JP4928249B2

JP4928249B2 - 検出装置

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Publication number: JP4928249B2
Application number: JP2006343051A
Authority: JP
Inventors: 亮治黒坂
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008157625A; US20080238571A1; US8449826B2

Description

本発明は３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む電磁波を用いて、検体を検出する装置に関する。

近年ミリ波からテラヘルツ波（３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域、以後テラヘルツ波と呼ぶ事にする）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線に替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、通信技術などが研究、開発されている。

図１１は、非特許文献１関する従来技術の模式図である。非特許文献１は、伝送路型テラヘルツ検出器に関する論文である。図１１が示すように、テラヘルツ波発生部１１１とテラヘルツ波検出部１１２の間に伝送部を設け、伝送部部分にフィルタ部１１３を設け、そのフィルタ部分にＤＮＡ（検体）を含む溶液１１４を滴下している。伝送路上にＤＮＡを滴下して、ＤＮＡがあるときと無い時の伝送路を伝搬してきた電磁波の信号の変化からＤＮＡの分析を行うものである。すなわち、非特許文献１は、伝送路型テラヘルツ検出器を用いて、ＤＮＡの１本鎖と２本鎖の違いを誘電率の違いによって検出することが開示されている。

また、特許文献１は、土壌や溶液等の被測定物の含水率を求めるための伝送線路型検出器である。マイクロ波を使用して出力端を分岐して、それぞれ長さの異なる伝送路を設けている。電磁波の伝播損失を考慮して、いずれかの伝送路を選択して、高い含水率から低い含水率までを求めることを開示している。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１５４，Ｖｏｌ８０，２００２特開２００１−１３０８７号公報

上記先行技術は、複数の検体を測定する事に関して以下のような課題を有する。非特許文献１に記載されているデバイスを使用して複数の検体を同時に測定するには、発生部、検出部、フィルタ部を検体の数に対応して複数設け、アレイ化する必要がある。

また、特許文献１に記載されているデバイスを、テラヘルツ波での測定に使用したとき場合も、各出力端に検出部を設けて同じくアレイ化する必要があり、検体の数に対応した検出部が必要になり、システムが複雑になる。

そこで、本発明は、複数の検体を検出する際に、検出部の数を低減させることができる新規な検出装置を提供する。

本発明は、
３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む電磁波を用いて検体を検出する検出装置であって、
前記電磁波の伝搬遅延時間が異なる複数の電磁波伝送路と、
前記複数の電磁波伝送路から伝播してきた電磁波を同一の電磁波検出部に伝送するための結合伝送路と、
前記結合伝送路を伝播してきた電磁波を検出する電磁波検出部とを備え、
前記複数の電磁波伝送路及び前記結合伝送路が基板上に形成されている検査装置を提供するものである。

本発明の構成によれば、伝播遅延時間が異なる複数の電磁波伝送路を設けることにより、結合伝送路を介して同一の電磁波検出部で検出が可能になり、検体の数に対して少ない数の電磁波検出部で、複数の検体の検出又は検体とリファレンスとの検出が可能になる。

本発明として最適な構成を図１を用いて説明する。その構成としては、電磁波の伝搬遅延時間が異なる複数の電磁波伝送路１１、複数の電磁波伝搬経路を伝播してきた電磁波を同一の電磁波検出部に伝送するための結合伝送路１２、電磁波検出部１３から構成される。

図１に示した構成は、小型の取り替え可能なチップとして利用することもできる。もちろん、据え置き型の測定装置としても利用しても構わない。この構成に更に、電磁波を発生させる電磁波発生部や伝播してきた電磁波を結合するための電磁波結合部を設けることも可能である。検体の堆積を選択的に行いたい場合や液洩れなどを防止するための補助として液だめ構造を伝送路に設けることも可能である。また、選択的に伝送路に検体を集めるために、伝送路表面や伝送路近傍を表面修飾して検体の選択的な集合を作ることも可能である。これらの構成が同一基板上に集積化されたチップであってもよい。

