JP4898472B2 - 検査装置 - Google Patents

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Description

本発明は、周波数30GHz乃至30THzの周波数領域の電磁波（本明細書では、テラヘルツ波と呼ぶ）を用いて、液体状検体の情報（物性、同定、濃度、存否など）を検出するための検査装置、検出方法に関する。
近年、テラヘルツ波を利用した技術開発が盛んである。特に、テラヘルツ波の光子エネルギーは分子の骨格振動や分子間の相互作用のエネルギーと同程度であり、このテラヘルツ波を利用した技術は、分光学的手法によって得られるスペクトルなどを用いて物質の分析に用いられる。
こうした技術状況において、基板上にテラヘルツ波伝送路を作製し、伝送路上にDNA水溶液を滴下し乾燥させることで、伝送路のテラヘルツ波伝播特性が変化することを利用して、DNAの分析を行う発明が提案されている（非特許文献1）。この提案では、DNAの1本鎖と2本鎖の間で、テラヘルツ波に対する誘電率が異なることを利用し、テラヘルツ波伝播特性の相違からDNAが1本鎖か2本鎖かを検査できることを示している。
APPLIED PHYSICS LETTERS/Vol.80, No.1, 2002, pp.154
上述したように、テラヘルツ波を用いて、その伝播状態の変化から物質の吸収係数や複素屈折率などの光学特性を求めることで、物質の分析・検出・同定などができる。しかし、非特許文献1の方法では、液体状検体を伝送路上に制御性良く滴下するために特別な手段を用いている訳ではないので、的確に滴下するのは容易ではない。すなわち、滴下された液体状検体は流れやすく広がりやすいので、伝送路に対する検体の位置及び電磁波との相互作用領域を適切に制御するのは容易ではない。
上記課題に鑑み、本発明の装置は、基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波（テラヘルツ波）を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて（すなわち、染み込ませて）保持するための浸潤保持部材と、を有し、浸潤保持部材は、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、浸潤保持部材の形状は、伝送線路に対して非対称であり、基板と平行な面において、浸潤保持部材の幾何的重心線と、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の、電磁波伝播方向と平行な幾何的対称中心線又は幾何的重心線とが略一致していることを特徴とする。また、本発明の装置は、基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、浸潤保持部材は、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、浸潤保持部材の形状は、伝送線路に対して対称であり、電磁波の電場分布は、前記伝送路に対して非対称であり、基板と平行な面において、浸潤保持部材の幾何的対称中心線と、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の、電磁波伝播方向と平行な幾何的重心線とが略一致していることを特徴とする。また、本発明の装置は、基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、浸潤保持部材は、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、浸潤保持部材の周辺の一部又は全部と隣り合って配置された非浸潤部材を有し、非浸潤部材と浸潤保持部材との間に間隙があり、間隙は浸潤保持部材に液体状検体を供給する流路であることを特徴とする。また、本発明の装置は、基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、浸潤保持部材は、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、浸潤保持部材の材料が、繊維性物質又は針状構造体からなり、浸潤保持部材の構造は、異方的であり、浸潤保持部材の特徴的な方向と前記伝送線路の方向とを略一致させることを特徴とする。
また、上記課題に鑑み、本発明の装置は、穴を備える基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、穴に設けられ、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、導体は、浸潤保持部材の上部に設けられることを特徴とする。
本発明の検査装置ないし検査方法によれば、液体状検体を浸潤させて保持する浸潤保持部材を用いるので、伝送路に対する液体状検体の位置及び相互作用領域を比較的的確に制御することができる。
以下に、本発明の原理を説明しつつ本発明の実施の形態を説明する。
本発明の検査装置ないし検査方法の典型的な実施形態は、テラヘルツ波を伝播させる伝送路、伝送路に結合部を介してテラヘルツ波を供給する供給部、伝送路から結合部を介してテラヘルツ波を受けて検出する検出部を有する構成を備える。そして、伝送路の近傍、若しくは、伝送路を構成する誘電体の一部に、毛管力や表面張力などによって液体状検体を浸潤させて保持する部材(浸潤保持部材)を備える。浸潤保持部材の設置部位は、伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲の少なくとも一部を含む部位であればよい。こうした構成により、供給部から供給され結合部を介して伝送路を伝播するテラヘルツ波の、液体状検体の有無や成分などによる伝播状態の変化を、検出部より取得でき、液体状検体の有無や成分などの情報を得ることができる。
