で測定することが困難となる。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、液体や細胞などの試料を、テラヘルツ波を用いて簡便に測定可能な測定用器具、測定装置及び測定方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る測定用器具は、
液体を含む試料を透過したテラヘルツ波を測定するのに用いる測定用器具であって、
前記試料を保持可能な容器と、
前記容器の底部に載置自在な誘電体材料からなる窓部材と、を備え、
前記窓部材を前記底部に載置することにより、前記窓部材と前記底部との間に介在して前記テラヘルツ波を透過させる前記試料の測定厚さを制限可能に構成されたものである。

前記窓部材は、平坦部と、該平坦部から突出する脚部と、を備え、
前記脚部を前記底部に当接させて前記窓部材を前記底部に載置することにより、前記試料が流動可能な状態で前記測定厚さを制限可能とするとよい。

前記脚部は５μｍ〜１００μｍの高さを有するとよい。

前記底部は、平坦部と、該平坦部から突出する突起部と、を備え、
前記突起部に前記窓部材を当接させて該窓部材を前記底部に載置することにより、前記試料が流動可能な状態で前記測定厚さを制限可能とするとよい。

前記突起部は５μｍ〜１００μｍの高さを有するとよい。

前記窓部材は、水晶、サファイア、ＭｇＯ、樹脂材料の少なくとも一つを含んでなるとよい。

前記容器はプラスチックからなるとよい。

前記底部の少なくとも一部は電気光学結晶を含むとよい。

更に、上記目的を達成する本発明に係る測定装置は、
電気光学結晶を有しない測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定装置であって、
前記測定用器具の上方又は下方から前記窓部材と前記底部との間に介在される前記試料にテラヘルツ波を照射する照射系と、
前記試料を透過した前記テラヘルツ波を検出する検出系と、
を備えるものである。

更に、上記目的を達成する本発明に係る測定装置は、
電気光学結晶を有する測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定装置であって、
前記窓部材の上方から当該窓部材及び前記試料を経て前記電気光学結晶にパルス状のテラヘルツ波を照射する第１の照射系と、
前記電気光学結晶の前記テラヘルツ波の照射領域に少なくとも一部が重なるように、前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
前記電気光学結晶を経た前記第２の電磁波の偏光状態を検出する検出系と、
を備えるものである。

前記検出系は、前記電気光学結晶の上面近傍に合焦される光学系を有し、前記電気光学結晶を透過した前記第２の電磁波の偏光状態に基づく画像を検出するとよい。

前記第２の電磁波は近赤外光であるとよい。

更に、上記目的を達成する本発明に係る測定方法は、
電気光学結晶を有しない測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定方法であって、
前記測定用器具の上方又は下方から前記窓部材と前記底部との間に介在される前記試料にテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射ステップと、
前記試料を透過した前記テラヘルツ波を検出する検出ステップと、
を含むものである。

更に、上記目的を達成する本発明に係る測定方法は、
電気光学結晶を有する測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定方法であって、
前記窓部材の上方から当該窓部材及び前記試料を経て前記電気光学結晶にパルス状のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射ステップと、
前記電気光学結晶の前記テラヘルツ波の照射領域に少なくとも一部が重なるように、前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の電磁波照射ステップと、
前記電気光学結晶を透過した前記第２の電磁波の偏光状態を検出する検出ステップと、
を含むものである。