伝播遅延時間を変える手段としては、伝送路長を変えることによって電磁波の伝播する時間を変化させる手段と、電磁波伝送路を構成する誘電体の誘電率を変えることにより電磁波の伝播する時間を変化させる手段とがある。伝播遅延時間の異なる複数の電磁波伝送路を設けることにより、複数の検体の信号をリアルタイムに検出することができより精度の高い測定が可能になる。

本発明の実施形態の一例である図２を用いて検出原理を説明する。

図２に示す実施形態では、電磁波発生部２１を予め基板２２上に形成している。電磁波発生部から発生したテラヘルツ波は、複数の伝播遅延時間の異なる電磁波伝送路を伝播する。図２の実施形態では、伝送路が分岐して、電磁波伝送路１と電磁波伝送路２と電磁波伝送路３とにテラヘルツ波が伝播する。電磁波伝送路中には、検体２３を配置する。図２に示すように伝送路長は、電磁波伝送路１が一番短く、その次が電磁波伝送路２であり、電磁波伝送路３が一番長い。そして、それぞれの電磁波伝送路から伝播してきたテラヘルツ波の電磁波は、結合伝送路１２を伝播する。そして、同一の電磁波検出部１３で検出する構成になっている。

この場合に、まず電磁波発生部２１より、テラヘルツ波が発生し、伝送路を伝播する。このとき、パルス状のテラヘルツ波を発生させると、その信号は信号Ａのようになる。この信号Ａが伝送路を伝播し、複数の電磁波伝送路でそれぞれに分岐されて伝播する。このとき、それぞれの電磁波伝送路は、テラヘルツ波が伝播する伝送路長が異なるため、結合伝送路に到達する信号も時間的に異なる。この場合、電磁波伝送路１の伝送路長が一番短いために、電磁波伝送路１を伝播する信号が結合伝送路に一番早く到達し、伝送路長が一番長い電磁波伝送路３を伝播してきた信号が一番遅く結合伝送路に到達する。これらの信号を電磁波検出部１３で検出することにより、それぞれの検体に対応した複数の信号をリアルタイムに検出することができより精度の高い測定が可能になる。検出した信号は、図２に示したように、信号Ｂ、信号Ｃ、信号Ｄとに分かれて出力される。図２では、伝送路長の一番短い電磁波伝送路１を伝播してきた出力信号が信号Ｂになり、伝送路長が一番長い電磁波伝送路３を伝播してきた出力信号が信号Ｄである。その中間の電磁波伝送路２の信号が信号Ｂと信号Ｄの間の信号Ｃになる。それぞれの信号は、電磁波伝送路上に配された検体との相互作用の影響を受けている。そのため受信したテラヘルツ波は、検体との相互作用を含め伝播状態の変化があり、その変化を信号から解析することにより、どのような検体があったか判断できる。このように検出することにより、例えば、変性などにより立体構造が変化するタンパク質などを経時変化前に測定することが可能になり、より精度の高い検出が可能になる。もちろん、経時変化を時間を追って観測し、変性の度合いを検出することもできる。

詳細に説明すると、まず検体を配置していない状態でテラヘルツ波を発生させ、電磁波検出部で検出して、その時間波形を記憶させておく。次に、検体（サンプル）を置いた状態で同様に測定する。このようにして得られた時間波形を示したものが図３である。検体の配置した状態（サンプルあり）と、検体を配置していない状態（サンプルなし）で信号波形が変化していることがわかる。これは、テラヘルツ波が検体のマクロな複素誘電率の影響を受けて、時間遅延やパルスピークの減衰が発生するために、変化しているものであり、これらの情報を解析して、検体の物性を測定することができる。図２に示す実施形態で測定を行った場合は、図４のような信号を得ることができる。図４に示す信号は、時間波形を出力したものである。伝送路上での検体の占有領域と検体の有無で、波形のピーク強度の違いや波形ピークの時間差の違いが生じ、その違いから検体の分析が可能である。例えば、二本鎖ＤＮＡと一本鎖ＤＮＡの違いの識別が可能である。数十ｎｌのＤＮＡを含む溶液の滴下量に対してサブｐｓｅｃからｐｓｅｃのオーダーでリファレンスからの時間差を検出することができる。また測定された時間波形を分離して各パルスごとにフーリエ変換を施すことにより、検体の有無での周波数スペクトルを取得することができる。この周波数スペクトルを用いて減衰量や吸収ピークなどから検体の分析を行う。