前記浸潤保持部材は、滴下等の方法で供給された液体状検体を、毛管力などによって染み込ませて均一に保持し、液体状検体が浸潤保持部材の外部に流出するのを防止する。また、液体状検体が乾燥して液体状検体の溶質が浸潤保持部材中に析出した場合も、溶質は浸潤保持部材中に均一に留まる。ただし、ここで言う均一とは、使用するテラヘルツ波に対して均一に振舞うという意味である。別の表現をすれば、使用するテラヘルツ波の波長程度の位置分解能で観察すれば均一という意味である。
従って、浸潤保持部材の設置位置を的確に設定すれば、伝送路を伝播するテラヘルツ波と浸潤保持部材中に保持された検体との相互作用領域が常に略一定となる。液体状検体は浸潤保持部材の任意の位置で滴下すれば浸潤保持部材の全体に染み渡るという理由からも、伝送路を伝播するテラヘルツ波と検体との相互作用領域を常に略一定とできる。こうして、検体の濃度などを測る定量的な検査等も再現性良く比較的正確に実行できることになる。
前記浸潤保持部材の構成材料としては、使用するテラヘルツ波に対して透過率が高い物が望ましい。また、浸潤保持部材の構造には、多孔質材、繊維性物質、針状構造体などが挙げられる。これらの部材の微細構造の寸法（多孔質材であれば孔径、繊維性物質であれば繊維の太さや繊維間距離、針状構造体であれば針の太さや針間の距離）は、使用するテラヘルツ波を散乱させない様に、その波長より十分小さいことが望ましい。
前記浸潤保持部材の大きさは、その辺の長さが電磁波伝送路の長さ以下であることが望ましい。なぜなら、液体状検体を浸潤保持部材に滴下した時に、液体状検体は浸潤保持部材の略全体に染み渡るので、浸潤保持部材の大きさにより液体状検体と伝送路を伝播するテラヘルツ波の相互作用領域の体積が規定されるからである。また、伝送路長より外方では伝播するテラヘルツ波の電場分布はきわめて微弱であり、検査に寄与しないからである。ただし、浸潤保持部材の辺の長さが伝送路の長さ以上であっても、伝送路長以遠の領域に液体状検体が染み込んで行かないような仕組みがあれば、それでもよい。例えば、液体状検体が染み込まない部材で作った枠で浸潤保持部材を押さえつけてその部分を潰し、遠方への浸潤を塞き止める仕組み等である。
前記浸潤保持部材に液体状検体を浸潤保持させる方法としては、例えば、微小液滴を滴下できる市販のマイクロインジェクターやピペットなどの注入手段を用いることができる。
前記浸潤保持部材への液体状検体の供給量が浸潤保持部材の毛管力などによる浸潤保持能力を超える場合、液体状検体が浸潤保持部材の外部に染み出る可能性がある。その場合は、浸潤保持部材の周辺部の一部又は全部に隣り合って、液体状検体を浸潤保持しない部材(すなわち、液体状検体を染み込ませない非浸潤部材であり、例えば、固体の樹脂)を設置するとよい。これにより、液体状検体が浸潤保持部材外へ染み出すことを確実に防止し、液体状検体とテラヘルツ波の相互作用領域の体積をより確実に規定することができる。
また、液体状検体の滴下量が、液体状検体を浸潤保持しない部材が作る空間の体積以上であった場合は、あふれ出た液体状検体を拭き取るなどして除去すれば、液体状検体の体積を一定に規定することができる。
前記浸潤保持部材を伝送路近傍の所定位置に保持する目的で、浸潤保持部材の面の少なくとも一部（例えば、2辺或いは4辺）に、液体状検体を浸潤保持しない部材を設置してもよい。2辺としては、例えば、伝送路に略沿って伸びる2つの辺ないし面があり、4辺としては、例えば、伝送路に略沿って伸びる2つの辺ないし面と伝送路を横切る方向に伸びる2つの辺ないし面がある。
前記浸潤保持部材の周辺の一部又は全部に隣り合って、非浸潤部材を設置した場合、浸潤保持部材と非浸潤部材の間に、使用するテラヘルツ波の波長程度以下の間隙があってもよい。この間隙を流路として用いて、外部から浸潤保持部材に液体状検体を供給してもよい。勿論、浸潤保持部材と非浸潤部材は密着して設置してもよい。
液体状検体を浸潤保持しない部材を用いる場合、使用するテラヘルツ波に対する光学定数（屈折率や吸収係数など）が浸潤保持部材と同程度であることが望ましい場合とそうでない場合がある。前者の場合は、浸潤保持部材と非浸潤部材の境界面において、伝送路を伝播するテラヘルツ波が強く反射しないようにして、検査を実行するときである。後者の場合は、両者の境界面での反射を積極的に利用して、例えば、テラヘルツ波共振器やテラヘルツ波フィルタを構成し、液体状検体の浸潤保持部材への供給による共振器やフィルタの諸特性の変化から液体状検体の分析などを行うときである。
伝送路に金属のマイクロストリップラインを用いる場合、浸潤保持部材を、例えば、信号線を跨ぐように配置する。或いは、信号線とグラウンド面の間の誘電体として浸潤保持部材を用いてもよい。浸潤保持部材は、伝送路中又は伝送路近傍においてテラヘルツ波の電場が比較的強く分布している領域に限って設置すると良い。このことで、液体状検体とテラヘルツ波の効率的な相互作用が得られ、検査の精度が向上する。
例えば、図9(a)に示すように、多孔質材などの浸潤保持部材を、信号線（伝送路）を含む基板と平行な面に設置する場合、信号線を含む基板と平行な面における電場は信号線を幾何的対称中心線として対称に分布している。このような場合、浸潤保持部材の幾何的対称中心線を電場分布の幾何的対称中心線と略一致させることで、浸潤保持部材中の検体と伝送路を伝播する電磁波との相互作用が最も強くなる。
また、浸潤保持部材を、信号線とグラウンド面の間の誘電体として用いる場合も同様に、基板と平行でグラウンド面近傍の面における電場は対称に分布している（この対称中心線は信号線と平行である）。従って、浸潤保持部材の対称中心線を電場分布の対称中心線と略一致させることで、浸潤保持部材中の検体と伝送路を伝播する電磁波との相互作用が最も強くなる。
電場分布の対称中心線は、電磁波伝播方向と平行な方向と垂直な方向の2つある場合があるが、電磁波伝播方向と平行な方向の電場分布の対称中心線と浸潤保持部材の対称中心線を略一致させると良い。