前記検出ステップは、前記電気光学結晶の上面近傍に光学系を合焦させて、前記電気光学結晶を透過した前記第２の電磁波の偏光状態に基づく画像を検出するとよい。

前記試料は、細胞を含んでもよい。

前記細胞は、培養液またはバッファ中の培養細胞であってもよい。

本発明によれば、液体や細胞などの試料を、テラヘルツ波を用いて簡便に測定することが可能となる。

第１実施の形態に係る測定装置の全体の概略構成図である。 図１の試料配置部に配置される測定用器具の一例の構成を示す断面図である。 図２の窓部材の３つの例を示す斜視図である。 図１の試料配置部に配置される測定用器具の他の例の構成を示す断面図である。 ラット白色脂肪細胞の光学顕微鏡による可視画像と、図１の測定装置による同一試料のテラヘルツ波画像を示す写真である。 図１の試料配置部に配置される測定用器具の更に他の例の構成を示す断面図である。 第２実施の形態に係る測定装置の全体の概略構成図である。 第３実施の形態に係る測定装置の全体の概略構成図である。 図８の試料配置部に配置される測定用器具の一例の構成を示す断面図である。 図９の測定用器具に培養細胞を保持した例を示す断面図である。 図８の試料配置部に配置される測定用器具の他の例の構成を示す断面図である。 図８の試料配置部に配置される測定用器具の他の例の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る測定装置の全体の概略構成図である。この測定装置は、試料を顕微観察するものである。図１において、レーザ光源１１は、フェムト秒近赤外パルスレーザを射出する。レーザ光源１１から射出されたフェムト秒近赤外パルスレーザは、ビームスプリッタ１２によってポンプ光とプローブ光とに分岐される。ポンプ光は、ポンプ光調整光学系１３を経てテラヘルツ波発生素子１４に入射される。これにより、テラヘルツ波発生素子１４からテラヘルツ波が放射される。

ここで、テラヘルツ波発生素子１４は、非線形光学結晶や光伝導アンテナなどが利用可能である。ポンプ光調整光学系１３は、使用されるテラヘルツ波発生素子１４に応じて適切に構成される。例えば、テラヘルツ波発生素子１４が光伝導アンテナで構成される場合、ポンプ光調整光学系１３は図１に示すようにレンズを用いて構成される。また、テラヘルツ波発生素子１４が高強度テラヘルツ波を発生させる非線形光学結晶であるＬｉＮｂＯ_３結晶で構成される場合、ポンプ光調整光学系１３は回折格子などの光学素子を用いて構成されるのが望ましい（H. Hirori, A. Doi, F. Blanchard, and K. Tanaka, “Single-cycle terahertz pulses with amplitudes exceeding 1 MV/cm generated by optical rectification in LiNbO3”, Applied Physics Letters, vol. 98, 091106 (2011).参照）。

テラヘルツ波発生素子１４で発生されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波集光光学系１５を経て試料配置部２０に集光される。なお、テラヘルツ波集光光学系１５は、テラヘルツ波を透過させるプラスチック製のレンズや放物面鏡などにより構成される。したがって、図１においては、レーザ光源１１、ポンプ光調整光学系１３、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波集光光学系１５を含んで、第１の照射系が構成される。

一方、ビームスプリッタ１２で分岐されたプローブ光は、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、ビームエキスパンダ３３、無偏光ビームスプリッタ３４、結像レンズ３５及び対物レンズ３６を経て試料配置部２０に照射される。したがって、図１においては、レーザ光源１１、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、ビームエキスパンダ３３、無偏光ビームスプリッタ３４、結像レンズ３５及び対物レンズ３６を含んで、第２の照射系が構成される。

試料配置部２０には、例えば図２に断面図で示すような測定用器具２１が配置される。図２に示す測定用器具２１は、液体を含む試料Ｓを保持可能な容器２２と、容器２２の底部２２ａの一部を構成する電気光学結晶２３と、電気光学結晶２３に載置自在な誘電体材料からなる窓部材２４とを備える。

容器２２は、ディッシュなどの汎用なプラスチック製容器、ガラス製容器、金属製容器（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ、純チタン、チタン合金など）が使用可能である。容器２２の底部２２ａには、例えば中央部に矩形状又は円形状の開口部２２ｂが形成される。電気光学結晶２３は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などの公知の結晶からなり、底部２２ａに形成された開口部２２ｂを水密に閉塞するように、底部２２ａに接着又は着脱自在に結合して設けられる。なお、電気光学結晶２３の上面には、プローブ光を反射させる反射膜を成膜することで、プローブ光を電気光学結晶２３の下方から入射させる場合に、プローブ光を電気光学結晶２３の上面で反射させるうえで好ましい。加えて、電気光学結晶２３の下面にはプローブ光の反射を防ぐための反射防止膜が成膜されていることが好ましい。また、細胞を測定する場合は、反射膜の上面が細胞培養に適した材料（例えば、ＳｉＯ_２）であることが望ましい。

容器２２には、試料Ｓとして、液体試料や細胞が収容保持される。細胞は、図２に示すように、容器２２内において、培養液Ｓｃｆ中で電気光学結晶２３上に培養された培養細胞Ｓｃであってもよい。