さらに、リファレンスを予め測定して記憶しておかず、同時に検出する方法がある。この構成例として、図５を用いて説明する。複数の検体とリファレンスの同時測定を目的に、電磁波の伝搬遅延時間が異なる複数の電磁波伝送路１１に対応して設けられたリファレンス用伝送路５１から構成される。それらは、全て同一基板２２上に集積化されている。具体的には２種類の検体２３を測定する際に４本の線路を設ける。それぞれ検体Ａ用電磁波伝送路、検体Ｂ用電磁波伝送路、検体Ａリファレンス用電磁波伝送路、検体Ｂリファレンス用電磁波伝送路となる。図６においては、伝送路基板中央線を中心に左右対称に配線され、同じ長さの伝送路の一方を検体用にし、他方をリファレンス用に用いる。検体Ａ用電磁波伝送路と検体Ａリファレンス用電磁波伝送路はそれぞれ伝送路長を同じにしておき両方の信号を比較すれば、図６に示すようにリファレンス信号と被測定検体信号のパルスピークの強度及び時間遅延差より検体Ａの特性分析が可能な信号の検出ができる。このように常にリファレンスと比較することで、測定精度の向上が可能である。

次に、個々の構成要件について、具体的に説明する。

（電磁波伝送路）
Ａ電磁波伝送路
電磁波伝送路には、マイクロストリップ線路が好適に用いられる。図２に示す一例では、マイクロストリップ線路が用いられている。マイクロストリップ線路は、誘電体を挟み込む２つの金属層からなり、金属層はＴｉ／Ａｕを積層し、誘電体層にはベンジルシクロブテン（以後、ＢＣＢ）を用いる。ＢＣＢはテラヘルツ波の領域で比較的透明であり、薬品耐性が良いことやエッチングなどの加工がしやすいという特徴がある。他の誘電体材料としては、ポリシラン、ポリイミド、テフロン（登録商標）、ポリオレフィン、ＳＵ−８がある。このマイクロストリップ線路構造は、テラヘルツ波の伝播損失が小さく、分散特性が優れているため電磁波を伝送路中に閉じ込める効果が高い。また、複数の検体を配置することが可能であれば、ストリップ線路構造であればよい。さらに、コプレーナ型構造であるコプレーナストリップ線路構造やコプレーナウェーブガイド構造でもよい。

マイクロストリップ線路などの伝送路の形成方法については、例えば、特開２００５−１７６４４号公報や特開２００５−２０３０４号公報に記載されており、本発明に適用できる。

Ｂ伝播遅延させる構成
伝播遅延させる構成は、図２に示すように伝送路長を変えることが挙げられる。真空中では、テラヘルツ波の電磁波を１ｍｍ伝播するのに３ｐｓｅｃ要する。誘電体で構成される伝送路を伝播するときは、誘電体の実効誘電率に従って遅れる。従って、数ｐｓｅｃのテラヘルツ波を時間的に分離するためには、電磁波伝送路の伝送路長をｍｍオーダーで変えればよい。例えば、電磁波伝送路１を１ｍｍ、電磁波伝送路２を２ｍｍ、電磁波伝送路３を３ｍｍにすれば、ｐｓｅｃでの信号の分離が可能になる。誘電体にＢＣＢを用いた場合は、ＢＣＢの誘電率を考慮すると１ｍｍ伝送路長が異なるごとに信号波形のピークは約５ｐｓｅｃ異なる。