一般的に、伝送路を構成する基板と平行な面で観察すると、伝送路における電磁波の電場分布は対称的な形をしており、電場分布の対称中心線は伝送路の対称中心線と平行である。このようなとき、浸潤保持部材を設置する面における電場分布の対称中心線と、浸潤保持部材の中心線を略一致させることで、浸潤保持部材中の検体と伝送路を伝播する電磁波との相互作用が最も強くなる。
また、例えば、図9(b)に示すように、多孔質材などの浸潤保持部材の形状が対称でない場合は、浸潤保持部材の幾何的重心線（重心を通る線）を前記電場分布の幾何的対称中心線と略一致させると良い。
また、例えば、図10(a)、(b)に示すように、電磁波の電場分布が対称でない場合は、電場分布の幾何的重心線を、浸潤保持部材の対称中心線（図10(a)の場合）或いは幾何的重心線（図10(b)の場合）と略一致させると良い。
浸潤保持部材に浸潤した検体によるテラヘルツ波の伝播状態の変化には、テラヘルツ波の強度変化、テラヘルツ波の電場振幅・波形の変化などが挙げられる。テラヘルツ波の時間波形が得られる場合は、フーリエ変換することで、伝送路を伝播したテラヘルツ波のスペクトルが得られる。スペクトルの変化から検体の検査をすることも可能である。これらの変化から、検体の屈折率や透過率、吸収係数などが求められ、検体の検出や種類同定などの情報の取得が可能になる。
更に、浸潤保持部材は、伝送路を伝播するテラヘルツ波の周波数帯域全体にわたって、極力高く且つ均一な透過率を有することが望ましい。伝送路を伝播するテラヘルツ波の周波数帯域は、テラヘルツ波発生源の性質や伝送路の構造などに依存するため、実際に浸潤保持部材に求められる高く且つ均一な透過率の程度ないし態様は場合によって異なる。
また、浸潤保持部材の構造（実効的誘電率などを規定する構造）が、伝送路を伝播する電磁波に対して等方的か、異方性を有しているかによって、浸潤保持部材を伝送路に設置する態様も異なる。また、液体状検体が浸潤保持部材に対して等方的に浸潤するか、異方的に浸潤するかによっても、浸潤保持部材を伝送路に設置する態様が異なる。すなわち、等方的な浸潤保持部材であれば、浸潤保持部材を伝送路上に設置する方向を考慮する必要が無く、設置が容易になる。一方、異方的な浸潤保持部材であれば、例えば、その異方的な浸潤保持部材が有する特徴的な方向と伝送路の方向を一致させるか、或いは直角方向に設置することで、液体状検体検査の再現性が向上することが期待される。
上述の高く均一な透過率を有する物の一例として、ポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホンの粒状ないしスポンジ状構造体からなる多孔質材が挙げられる。これらはまた、等方的な浸潤保持部材の一例でもある。ここで述べた粒状構造体からなる多孔質材とは、多数の微粒子が分散しており、微粒子同士が点又は面で接触しているというものである。また、スポンジ状構造体からなる多孔質材とは、母材中に多数の空孔が分散しているというものである。特に、多数の微粒子が等方性（どの領域を採っても微粒子の充填率がほぼ一定である特性）をもって分散し、繊維状構造体を実質的に含まない粒状構造体の多孔質材は、優れた等方的な浸潤保持部材である。また、母材中に多数の空孔が等方性（どの領域を採っても空孔の容積率がほぼ一定である特性）をもって分散し、繊維状構造体を実質的に含まないスポンジ状構造体からなる多孔質材も、優れた等方的な浸潤保持部材である。
各種多孔質材の透過率を求めるために、発明者等は以下に述べる実験を行なった。いわゆるテラヘルツ波時間領域分光法と呼ばれる手段を用い、光伝導アンテナからテラヘルツ波のパルスを発生させ、前記テラヘルツ波パルスを空間中に伝播させ、別の光伝導アンテナで前記テラヘルツ波パルスを検出するという方法である。前記テラヘルツ波パルスの伝播経路中にシート状の多孔質材を挿入することで、各種多孔質材の透過率を求めた。
発明者等が行なった前記実験によれば、いずれの多孔質材も良好なる透過率を有することが分かった。特に、粒状若しくはスポンジ状構造体からなり、且つ、例えば、ポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホンのいずれかを含む多孔質材では、次の様になる。すなわち、電磁波の透過率が2.0THzにおいて90パーセント以上であり、また次の式1で表される透過率の一定性を示す値が20以上であることが分かった（図11として示す表1参照）。なお、ここで述べた透過率とは、多孔質材を透過する前後のテラヘルツ波の振幅の絶対値の比を意味する振幅透過率のことである。
Figure 0004898472
式1の値は、測定に用いるテラヘルツ波の周波数上限における透過率THと下限における透過率TLの差で、中間付近の周波数の透過率TMから1を引いた値を除し、絶対値をとった値ν’である。この値は、周波数に対する透過率の一定性の程度を示す指標となる。この値が大きいほど、透過率の周波数依存性は小さくなる。例えば、一つの極限として、この値が無限大のとき、透過率は周波数に依存しない。この式1で示される周波数に対する透過率の一定性の指標は、光学材料の分野で用いられる屈折率の周波数依存性を示すアッベ数を参考に定義したもので、これ以降、便宜上、透過率アッベ数ν’とも述べる。
また、前述した粒状もしくはスポンジ状構造とそうでない構造は、次の指標で区別する。すなわち、シート状になっている多孔質材に液滴を滴下したとき、滴下後の液滴の広がりが均一な円形に近ければ良く、粒状もしくはスポンジ状構造とみなせる。液滴の広がりが不均一な楕円形などになれば、粒状もしくはスポンジ状構造ではないとみなせる。楕円状分布の長軸÷短軸の値が1.11以上であれば、不均一とみなせる。故に、粒状若しくはスポンジ状であるか否かの境界的な構造体においては、この程度より均一的な分布をもたらすものであれば、本明細書で言う粒状若しくはスポンジ状構造体からなる多孔質材と見なすことができる。