窓部材２４は、テラヘルツ波が透過し、かつ液体中で浮かない材料、例えば水晶、サファイア、ＭｇＯ、樹脂材料のいずれかを含んで構成される。窓部材２４は、平坦部２４ａと、平坦部２４ａから突出する脚部２４ｂとを備える。平坦部２４ａは、例えば容器２２の底部２２ａに形成された開口２２ｂの形状に応じて、平面視で矩形状又は円形状に形成される。脚部２４ｂは、平坦部２４ａと一体に又は平坦部２４ａに接着して形成される。窓部材２４は、脚部２４ｂを容器２２の底部２２ａを構成する電気光学結晶２３に当接させて底部２２ａに載置した際に、容器２２内の液体が流動可能な状態で、試料Ｓの測定厚さを制限するように構成される。

図３は、窓部材２４の３つの例を示す斜視図である。図３（ａ）に示す窓部材２４は、矩形状の平坦部２４ａの四隅にそれぞれ脚部２４ｂを有する。図３（ｂ）に示す窓部材２４は、矩形状の平坦部２４ａの対向する２辺にそれぞれ辺に沿って脚部２４ｂを有する。図３（ｃ）に示す窓部材２４は、円形状の平坦部２４ａの周縁部の３個所にそれぞれ脚部２４ｂを有する。脚部２４ｂの平坦部２４ａからの突出量（高さ）ｈは、上述したように試料Ｓの測定厚さを制限するもので、試料Ｓに応じて設定される。例えば、原核細胞のサイズは数μｍ程度であることから、高さｈの最小値は５μｍとするのが好ましい。また、液体の吸収による信号の低下を考慮して、高さｈの最大値は１００μｍとするのが好ましい。つまり、脚部２４ｂの高さｈは、５μｍ〜１００μｍとするのが好ましい。

図２に示した測定用器具２１によると、窓部材２４は、容器２２内に保持された試料Ｓに被せられて、脚部２４ｂが電気光学結晶２３上に当接して容器２２の底部２２ａに載置される。これにより、窓部材２４の平坦部２４ａと電気光学結晶２３との間に介在する試料Ｓの測定厚さが、脚部２４ｂによって規制される。また、脚部２４ｂは、平坦部２４ａに部分的に設けられており、試料Ｓは隣接する脚部２４ｂ間の隙間から流動可能である。したがって、窓部材２４を試料Ｓに被せた際に、窓部材２４と電気光学結晶２３との間への気泡の混入を防止することができる。また、電気光学結晶２３上で細胞を培養させた状態で、培養細胞を測定することができるとともに、測定の際に培養液を循環させて細胞の生存を助けることができる。

図２に示した測定用器具２１は、図１の試料配置部２０に配置されると、テラヘルツ波が上方から窓部材２４を経て、窓部材２４の下方に介在する試料Ｓに照射され、試料Ｓを透過することにより変調されて電気光学結晶２３に入射される。一方、プローブ光は、電気光学結晶２３の下方から入射されて、電気光学結晶２３内を伝播した後、上面で反射されて再び電気光学結晶２３内を伝播して、電気光学結晶２３から射出される。

ここで、電気光学結晶２３は、電場が印加されると電気光学結晶２３内に複屈折が誘起される性質を有している。そのため、テラヘルツ波が電気光学結晶２３内に入射されると、テラヘルツ波の電場によって電気光学結晶２３内に複屈折が生じる。この状態でプローブ光が電気光学結晶２３内を伝播すると、テラヘルツ波電場で生じた複屈折によってプローブ光の偏光が変化する。したがって、このプローブ光の偏光の変化を検出すれば、電気光学結晶２３に入射したテラヘルツ波成分、つまり試料Ｓで変調されたテラヘルツ波成分を検出することができる。なお、電気光学結晶２３に照射されるプローブ光の偏光方向は、電気光学結晶２３で生じた複屈折によって偏光状態が大きく変化するように、１／２波長板３１によって予め調整される。

図１において、電気光学結晶２３を伝播したプローブ光は、対物レンズ３６及び結像レンズ３５を経て無偏光ビームスプリッタ３４に入射されて往路と分離される。対物レンズ３６は、電気光学結晶２３の上面近傍に合焦される。往路と分離されたプローブ光は、１／４波長板４１及び１／２波長板４２により偏光状態が調整された後、偏光ビームスプリッタ４３によりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐される。これら分岐されたＳ偏光成分及びＰ偏光成分は、光路調整光学系４４及び４５により偏光ビームスプリッタ４６から平行に射出されて且つ光路長が等しくなるよう光路調整されて、カメラ４７の撮像素子４８の異なる受光領域に結像される。撮像素子４８の出力は、信号処理回路４９により処理される。したがって、図１においては、結像レンズ３５、対物レンズ３６、１／４波長板４１、１／２波長板４２、偏光ビームスプリッタ４３、光路調整光学系４４及び４５、偏光ビームスプリッタ４６、カメラ４７及び信号処理回路４９を含んで、検出系が構成される。