また、伝送路長を変える方法以外には、電磁波伝送路を構成する材料の種類を変える方法でもよい。多くの場合は、金属層ではなく誘電体の種類を変えることによって行う。検出までの時間を短くする場合、つまり伝播時間を短くするためには、低誘電率材料を用い、検出までの時間を長くする場合は、高誘電率材料を用いる。例えば、図７（ａ）に示すように、誘電体部分を誘電体１、誘電体２、誘電体３のように異なる誘電率の誘電体を組み合せて作製してもよい。各誘電体は、テラヘルツ波に対して透明な材質が望ましい。誘電率の違いから電磁波の伝播遅延時間が変わるので、結合伝送路１２に結合した際には、時間軸上で分離した信号となる。誘電体を変えることにより、伝送路長を変えることなく、テラヘルツ波の信号波形の分離が可能である。

もちろん、図７（ｂ）に示すように、この二つの方法を組み合せて電磁波伝送路を基板上に作り込んでもよい。二つの方法を組み合せることにより、より細分化した信号分離が可能となる。

Ｃ電磁波伝送路上の検体の配置
検体とテラヘルツ波の相互作用をより効率的に行うためには、検体を電磁波伝送路中に的確に配置することが求められる。検体としては、ＤＮＡやアミノ酸やタンパク質などの生体物質が挙げられる。生体物質は、テラヘルツ波の周波数領域に生体物質固有の吸収を有していることが多く、その吸収ピークを解析することにより、生体物質自体の検出や生体物質の変性の度合いを測定できる。配置方法としては、溶液を伝送路に滴下し、溶液を乾燥させ、溶液に含まれる検体を堆積させる方法がある。例えば、ＤＮＡを分析する場合は、リン酸緩衝液に０．５μｇ／μｌのＤＮＡ濃度になるようにＤＮＡ量を調整する。調整した緩衝溶液を伝送路上に滴下し、自然乾燥させ検体を固定・堆積させる。滴下は各分岐後の伝送路に順次滴下し乾燥させる。このときにお互いの検体が重ならないように注意する。

ただ単純に検体を電磁波伝送路上に滴下すると、溶液同士が交じり合う場合がある。この場合、より的確に測定するために、検体の配置を補助する次の構成をとることも可能である。

Ｃ−１液溜め構造
ＤＮＡやたんぱく質などの生体物質を検出する場合には、生体物質の安定性を考えて、緩衝溶液などの溶液中に溶かしている。そのような溶液を用いる場合には、図１０に示す液体が基板上に広がるのを防止するための液を滴下する領域を壁で囲んだ液溜め構造１０１を設けることも選択できる。これにより、電磁波伝送路上の所定の位置に生体物質を混じり合うことなく析出・堆積させることが可能になる。また、他の電磁波伝送路上で測定しようとしていた試料と混ざり合うこともなくなり、より精度よく測定することが可能になる。さらに、図１０に示した形状にすることにより、溶液を入れる量も規定できるため、定量性も向上させることができる。

液溜め構造は、テラヘルツ波に対して透明であり、電磁波伝送路を蒸着した後に、液溜め構造の壁となる材料を塗布しベークすることにより作製する。その後、マスク材料をパターニングしたあと、液溜め構造の壁となる部分を残してエッチングして作製する。