要するに、好適なものとして例示した、ポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホンのいずれかを少なくとも含む粒状ないしスポンジ状構造体からなる多孔質材は、次の様なものである。すなわち、テラヘルツ波に対して広帯域（透過率の高い帯域が比較的広い）であり、浸潤保持部材としてより良い。
テラヘルツ波に対して透過率が高い材料を用いれば、上に挙げたポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホン以外の材料であっても、粒状ないしスポンジ状構造体の多孔質材であれば、好ましいと考えられる。すなわち、透過率が比較的高く、且つ周波数に対する透過率の一定性が高いことが推察される。
なお、浸潤保持部材は液体状検体を保持することが第一の目的である。そのため、必ずしも粒状もしくはスポンジ状構造体を有する多孔質材である必要は無く、また材料も上記ポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、ポリエーテルスルホンに限るものではない。また、伝送路の構造やテラヘルツ波光源の性質から、実際に発生・検出されるテラヘルツ波の周波数帯域が、表1に示した0.5THzから2.0THzの範囲外である場合もある。よって、実際のテラヘルツ波周波数帯域内で充分高く且つ均一な透過率が得られる材料を選べばよい。
また、前述した粒状もしくはスポンジ状構造体を有する多孔質材は、その構造がほぼ等方的であるため、これら多孔質材を伝送路上に設置する上で設置する向きを考慮する必要が無いという利点がある。一方で、繊維状構造体を有する多孔質材は、例えば、繊維の方向と伝送路の方向を平行もしくは垂直に合わせて設置することで、測定上の再現性を向上させることができる。また、繊維状構造体を有する多孔質材に液体状検体を滴下すると、楕円状に浸潤する。そのため、楕円の長軸方向と伝送路の方向を一致させることで、より効率的に液体状検体と相互作用させることが可能になり、感度向上が期待される。
図1を用いて、より具体的な一実施形態を更に説明する。図1(a)は検査装置の平面図であり、図1(b)は図1(a)におけるB-B’線での断面図であり、図1(c)は図1(a)におけるA-A’線での断面図である。
図1の本実施形態の検査装置において、基板11(例えばシリコン基板)上に蒸着等の方法により形成された金属面12(例えば、チタンと金をそれぞれ500Åと3000Å蒸着した金属面)が伝送路グラウンドとなっている。金属面12上には、低温成長ガリウムヒ素の膜13a、13bが2箇所にエピタキシャルリフトオフ法などで形成され、その上に、テラヘルツ波に対して比較的透明な誘電体層14(例えばBCB)が形成されている。誘電体層14の厚さは、例えば、5μmである。誘電体層14の一部は除去され、低温成長ガリウムヒ素の膜13a、13bは一部露出している。誘電体層14上には、幅が5乃至10μm程度で長さが1mm程度の金属製の線路（信号線）15が設置されている。線路15において、低温成長ガリウムヒ素膜13a、13b上では5乃至10μm程度の間隙16a、16bが設けられている。また、線路15の終端部には電極18a、18b、18c、18dが設けられている。線路15が伸びる方向に沿って、伝送路101が形成される。
線路15上には、液体状検体を毛管力などにより浸潤保持する浸潤保持部材として、多孔質材17が設置される。多孔質材17には、例えば、長方形のメンブレンフィルターを用いる。設置方法としては、テラヘルツ波に対して損失が少ない接着剤で貼り付けるか、或いは別の部材で押さえつける方法などがある。ここでは、液体状検体を浸潤保持しない樹脂板（非浸潤部材）19で押さえつける方法について述べる。
液体状検体を浸潤保持しないポリスチレン板19(厚さ1mm程度)に穴を設け、この穴より一回り程度大きい外形の多孔質材17を接着等の方法で、穴を塞ぐように設置する。多孔質材17が線路15を跨ぐように且つ2つの低温成長ガリウムヒ素膜13a、13bの間に位置するよう、ポリスチレン板19は設置される。このとき、多孔質材17の対称中心線と線路15が略一致するように設置するとよい。なぜなら、本実施例に示すマイクロストリップライン型の伝送路101では、線路15を中心に線路15に近いほどテラヘルツ波の電場が強く、多孔質材17に浸潤保持された液体状検体と強く相互作用をするからである。また、多孔質材17を線路15と接するように設置した方が、テラヘルツ波と液体状検体の相互作用が強まるので良い。
多孔質材17の中心線が線路15と略一致するような正確な設置のために、多孔質材17若しくはポリスチレン板19の一部と誘電体層14の一部に、位置合わせの為のアライメントマーク100を設けてもよい。
ポリスチレン板19と多孔質材17のテラヘルツ波に対する屈折率は、近い方が良い。なぜなら、両者の屈折率が著しく異なると、境界面でインピーダンス不整合による反射などが起こるからである。例えば、多孔質材17に日本ポール社製のメンブレンフィルター（製品番号60172、材質は親水性ポリエーテルスルホン、平均孔径は0.45μm）を使用し、ポリスチレン板19に疎水性発泡スチロールをコーティングしたポリスチレン板を使用するのもよい。この場合、多孔質材17の屈折率は約1.2、ポリスチレン板19の屈折率は約1.05乃至1.1である。
長方形の多孔質材17の幅は、線路15の幅の約3倍以上であるようにすると良い。金属面12と誘電体層14及び線路15をもって、テラヘルツ波を伝播させる伝送路101を構成するのであるが、本実施例に示すマイクロストリップライン型伝送線路では伝播テラヘルツ波の電場は線路15の幅の約3倍の範囲の領域に強く存在する。故に、多孔質材17の幅を線路15の幅の約3倍以上であるようにすると、多孔質材17に浸潤保持された検体とテラヘルツ波との相互作用が強まるので良い。ただし、作製上の都合から、多孔質材17の幅をこれより大きくしてもよい。ただし、一辺の長さは伝送路長以下とするのが良い。ここでは、多孔質材17は、例えば、0.6mm（長さ）×0.4mm（幅）、厚さ150μm程度であるとする。