ここで、１／４波長板４１及び１／２波長板４２は、電気光学結晶２３にテラヘルツ波が入射されない状態において、電気光学結晶２３を伝播して偏光ビームスプリッタ４３に入射されるプローブ光の偏光が４５度傾いた直線偏光となるように調整される。したがって、この状態では、偏光ビームスプリッタ４３により偏光分離されるプローブ光のＳ偏光とＰ偏光との強度比は１：１となり、カメラ４７には等しい強度のＳ偏光成分及びＰ偏光成分のプローブ光の像が形成される。これに対し、電気光学結晶２３にテラヘルツ波が入射して電気光学結晶２３に複屈折が生じた状態では、プローブ光の偏光が複屈折により変化して楕円偏光となり、結果として偏光ビームスプリッタ４３で分離されるＳ偏光成分とＰ偏光成分との強度比が変化して、撮像素子４８に結像される像の強度比もそれに応じて変化する。

したがって、信号処理回路４９において、撮像素子４８で取得されるＳ偏光成分の像とＰ偏光成分の像との差を演算すれば、テラヘルツ波が電気光学結晶２３に入射していない状態では、Ｓ偏光とＰ偏光との信号強度が等しいため、信号強度差はゼロとなる。これに対し、テラヘルツ波が電気光学結晶２３に入射したときには、Ｓ偏光とＰ偏光との信号強度差はゼロではなくなる。すなわち、テラヘルツ波の電場振幅強度となる。

このように、電気光学結晶２３を伝播したプローブ光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の像を撮像素子４８に結像させれば、つまり撮像素子４８を電気光学結晶２３の内部と光学的に共役な関係になるように配置すれば、電気光学結晶２３に入射したテラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することができる。しかも、電気光学結晶２３に入射するテラヘルツ波は、試料Ｓで変調されて試料Ｓの情報が転写されたものとなるので、テラヘルツ波の電場振幅の空間分布を取得することにより試料Ｓを顕微観察することが可能となる。

ここで、テラヘルツ波のパルス幅は数ｐｓ程度であり、プローブ光のパルス幅は１００ｆｓ程度である。電気光学結晶２３内で複屈折が生じている時間は非常に短いため、プローブ光の偏光変化に反映されるテラヘルツ波の電場の情報は、プローブ光のパルス幅に相当する時間幅の成分のみとなる。

そこで、本実施の形態においては、必要に応じて、プローブ光の光路にある光路調整光学系３２より、プローブ光とテラヘルツ波との相対時間差を変化させる。これにより、検出されるテラヘルツ波の時間を掃引して、信号処理回路４９においてテラヘルツ波の時間変化を画像のシーケンスとして検出する。また、信号処理回路４９において、必要に応じて、検出した画像のシーケンスをフーリエ変換して、周波数スペクトル画像を生成する。

なお、試料Ｓとして生細胞を顕微観察する場合は、生細胞が無い場合の画像をバックグラウンドとして取得しておき、生細胞が有る場合の画像から、生細胞の無い場合の画像を差し引くことで、生細胞の画像を強調することができる。この場合は、バックグラウンドの画像を取得するために、図４に断面図で示すような測定用器具２１を用いてもよい。

図４に示す測定用器具２１は、容器２２が仕切り部２２ｃにより仕切られた２つの収容部２２ｄ、２２ｅを有する。収容部２２ｄ、２２ｅは、同様に構成され、各々の底部２２ｆ、２２ｇに形成された開口部２２ｈ、２２ｉと、開口部２２ｈ、２２ｉを水密に閉塞する電気光学結晶２３ａ、２３ｂと、窓部材２４ｃ、２４ｄと、を有する。窓部材２４ｃ、２４ｄは、図３に示した窓部材２４と同様に構成される。収容部２２ｄには、例えば培養液Ｓｃｆ中で電気光学結晶２３ａ上に培養された培養細胞Ｓｃを保持する。また、収容部２２ｅには、培養液Ｓｃｆのみを保持する。