さらに、壁の変わりに穴を形成し、穴を液溜め構造としてもちいてもよい。金属層と誘電体と金属層を貫く方向に穴を形成し、その穴に検体を保持することも可能である。

Ｃ−２表面修飾
電磁波伝送路上を表面修飾で、表面にアミノ基、カルボキシル基、水酸基、チオール基、マレイミド基などの官能基を導入することにより電磁波伝送路上に配置する検体を選択することができる。例えば、誘電体を挟む２つの金属層とを有する電磁波伝送路の金属層表面を官能基で修飾し、その上に選択的にＤＮＡなどの核酸を吸着させることが可能になる。また、それぞれの電磁波伝送路に対して異なる官能基を電磁波伝送路表面に導入することにより、同じ液体中の複数のＤＮＡについて、官能基を用いて選別することが可能になり、複数のＤＮＡの検出が行える。この場合には、複数のＤＮＡを含んだ溶液を電磁波伝送路全面に滴下することが可能であり、複数の溶液を滴下する必要がなく溶液同士の混ざりあいなどの問題がなくなる。ＤＮＡやペプチド核酸（ＰＮＡ）の固定化方法としては、伝送路を構成するＡｕの表面にマレイミド基を表面修飾させ、チオール基を有するＤＮＡやＰＮＡとを反応させマレイミド基とチオール基が結合して固定化させる。また、アルキル鎖（炭素数５から１８、好適には１２）を導入したＤＮＡやＰＮＡを伝送路に固定化することができる。この場合、疎水性のパッキングによりアルキル鎖がない場合よりも伝送路上に密にＤＮＡやＰＮＡのプローブを導入し、ＤＮＡやＰＮＡチップとして用いることが可能である。ここでは、電磁波伝送路表面を修飾することについて述べているが、チオール基などをＤＮＡ末端に導入して電磁波伝送路と結合させることも可能である。この表面修飾の概念は、従来の単一の伝送路デバイスへも応用が可能であり、複数の電磁波伝送路でなくてもよい。

（結合伝送路）
結合伝送路は、複数の電磁波伝送路から伝播してきたテラヘルツ波を電磁波検出部に伝播するための伝送路のことである。結合伝送路では、複数の電磁波伝送路の伝播遅延時間に従ってテラヘルツ波を合波させ、それを同一の電磁波検出器まで導くものである。テラヘルツ波をより正確に伝播させるために、インピーダンス不整合による反射の影響を抑えるために、Ｔ分岐やＹ分岐または分岐直前にて線路幅を狭めることなどして適切な形状にすることがよい。

（電磁波検出部）
電磁波検出部は、テラヘルツ波を検出するものである。具体的には、低温成長させたＧａＡｓを光伝導膜として用いた光伝導素子やＥＯ結晶を利用した検出やボロメータや超伝導トンネル接合素子やショットキーダイオードを用いることが可能である。上述した電磁波検出器については、テラヘルツテクノロジー〜発生・計測・応用技術・展望〜（監修大森豊明）、テラヘルツ波の基礎と応用（編著西澤潤一）、特開２００５−３１１３１０号公報を参考にしてもらい、ここでの説明は省略する。

（電磁波発生部）
電磁波発生部としては、光伝導素子が好適に用いられる。光伝導素子は、光伝導アンテナや光伝導スイッチとも呼ばれる。図２に光伝導素子をもちいた電磁波発生部を示している。さらに、後進行波管（ＢＷＯ）、パラメトリック発生器、量子カスケードレーザーや共鳴トンネルダイオードなども用いることが可能である。このような電磁波発生部については、テラヘルツテクノロジー〜発生・計測・応用技術・展望〜（監修大森豊明）、テラヘルツ波の基礎と応用（編著西澤潤一）、特開２００５−３１１３１０号公報を参考にしてもらい、ここでの説明は省略する。

ここでは、好適に用いられる光伝導素子について図面を用いて説明する。本発明の説明では、図２と図５に電磁波発生部として光伝導素子を用いている。図２では、光伝導膜２４の上に、伝送路２５を設ける。光伝導膜上では、伝送路と５μｍの間隔をあけてもう１つの伝送路２６を設けてある。この２つの伝送路は、アンテナと電極との機能を担うものである。電極の機能を担保するために、光伝導膜にバイアス電圧を印加するためにそれぞれ伝送路の端部に電極パッド２７が設けられている。レーザーを伝送路間で形成する間隔部分に照射されることによって、光伝導膜からテラヘルツ波が発生する。

また、電極の配置として、バイアス電圧を光伝導膜の膜厚方向に印加できるものであってもよい。このように電圧を印加する方向は、デバイスによって選択できる。例えば、ＧＮＤ層となる金属層の上に、光伝導膜を成膜し、その上にＢＣＢを積層させる。そして、パターニングでＢＣＢの一部を除去し、光伝導膜を露出させる。その上に、電極パッドと接続した伝送路を設ける構成がある。５０Ω系の伝送路でＢＣＢを５μｍの厚みで積層した場合は、伝送路の金属幅は１０μｍを用いている。