多孔質材17を構成する孔の平均孔径は、例えば、0.5μm程度である。また、多孔質材17を形成する材料は、テラヘルツ波に対する透過率が高い物質である(例えば、親水性ポリエーテルスルホン)。
線路15の両端部には、夫々、2つの電極18a、18c及び18b、18dが設けられている。電磁波供給部の1つの電極18aからは10V程度の電圧が印加され、電磁波検出部の1つの電極18bは信号増幅器に接続される。他方の電極18c、18dは、夫々、接地される。本実施形態では、線路15の両端が、夫々、電磁波供給部からのテラヘルツ波を伝送路に結合する電磁波結合部及び伝送路からのテラヘルツ波を電磁波検出部に結合する電磁波結合部になっている。
本実施形態では、電磁波供給部の間隙16aにフェムト秒レーザを照射することでテラヘルツ波が発生し、このテラヘルツ波は線路15を経て電磁波検出部の間隙16bの方向へと伝播する。伝送路を伝播する過程で、テラヘルツ波は、多孔質材17に染み込んでいる検体と相互作用する。他方、電磁波検出部の間隙16bにフェムト秒レーザを照射することで、線路15を伝播したテラヘルツ波が信号増幅器を介して観測される。
多孔質材17には、DNA溶液などの液体状検体がマイクロインジェクターなどを用いて滴下され染み込ませられる。このとき、液体状検体は多孔質材17の毛管力などにより浸潤保持され、多孔質材17中に留まる。こうして多孔質材17に染み込んだ検体によって、電磁波検出部で観測されるテラヘルツ波は、減衰するなど伝播状態が変化する。このときのスペクトルなどから、検体の情報の検出を行うことができる。
図2に、上記の如き検査装置に必要な周辺光学系を示す。図2に示すように、モードロックチタンサファイアレーザ（フェムト秒レーザ）21から出射したフェムト秒パルスレーザ光は、ビームスプリッター26によって分割され、一方は図1の電磁波供給部の間隙16a（電圧を印加した側）に集光照射される。ビームスプリッター26によって分割されたフェムト秒レーザ光のもう一方は、遅延光学系22を経た後、図1の電磁波検出部の間隙16b(信号増幅器に接続された側)に集光照射される。
このとき、検査装置24の間隙16aと間隙16bの間隔は数mm(この場合、約1mm)と非常に接近しているため、分割されたレーザ光を集光照射する手前で再合流させ、単一の対物レンズ23等を用いてそれぞれの間隙に集光照射させるとよい。遅延光学系22を前後させることで、伝送路101を伝播したテラヘルツ波の時間波形が得られる。得られた時間波形をフーリエ変換することで、検体の有無や種類などに応じて伝播状態の変化したテラヘルツ波のスペクトルが得られる。これにより、検体の情報を得ることができる。
本実施形態においては、液体状検体を毛管力などによって浸潤保持する部材として多孔質材を挙げたが、繊維性物質や針状構造物体でもよい。また、ここでは多孔質材17を、ポリスチレン板（非浸潤部材）19を用いて伝送路近傍に固定したが、接着剤を用いて、直接、多孔質材を伝送路近傍に固定してもよいし、多孔質材を熱圧着などの方法で伝送路近傍に設置してもよい。また、伝送路を構成する誘電体自身に、多孔質材など、液体状検体を毛管力などによって浸潤保持する部材を用いてもよい。
更に、伝送路の構造・形態も、上述したマイクロストリップラインに限るものではなく、ストリップライン、コプレーナストリップライン、コプレーナウェーブガイド、マイクロコプレーナストリップライン、スラブライン、スロットラインなどでもよい。
以上に説明した実施形態の検査装置ないし検査方法によれば、液体状検体を浸潤保持する浸潤保持部材を用いるので、伝送路に対する液体状検体の位置を比較的的確に制御することができる。従って、検体の濃度などを調べる定量的な検出・検査・測定でも再現性良く比較的精度良く行うことができる。また、液体状検体を浸潤保持部材に滴下し乾燥させた時、析出した検体の厚さが不均一になることもない。また、滴下の度に液体状検体の液滴の広がり方が異なることもなく、テラヘルツ波との相互作用体積が毎回異なるようなこともない。
更に、従来例では、例えば、充分乾燥する前に伝送路を乱暴に扱うと、液滴が流れ落ちてしまい、故に検体とテラヘルツ波の相互作用体積が変化してしまうような恐れがあるが、上記実施形態では、そうしたことも無い。
こうして、毎回所望の量の液体状検体を伝送路中或いは近傍の所望の領域に配置することが、上記実施形態では確実に行われ、定量的な検査でも容易に再現性良く行うことができる。更には、例えば、液体状検体が乾燥したとき、DNAなどの生体も立体構造を維持したまま浸潤保持部材中に保持できて、精度の良い検体情報の取得が可能となる。
以下に、具体的な実施例を図面に沿って説明する。
（第1の実施例）
本発明の第1の実施例を図1を用いて以下に説明する。本実施例は、前記の実施形態に対応する。本実施例では、線路15上に、ポリスチレン板19に取り付けられた多孔質材17が設置される。ここでは、多孔質材17として、例えば、日本ポール社製のメンブレンフィルター（製品番号60172、材質は親水性ポリエーテルスルホン、平均孔径は0.45μm）を用いる。多孔質材17と組み付けられたポリスチレン板19を線路15上に設置するときに、アライメントマーク100を利用することで、多孔質材17を線路15に対し所望の相対位置に設置することができる。
設置した多孔質材17に液体状検体を浸潤させるに際しては、マイクロインジェクター(例えば、成茂科学器械研究所社製のプログラム式マイクロインジェクターIM-300)を用いて、ポリスチレン板19の穴からDNA水溶液を多孔質材17上に滴下する。DNA水溶液の濃度が、例えば、0.5μg/μlの試料を用いる。滴下量は、例えば、30nlとする。滴下されたDNA水溶液は、多孔質材17に染み込み保持され、信号線15と多孔質材17が接する面まで到達する。このとき、滴下量が極端に少ない場合（例えば、1pl）、滴下されたDNA水溶液が多孔質材17の全体に染み渡らないことが起こり得る。これでは、本発明の意図する所である電磁波と検体の相互作用領域を的確に規定するという効果が充分得られない。そのため、多孔質材17全体に染み渡る程度の量を滴下することが必要である。また、濃度や粘度が高いなどの理由により、DNA水溶液が多孔質材17に充分染み渡らない場合も、効果が充分得られない。従って、その場合は、適度な濃度に薄めるなどする必要がある。前記DNA水溶液は、多孔質材17への複数回滴下・乾燥を繰り返して濃度を高めてもよい。