かかる測定用器具２１は、図１の試料配置部２０に配置されて、テラヘルツ波及びプローブ光の光路に、収容部２２ｄ、２２ｅが順次位置決めされる。そして、それぞれの試料が測定されて、それぞれの画像が信号処理回路４９に格納され、該信号処理回路４９において、培養細胞Ｓｃを有する試料の画像から、培養液Ｓｃｆのみのバックグランドの画像が差し引かれて生細胞の画像が生成される。

図５（ａ）は、ラット白色脂肪細胞の光学顕微鏡による可視画像を示す。図５（ｂ）は、図１の測定装置による同一試料のテラヘルツ波画像を示す。図５（ｂ）のテラヘルツ画像は、２．６ＴＨｚの周波数分解位相画像である。テラヘルツ波の測定においては、図２に示した構成の測定用器具２１を使用した。容器２２の底部２２ａの一部を構成する電気光学結晶２３は、厚さ１０μｍのＬｉＮｂＯ_３結晶を用いた。窓部材２４は、水晶を材料とし、脚部２４ｂの高さは２０μｍとした。

本実施の形態に係る測定装置によると、図２〜図４で説明したような測定用器具２１を用いることで、培養生細胞等の試料Ｓの移し変えを行うことなく、試料Ｓの測定厚さを容易に所定の厚さとして、培養生細胞等のテラヘルツ波画像を取得することができる。したがって、試料Ｓをテラヘルツ波により簡便に測定することが可能となる。

なお、図１に示した測定装置に使用される測定用器具２１は、例えば図６に断面図で示す構成であってもよい。この測定用器具２１は、容器２２の底部２２ａに開口部２２ｂを形成することなく、底部２２ａの一部に電気光学結晶２３が接着等により設けられ、電気光学結晶２３上に窓部材２４が載置自在に構成されたものである。この場合、容器２２は、プローブ光が透過する材料、例えばプラスチックやガラスで形成される。図６の測定用器具２１を用いる場合も、同様に試料Ｓをテラヘルツ波により簡便に測定することが可能となる。

（第２実施の形態）
図７は、第２実施の形態に係る測定装置の全体の概略構成図である。この測定装置は、図１に示した構成において、プローブ光をテラヘルツ波と同じ方向から試料配置部２０に入射させるようにしたものである。そのため、テラヘルツ波集光光学系１５と試料配置部２０との間には、ビーム合成素子５０が配置されている。ビーム合成素子５０は、例えばハーフミラーやダイクロイックミラー等で構成され、テラヘルツ波集光光学系１５からのテラヘルツ波は透過させて試料配置部２０に入射させ、ビームエキスパンダ３３からのプローブ光は反射させて試料配置部２０に入射させる。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施の形態において、試料配置部２０には、第１実施の形態で説明した測定用器具２１と同様の構成の測定用器具が配置されるが、本実施の形態の場合は、プローブ光が測定用器具２１を構成する電気光学結晶２３を透過するため、電気光学結晶２３の両面にプローブ光の反射防止膜を成膜するのが望ましい。

本実施の形態においても、第１実施の形態と同様に生細胞のテラヘルツ波画像を簡便に取得でき、生細胞をテラヘルツ波により簡便に測定することが可能となる。

（第３実施の形態）
図８は、第３実施の形態に係る測定装置の全体の概略構成図である。この測定装置は、試料のテラヘルツ波画像を取得するのではなく、テラヘルツ波を用いて試料の一部の領域の分光特性を測定する。以下、図１に示した構成要素と同一構成要素には、同一参照符号を付して説明する。レーザ光源１１から射出されたフェムト秒近赤外パルスレーザは、上述した実施の形態と同様に、ビームスプリッタ１２によってポンプ光とプローブ光とに分岐される。ポンプ光は、ポンプ光調整光学系１３を経てテラヘルツ波発生素子１４に入射される。これにより、テラヘルツ波発生素子１４からテラヘルツ波が放射される。

テラヘルツ波発生素子１４で発生されたテラヘルツ波は、照射系を構成するテラヘルツ波集光光学系１５を経て試料配置部２０に配置される試料に集光される。そして、試料を透過したテラヘルツ波は、テラヘルツ波集光光学系５１及びビーム合成素子５０を経て電気光学結晶６０に集光される。