特に、フェムト秒レーザー励起による光伝導素子からのテラヘルツ波の発生は、フェムト秒レーザーの要請から数ｐｓｅｃのパルス幅で数１０ＭＨｚの繰り返し周波数にて放射される。つまり１０^−１２秒のパルス幅の電磁波が１０^−８秒の時間間隔で放射されるというタイムスケールであり、時間的にはテラヘルツ波の存在していない領域がほとんどである。つまり、この測定上では空白な時間領域を有効利用して複数の検体を同時に測定することも可能であり、光伝導素子の応用の一例として適している。

（電磁波結合部）
電磁波結合部とは、アンテナのことであり、空間を伝播してきた電磁波を電磁波伝送路へ伝播させるために、電磁波を結合するために用いる。本発明では、図８に示すパッチアンテナ８１が好適に用いられる。この場合は、電磁波発生部として、後進行波管などの基板上に一体化することが難しい大きな電磁波発生器を用いることができるため、応用範囲が広がる。図８では、外部の電磁波発生部からのテラヘルツ波を集光するための光学系８２をもちいて、集光したテラヘルツ波をパッチアンテナに照射している。図８では、電磁波発生部を外部に設けた構成になっているが、電磁波検出部を外部に設けることも可能である。さらに、図９に示すように、電磁波発生部と電磁波検出部を外部に設けた構成も可能であり、この場合、２つの電磁波結合部と複数の電磁波伝送路と結合伝送路とが同一の基板上に形成された検査装置を提供する。

以上説明したように、本発明の構成を取ることにより、検体の数に対して少ない電磁波検出部の数で検出装置を提供することが可能になり、分析装置や血糖値などの検体をセンシングするセンサなどへの応用が期待される。

本発明の概念図本発明の実施形態の一例検出できる信号を示した図図２の構成で検出できる信号を示した図本発明の実施形態の一例（リファレンス用伝送路）図５の構成で検出できる信号を示した図本発明の実施形態の一例（誘電材料）本発明の実施形態の一例（外部電磁波発生器）本発明の実施形態の一例（空間結合器）本発明の実施形態の一例（液溜め構造）従来技術を示した図

符号の説明

１１電磁波伝送路
１２結合伝送路
１３電磁波検出部
２１電磁波発生部
２２基板
２３検体
２４光伝導膜
２５伝送路
２６伝送路
２７電極パット
５１リファレンス用伝送路
８１電磁波結合部
８２レンズ
１０１液溜め構造
１１１テラヘルツ波発生部
１１２テラヘルツ波検出部
１１３フィルタ部
１１４検体

Claims

３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数帯域を含む電磁波を用いて検体を検出する検出装置であって、
前記電磁波の伝搬遅延時間が異なる複数の電磁波伝送路と、
前記複数の電磁波伝送路から伝播してきた電磁波を同一の電磁波検出部に伝送するための結合伝送路と、
前記結合伝送路を伝播してきた電磁波を検出する電磁波検出部とを備え、
前記複数の電磁波伝送路は、ピコ秒オーダーのパルス幅の信号を時間的に分離できるように前記電磁波伝送路を構成する誘電体の誘電率が異なっており、
前記複数の電磁波伝送路及び前記結合伝送路が基板上に形成され、
少なくとも前記複数の電磁波伝送路のいずれかに検体を配した状態で電磁波を検出することを特徴とする検出装置。
前記電磁波伝送路に伝播させる電磁波を発生するための電磁波発生部を前記同一基板上に有することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
前記結合伝送路を伝播してきた電磁波を検出する前記電磁波検出部が、前記基板上に有することを特徴とする請求項１又は２記載の検出装置。
前記電磁波を前記電磁波伝送路又は空間と結合するための電磁波結合部を有し、前記電磁波結合部が前記基板上に有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出装置。
前記電磁波伝送路上に溶液から析出する検体を選択的に堆積させるための補助を行う液だめ構造を有す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出装置。
前記電磁波伝送路がマイクロストリップ線路構造又はコプレーナ型構造であることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の検出装置。