多孔質材17に滴下した前記DNA水溶液は、室温にて乾燥させる。その後、上述の実施形態で説明した方法で、テラヘルツ波を電磁波供給部で発生させ伝送路101を伝播したテラヘルツ波の時間波形などを検出する。
図3の模式図に、伝送路101を伝播して電磁波検出部で検出されたテラヘルツ波の時間波形をフーリエ変換して得られるスペクトルの例を示す。図3の実線aは、DAN水溶液を多孔質材17に滴下する前に検出されるテラヘルツ波スペクトルの例であり、図3の破線bは、DNA水溶液滴下乾燥後に検出されるテラヘルツ波スペクトルの例である。検体滴下前後で検出されるテラヘルツ波のスペクトルの図3に示す如き相違から、DNAの存在や量などの情報を検出できる。本実施例によれば、検体滴下後に検出されるテラヘルツ波のスペクトルを再現性良く得られるので、検体の情報をより正確に獲得できる。これに比較して、従来の手法によるときは、液体状検体を伝送路上の的確な位置に再現性ある状態で安定的に滴下するのは容易ではないので、検体滴下後に検出されるテラヘルツ波のスペクトルを再現性良く得られない。
本実施例では、DNA水溶液が常に伝送路101近傍に設置された多孔質材17に略均一に保持される。そのため、定量的な検査において再現性が確保され、正確な定量的検査が保証される。また、多孔質材17の体積が、0.6mm（信号線15と平行な方向）×0.4mm（信号線15と垂直な方向）×0.15mm（多孔質材の厚さ）程度であるため、伝播テラヘルツ波が比較的強く分布している領域のみに液体状検体を集中させることができる。こうして効率的で正確な検査が可能となる。
また、本実施例では、多孔質材17の周辺に、DNA水溶液を透過しないポリスチレン板（非浸潤部材）19による枠があるため、たとえ多孔質材17の液体保持能力以上の液体状検体を滴下しても、多孔質材外部に液体状検体が染み出ることがなくなる。そして、ポリスチレンの枠の体積以上の液体状検体を滴下した場合には、拭き取るなどして過剰な液体状検体を除去できる。そのため、更に効果的に液体状検体の分布を制御性良く規定できる。
また、一度使用した多孔質材17は樹脂板19と共に取り外すことで、同じ伝送路101上に再び未使用の多孔質材付樹脂板を取り付けて、繰り返し検査することもできる。その際、位置合わせのためのアライメントマーク100を利用することで、線路15と多孔質材17の相対的位置関係を安定的に毎回一定にできるため、再現性が確保される。
（第2の実施例）
次に、本発明の第2の実施例を図4に沿って説明する。本実施例でも、第1の実施例と同様にテラヘルツ波供給部と伝送路(マイクロストリップライン構造)と検出部を備えた構造に、線路41を跨ぐように多孔質材42を設置する。このとき、ポリスチレン板43a、43bなどの液体状検体を浸潤保持しない非浸潤部材で、多孔質材42の2辺（線路41と平行な2辺）を押さえつけることで、多孔質材42を固定する。その他の構成は、本実施例と第1の実施例は同様であるので、図4では、こうした構成には符号を付していない。
ポリスチレン板43は、多孔質材42より一回り大きい程度以上（例えば1mm×0.6mm）の物を用いるとよい。また、一対のポリスチレン板43a、43bは、線路41の幅の3倍以上(線路41の中央から片側1.5倍以上ずつ)離した方がよい。なぜなら、そうすることでポリスチレン板43の存在による伝送路のインピーダンス変化を回避できるからである。
本実施例でも、第1の実施例と同様の方法で、一方の間隙にフェムト秒レーザを照射することで発生したテラヘルツ波を伝送路に伝播させる。そして、伝播テラヘルツ波は、多孔質材42中の検体と相互作用した後、電磁波検出部に到達し、テラヘルツ波の時間波形などが得られる。
本実施例では、多孔質材42と線路41が直接接触し、接着剤など余計な介在物が存在しないので、より信頼性が高い検査が期待される。また、多孔質材42の2辺（線路41の方向に平行な方向の2辺）に沿ってポリスチレン板43a、43bの非浸潤部材がある。このことから、たとえ多孔質材42の液体保持能力以上の液体状検体が滴下されても、線路41から離れる方向に液体状検体が広がっていくことはない。多孔質材42に、液体が線路41と平行な方向に広がりにくい性質を持った異方性多孔質材や繊維性の物質を用いれば、液体状検体は多孔質材42に留まり、より多くの液体状検体を一度に滴下することができる。よって、液体状検体の分布を制御性良く規定する効果がさらに高くなる。
（第3の実施例）
本発明の第3の実施例を図5に沿って説明する。本実施例では、多孔質材52を接着等の方法で、線路51を跨ぐように設置する。例えば、多孔質材52の周辺部の一部において、線路51と平行な2辺付近にBCBやフォトレジストなどの樹脂を接着剤として塗布し、線路51を跨ぐように多孔質材52を貼り付ける。貼り付ける際に、位置合わせの為のアライメントマークを予め付けておいてもよい。本実施例の方法では、部品点数の削減が図れる。その他の構成は、本実施例と第1の実施例は同様であるので、図5でも、こうした構成には符号を付していない。
本実施例でも、第1の実施例と同様の方法で、一方の間隙にフェムト秒レーザを照射することで発生したテラヘルツ波を伝送路に伝播させる。そして、伝播テラヘルツ波は、多孔質材52中の検体と相互作用した後、電磁波検出部に到達し、テラヘルツ波の時間波形などが得られる。
（第4の実施例）