一方、ビームスプリッタ１２で分岐されたプローブ光は、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、レンズ５２及びビーム合成素子５０を経て、テラヘルツ波と同軸に電気光学結晶６０に集光される。そして、電気光学結晶６０を透過したプローブ光は、１／４波長板５３を経てウォーラストンプリズム５４によりＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離され、それらの差信号がバランストフォトダイオード等のバランス検出器５５により検出される。これにより、試料の分光特性が測定される。したがって、図８においては、テラヘルツ波集光光学系５１、ビーム合成素子５０、電気光学結晶６０、レーザ光源１１、１／２波長板３１、光路調整光学系３２、レンズ５２、１／４波長板５３、ウォーラストンプリズム５４及びバランス検出器５５を含んで、テラヘルツ波の検出系が構成される。

試料配置部２０には、例えば図９に断面図で示すような測定用器具７１が配置される。図９に示す測定用器具７１は、液体を含む試料Ｓを保持可能な容器７２と、容器７２の底部７２ａに載置自在な誘電体材料からなる窓部材７４とを備える。容器７２は、テラヘルツ波が透過するディッシュなどの汎用なプラスチック製容器が使用可能である。また、窓部材７４は、図２及び図３で説明した窓部材２４と同様に構成される。

本実施の形態によると、上述した実施の形態と同様に、試料Ｓの移し変えを行うことなく、試料Ｓの測定厚さを容易に所定の厚さとして、試料Ｓをテラヘルツ波により簡便に測定することが可能となる。

なお、図９は、試料Ｓとして液体試料を測定する場合を例示しているが、試料Ｓは液体試料に限らず、図１０に示すように、容器７２内で培養液Ｓｃｆにより培養された培養細胞Ｓｃを測定することもできる。また、測定用器具７１は、図１１又は図１２に示すように構成することもできる。

図１１に示す測定用器具７１は、図１１（ａ）に断面図を、図１１（ｂ）に容器７２の平面図をそれぞれ示すように、容器７２の底部７２ａが平坦部７２ｂと、平坦部７２ｂから突出して直交する４方向に延在する４本の突起部７２ｃとを有して構成される。突起部７２ｃは、４方向に限らず、ほぼ等角度で離間した３方向でもよい。窓部材７４は、突出する脚部は無く、平坦部７４ａのみから構成され、平坦部７４ａが容器７２の突起部７２ｃに当接するように載置される。

図１２に示す測定用器具７１は、図１２（ａ）に断面図を、図１２（ｂ）に容器７２の平面図をそれぞれ示すように、容器７２の底部７２ａが平坦部７２ｂと、平坦部７２ｂから突出する３個の突起部７２ｄとを有して構成される。突起部７２ｄは、３個に限らず、４個以上でもよい。窓部材７４は、図１１の場合と同様に、平坦部７４ａのみから構成され、平坦部７４ａが容器７２の突起部７２ｄに当接するように載置される。なお、図１１及び図１２において、突起部７２ｃ及び７２ｄは、５μｍ〜１００μｍの高さで形成される。

図１１又は図１２に示した測定用器具７１を用いることにより、図９に示した測定用器具７１を用いる場合と同様の作用効果が得られる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第３実施の形態においては、電気光学結晶６０、１／４波長板５３、ウォーラストンプリズム５４及びバランス検出器５５に代えて、光伝導アンテナ、パイロエレクトリックセンサ、又はＴＨｚカメラを用いてテラヘルツ波を検出してもよい。パイロエレクトリックセンサやＴＨｚカメラを用いる場合は、プローブ光は不要となる。また、上記の培養液Ｓｃｆはその中で細胞が生存できる液体あればどのようなものでも良く、例えばバッファでも良い。

１１ レーザ光源
１２ ビームスプリッタ
１３ ポンプ光調整光学系
１４ テラヘルツ波発生素子
１５ テラヘルツ波集光光学系
２０ 試料配置部
２１ 測定用器具
２２ 容器
２２ａ、２２ｆ、２２ｇ 底部
２２ｂ、２２ｈ、２２ｉ 開口部
２２ｃ 仕切り部
２２ｄ、２２ｅ 収容部
２３、２３ａ、２３ｂ 電気光学結晶
２４、２４ｃ、２４ｄ 窓部材
２４ａ 平坦部
２４ｂ 脚部
３１ １／２波長板
３２ 光路調整光学系
３３ ビームエキスパンダ
３４ 無偏光ビームスプリッタ
３５ 結像レンズ
３６ 対物レンズ
４１ １／４波長板
４２ １／２波長板
４３、４６ 偏光ビームスプリッタ
４４、４５ 光路調整光学系
４７ カメラ
４８ 撮像素子
４９ 信号処理回路
５０ ビーム合成素子
５１ テラヘルツ波集光光学系
５２ レンズ
５３ １／４波長板
５４ ウォーラストンプリズム
５５ バランス検出器
６０ 電気光学結晶
７１ 測定用器具
７２ 容器
７２ａ 底部
７２ｂ 平坦部
７２ｃ、７２ｄ 突起部
７４ 窓部材
７４ａ 平坦部