本発明の第4の実施例を図6に沿って説明する。本実施例では、テラヘルツ波に対して透過率が高く樹脂板（非浸潤部材）であるポリスチレン板63(厚さ1mm程度)に穴を設け、穴より一回り程度大きい外形の多孔質材62を接着等の方法で、穴を塞ぐように設置する。例えば、ポリスチレン板63の穴の大きさを0.4mm×0.3mm程度とし、多孔質材62の大きさを0.6mm×0.4mmとする。その他の構成は、本実施例と第1の実施例は同様であるので、図6でも、こうした構成には符号を付していない。
ここで、ポリスチレン板63には、図6の様に流路64を、多孔質材62を取り囲むように形成してもよい。流路64は、図6に示すようにポリスチレン板63の側面まで続いている。流路64の大きさは、断面が0.05mm程度とする。この場合、液体状検体は、ポリスチレン板63の側面にある流路64の一方の入り口から導入される。マイクロインジェクターなどでポリスチレン板63の側面にある流路64の入り口の一方に滴下された液体状検体は、流路64の毛細管現象などによって多孔質材62まで到達し、多孔質材62によって毛管力などで浸潤保持される。
流路64を、液体状検体を溜めた液溜め等に連結してもよい。流路64を設ける構成では、液体状検体を滴下する際に、マイクロインジェクターのキャピラリーを正確に多孔質材62の位置に合わせる必要がないので、検体の導入が容易になる。その上、キャピラリーで多孔質材や伝送路を傷つける危険性も減少する。
本実施例でも、第1の実施例と同様の方法で、テラヘルツ波を伝送路に伝播させ、伝播テラヘルツ波は、多孔質材62中の検体と相互作用した後、電磁波検出部に到達し、テラヘルツ波の時間波形などが得られる。
（第5の実施例）
本発明の第5の実施例を図7に沿って説明する。本実施例では、第1の実施例と同様にテラヘルツ波供給部と伝送路(マイクロストリップライン構造)と検出部を備えた構造におけるBCB膜71の上に、新たに2層目の樹脂膜73を形成する。そして、プラズマエッチング等の方法で、2層目の樹脂膜73の一部に穴74を開ける。2層目の樹脂膜73（非浸潤部材）は、液体状検体を浸潤保持しない材料（例えばBCB）を用いる。2層目の樹脂層73にフォトレジストを用い、フォトリソグラフィーなどにより穴74を形成してもよい。
穴74の大きさは、多孔質材75と同程度か一回り大きい程度とし、穴74の中に多孔質材75を設置する。多孔質材75と穴74の間に隙間はあってもよいし、なくてもよい。また、2層目の樹脂膜73の厚さと多孔質材75の厚さの大小関係は、樹脂膜73の方が厚くても薄くてもどちらでもよい。多孔質材75は、線路72と平行な2辺において接着剤等で穴74に固定する。その他の構成は、本実施例と第1の実施例は同様であるので、図7でも、こうした構成には符号を付していない。
本実施例では、第3の実施例及び第4の実施例の非浸潤部材（液体状検体を浸潤保持せず液体状検体の分布を規定する効果を高める部材）及び流路を一体化して作製でき、部品点数が減少できるという効果がある。
（第6の実施例）
本発明の第6の実施例を図8に沿って説明する。本実施例では、基板81(例えばシリコン基板)上に、蒸着等の方法により作製された金属面82(例えば、チタンと金をそれぞれ500Åと3000Å蒸着した金属面)を伝送路グラウンドとする。金属面82上に、低温成長ガリウムヒ素の膜83a、83bを2箇所にエピタキシャルリフトオフ法などで設置し、金属面82上には、テラヘルツ波に対して透明な樹脂86などを塗布する。その後、低温成長ガリウムヒ素の膜83a、83bの部分、及び膜83aと膜83bの間の領域に窓開けを行う。このとき、後者の窓開け部分には、多孔質材84を熱圧着や接着等の方法で設置するが、樹脂86の窓サイズが若干大きくなるようにして多孔質材84の側面から検体を供給できるようにしておく。また、多孔質材84のうち基板と接しない方の表面は、多孔質の穴が埋められて平坦になるよう予め加工する。或いは、多孔質材84のうち基板と接しない方の面に、樹脂フィルムなどを貼り付けてもよい。
上記構成の表面には金属製の線路85を蒸着等の方法により設置することで、金属面82と多孔質材84と線路85により、マイクロストリップライン型伝送線路を構成する。本実施例では、多孔質材84が伝送路の誘電体層を兼ねていることが特徴である。その他の構成は、本実施例と第1の実施例は同様であるので、図8でも、こうした構成には符号を付していない。
上記構成において、液体状検体を多孔質材84に浸潤させるには、多孔質材84の側面近傍にガラスキャピラリー86を設置し、多孔質材84の側面から液体状検体を供給する。ガラスキャピラリーの代わりに流路などを用いてもよい。
本実施例では、伝送路の誘電体層に多孔質材84を設けることで、より電場分布が強い部分に液体状検体を一定体積、一定位置でもって供給することができる。従って、伝播テラヘルツ波と多孔質材84中の検体との相互作用をより有効に行わせることができ、より正確なテラヘルツ波の時間波形などが安定して得られる。
（第7の実施例）
本発明の第7の実施例を説明する。本実施例では、液体状検体を多孔質材に浸潤させた後に冷却して凍結させる。揮発性の液体を含む液体状検体を多孔質材に浸潤させると、やがて液体は蒸発し、不揮発成分のみが多孔質材に残留する。蒸発は時間と共に進行するため、液体状検体の検査結果が時間変動してしまう。また、液体状検体が存在する場所の環境（湿度や温度）によって、蒸発に要する時間や、蒸発後の検体が有する含水率が変化する。
これを回避して安定な検査結果を得るために、液体状検体を多孔質材に浸潤させた後に冷却して凍結させる。凍結は、検査される検体の状態が時間的に変動しない様なタイミングで行う。冷却手段には、冷気（冷媒、液体窒素など）を吹きかけて検体を直接的に冷却する手段、伝送路を冷却して検体を間接的に冷却するペルチェ素子などの手段などが挙げられる。
この時、多孔質材（上記メンブレンフィルターなど）は、凍結した検体へ外部から熱が流入するのを防止する断熱材としても機能する。