Claims (17)

1. 液体を含む試料を透過したテラヘルツ波を測定するのに用いる測定用器具であって、
   前記試料を保持可能な容器と、
   前記容器の底部に載置自在な誘電体材料からなる窓部材と、を備え、
   前記窓部材を前記底部に載置することにより、前記窓部材と前記底部との間に介在して前記テラヘルツ波を透過させる前記試料の測定厚さを制限可能に構成された測定用器具。
2. 前記窓部材は、平坦部と、該平坦部から突出する脚部と、を備え、
   前記脚部を前記底部に当接させて前記窓部材を前記底部に載置することにより、前記試料が流動可能な状態で前記測定厚さを制限可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の測定用器具。
3. 前記脚部は、５μｍ〜１００μｍの高さを有することを特徴とする請求項２に記載の測定用器具。
4. 前記底部は、平坦部と、該平坦部から突出する突起部と、を備え、
   前記突起部に前記窓部材を当接させて該窓部材を前記底部に載置することにより、前記試料が流動可能な状態で前記測定厚さを制限可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の測定用器具。
5. 前記突起部は、５μｍ〜１００μｍの高さを有することを特徴とする請求項４に記載の測定用器具。
6. 前記窓部材は、水晶、サファイア、ＭｇＯ、樹脂材料の少なくとも一つを含んでなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の測定用器具。
7. 前記容器は、プラスチックからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の測定用器具。
8. 前記底部の少なくとも一部は、電気光学結晶を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の測定用器具。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定装置であって、
   前記測定用器具の上方又は下方から前記窓部材と前記底部との間に介在される前記試料にテラヘルツ波を照射する照射系と、
   前記試料を透過した前記テラヘルツ波を検出する検出系と、
   を備える測定装置。
10. 請求項８に記載の測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定装置であって、
    前記窓部材の上方から当該窓部材及び前記試料を経て前記電気光学結晶にパルス状のテラヘルツ波を照射する第１の照射系と、
    前記電気光学結晶の前記テラヘルツ波の照射領域に少なくとも一部が重なるように、前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の照射系と、
    前記電気光学結晶を経た前記第２の電磁波の偏光状態を検出する検出系と、
    を備える測定装置。
11. 前記検出系は、前記電気光学結晶の上面近傍に合焦される光学系を有し、前記電気光学結晶を透過した前記第２の電磁波の偏光状態に基づく画像を検出することを特徴とする請求項１０に記載の測定装置。
12. 前記第２の電磁波は、近赤外光であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の測定装置。
13. 請求項１乃至７のいずれかに記載の測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定方法であって、
    前記測定用器具の上方又は下方から前記窓部材と前記底部との間に介在される前記試料にテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射ステップと、
    前記試料を透過した前記テラヘルツ波を検出する検出ステップと、
    を含む測定方法。
14. 請求項８に記載の測定用器具を用いて、該測定用器具に保持された試料を測定する測定方法であって、
    前記窓部材の上方から当該窓部材及び前記試料を経て前記電気光学結晶にパルス状のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射ステップと、
    前記電気光学結晶の前記テラヘルツ波の照射領域に少なくとも一部が重なるように、前記電気光学結晶に前記テラヘルツ波よりも波長の短いパルス状の第２の電磁波を照射する第２の電磁波照射ステップと、
    前記電気光学結晶を透過した前記第２の電磁波の偏光状態を検出する検出ステップと、
    を含む測定方法。
15. 前記検出ステップは、前記電気光学結晶の上面近傍に光学系を合焦させて、前記電気光学結晶を透過した前記第２の電磁波の偏光状態に基づく画像を検出することを特徴とする請求項１４に記載の測定方法。
16. 前記試料は、細胞を含むことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれかに記載の測定方法。
17. 前記細胞は、培養液またはバッファ中の培養細胞であることを特徴とする請求項１６に記載の測定方法。