本実施例は、汗や血液など生体由来の液体を多孔質材に浸潤させて凍結することで、こうした液体に含まれる物質（例えば、アルコールや糖）の検査に用いることができる。また、多孔質材の孔径以下の微粒子を含む揮発性液体を多孔質材に浸潤させて凍結することで、多孔質材の孔径以下の微粒子の検査に用いることもできる。
本発明の実施形態と第1の実施例に係る検査装置ないし方法を説明する図である。 検査装置にレーザ光を照射するための光学配置を示す図である。 テラヘルツ波スペクトルの例を示す模式図である。 浸潤保持部材（多孔質材）の2辺を非浸潤部材（樹脂板）で保持した本発明の第2の実施例に係る検査装置ないし方法を説明する図である。 浸潤保持部材（多孔質材）を接着により保持した本発明の第3の実施例に係る検査装置ないし方法を説明する図である。 浸潤保持部材（多孔質材）周辺に流路を有する本発明の第4の実施例に係る検査装置ないし方法を説明する図である。 第2の樹脂層に穴を開けそこに浸潤保持部材（多孔質材）を設置する本発明の第5の実施例に係る検査装置ないし方法を説明する図である。 誘電体層に浸潤保持部材（多孔質材）を用いた本発明の第6の実施例に係る検査装置ないし方法を説明する図である。 伝送路に対する浸潤保持部材（多孔質材）の設置位置を説明する図である。 伝送路に対する浸潤保持部材（多孔質材）の設置位置を説明する図である。 各種浸潤保持部材（メンブレンフィルター）のテラヘルツ波に対する透過率などを示す表1の図。
符号の説明
11、81 基板
12、82 伝送路（金属面）
13a、83b 電磁波供給部（ガリウムヒ素膜）
13b、83a 電磁波検出部（ガリウムヒ素膜）
14、71、86 伝送路（誘電体層)
15、41、51、61、72、85 伝送路（線路）
16a 電磁波供給部（間隙）
16b 電磁波検出部（間隙）
17、42、52、62、75、84 浸潤保持部材（多孔質材）
18a,c 電磁波供給部（電極）
18b,d 電磁波検出部（電極）
19、43a,b、63、73 非浸潤部材（ポリスチレン板、2層目の樹脂層）
21 電磁波供給部、電磁波検出部(フェムト秒レーザ)
22 電磁波検出部（遅延光学系）
101 伝送路

Claims (9)

  1. 基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、
    前記浸潤保持部材は、前記伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、
    前記浸潤保持部材の形状は、前記伝送線路に対して非対称であり、
    前記基板と平行な面において、前記浸潤保持部材の幾何的重心線と、前記伝送路を伝播する電磁波の電場分布の、電磁波伝播方向と平行な幾何的対称中心線又は幾何的重心線とが略一致していることを特徴とする装置。
  2. 基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、
    前記浸潤保持部材は、前記伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、
    前記浸潤保持部材の形状は、前記伝送線路に対して対称であり、
    前記電磁波の電場分布は、前記伝送路に対して非対称であり、
    前記基板と平行な面において、前記浸潤保持部材の幾何的対称中心線と、前記伝送路を伝播する電磁波の電場分布の、電磁波伝播方向と平行な幾何的重心線とが略一致していることを特徴とする装置。
  3. 基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、
    前記浸潤保持部材は、前記伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、
    前記浸潤保持部材の周辺の一部又は全部と隣り合って配置された非浸潤部材を有し、
    前記非浸潤部材と前記浸潤保持部材との間に間隙があり、該間隙は該浸潤保持部材に液体状検体を供給する流路であることを特徴とする装置。
  4. 30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を前記伝送線路に供給するための電磁波供給部と、
    前記伝送線路を伝播した前記電磁波を検出するための電磁波検出部と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
  5. 前記浸潤保持部材の構造は、液体状検体が該浸潤保持部材に対して略等方的に浸潤する粒状構造体あるいはスポンジ状構造体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記浸潤保持部材の材料は、ポリプロピレン、ポリスルホン、ナイロン、及びポリエーテルスルホンのいずれかを含み構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、
    前記浸潤保持部材は、前記伝送路を伝播する電磁波の電場分布の及ぶ範囲に設置されており、
    前記浸潤保持部材の材料が、繊維性物質又は針状構造体からなり、
    前記浸潤保持部材の構造は、異方的であり、
    前記浸潤保持部材の特徴的な方向と前記伝送線路の方向とを略一致させることを特徴とする装置。
  8. 穴を備える基板と該基板に設けられた導体とを含み、30GHz以上30THz以下の周波数帯域のうち少なくとも一部を有する電磁波を伝播させるための伝送線路と、
    前記穴に設けられ、液体状検体を浸潤させて保持するための浸潤保持部材と、を有し、
    前記導体は、前記浸潤保持部材の上部に設けられることを特徴とする装置。
  9. 前記穴のサイズは前記浸潤保持部材のサイズよりも大きく、該浸潤保持部材の側面から液体状検体を供給可能に構成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
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