JP5418916B2

JP5418916B2 - 反射型イメージング装置

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Publication number: JP5418916B2
Application number: JP2010128416A
Authority: JP
Inventors: 直樹小田; 雄一小川; 巌寳迫; 徳彦関根
Original assignee: Kyoto University; NEC Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: Kyoto University; NEC Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: WO2011152285A1; US20130076912A1; JP2011252872A; US9071776B2

Description

本発明は、反射型イメージング装置に関し、特に、蛋白質などの生体高分子を検出するための２次元画像を生成する反射型イメージング装置に関する。

抗体医薬品の開発やアレルギー原因物質の特定などを目的として、蛍光免疫法、プラズモン共鳴法、光干渉などを用いて蛋白質の検出が行われており、近年では、テラヘルツ（以下、ＴＨｚと記載する。）波を利用した蛋白質の検出方法も提案されている。

例えば、サンプルに対して波長の異なるＴＨｚ波を照射すると、サンプルの電磁波吸収により特定波長のＴＨｚ波が吸収され、ＴＨｚ波の透過率の周波数特性は、サンプルの物性に応じた固有の波形となって現れることから、ＴＨｚ波の透過率を測定することによって蛋白質を検出することができる。

ＴＨｚ波の透過率を測定する方法としては、ＴＨｚ時間領域分光法（以下、ＴＨｚ−ＴＤＳと呼ぶ。）が知られている。このＴＨｚ−ＴＤＳでは、ＴＨｚ波発生器から出射したＴＨｚ波がサンプル上に集光照射され、その後、サンプルを透過したＴＨｚ波又はサンプルで反射したＴＨｚ波がＴＨｚ検出器に集光されて検出される。図１８は、近赤外光のフェムト秒パルスレーザー１０１を励起光源としたＴＨｚ時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ）システムで構成されたイメージングシステムである。

励起用レーザー１０１から出た近赤外光のフェムト秒パルスレーザーは、ビームスプリッター１０２によって分岐され、バイアス電圧１０４を印加されたＴＨｚパルス発生側アンテナ１０３よりＴＨｚ波パルスが発生する。発生したＴＨｚ波１０６は、放物面鏡１０５によってサンプルユニット１０７に集光しながら入射する。入射したＴＨｚ波１０６は、高比抵抗シリコン１０７ａと反射ミラー１０７ｃの間に挟まれたメンブレンサンプル１０７ｂに入射され、メンブレンサンプル１０７ｂを透過したＴＨｚ波は、反射ミラー１０７ｃで反射される。このサンプルユニット１０７は、ＸＹステージ１０８に固定されており、Ｘ、Ｙ方向にスキャンすることによってメンブレンサンプル１０７ｂの２次元画像を取得することが可能となる。

ここで、図１９に示すように、サンプルユニット１０７では、入射したＴＨｚ波パルス１０６に対して、高比抵抗シリコン１０７ａの下面で反射が生じる（１０９ａ）。次に、サンプル１０７ｂと高比抵抗シリコン１０７ａの間の界面で反射が生じる（１０９ｂ）。また、サンプル１０７ｂを透過した成分は、反射ミラー１０７ｃで反射する（１０９ｃ）。反射ミラー１０７ｃで反射した成分の一部は高比抵抗シリコン１０７ａ上面で再び反射し、再度サンプル１０７ｂを透過したのち反射ミラー１０７ｃで反射する（１０９ｄ）。これらの反射波１０９は、ＴＨｚ波受光側アンテナ１１０に集光されて検出される。

ＴＨｚ-ＴＤＳでは、ＴＨｚ波パルスの波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを得るため、時間遅延１１１を経由したＴＨｚ波がＴＨｚパルス受光側アンテナ１１０に到達した瞬間の電流値を電流計１１２で計測し、コンピュータ１１３に記録される。

上記メンブレンサンプル１０７ｂは、高分子の多孔質膜であるメンブレンフィルター上の微量生体高分子の検出を実現するものである。このメンブレンフィルターはＴＨｚ帯において透過性があり、多孔質であることから屈折率が低い材料である。そのため、メンブレンフィルター上に微量な生体高分子が付着すると、その部位の屈折率にも変化が生じる。

図２０は、上記システムによって得た時間波形をフーリエ変換した周波数スペクトルである。図２０に示すように、微量なストレプトアビジンの結合においても、干渉波形のシフトによって大きな透過率変化が得られる周波数が見られ、その周波数で切り出したデータを２次元画像化することによって、感度良く微量サンプルの検出が可能となる。図２１は、このようにして生成した２次元画像の一例である。

Yuichi Ogawa等、OPTICS EXPRESS Vol.16,No.26(2008)

しかしながら、上記方法では、ＸＹステージ１０８でサンプルを移動し、サンプル上の各点に対して、ＴＨｚ波パルス波形を検出し、フーリエ変換によって周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルを解析して大きな透過率変化が得られる周波数を特定し、その周波数で切り出したデータを画像化するといった処理を行うため、図２１に示したような２次元の画像を生成するためには膨大な時間（例えば、８時間程度）を要するという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ＴＨｚ波を利用する従来の方法に比べて、非常に短時間でサンプルの２次元画像を生成することができる反射型イメージング装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、サンプルユニットを保持するホルダーと、前記サンプルユニットの全面にテラヘルツ波を入射する光源及び光学系と、前記サンプルユニットの各部で反射したテラヘルツ波を検出する２次元アレイセンサを備えたカメラと、前記ホルダーを回転させて前記サンプルユニットに入射するテラヘルツ波の入射角を所定の角度範囲で可変すると共に、前記サンプルユニットで反射されたテラヘルツ波が前記カメラに集光されるように前記カメラを回転させる回転機構と、前記カメラから出力される信号を処理する処理装置と、を備える反射型イメージング装置であって、前記サンプルユニットは、テラヘルツ波の入射側から、テラヘルツ波を透過する入射部材と、サンプルと、テラヘルツ波を反射する反射部材と、を備え、前記サンプルは、所定の屈折率のメンブレンのみの第１の領域と、前記メンブレンに当該メンブレンとは屈折率が異なる対象物質を含む第２の領域と、を備え、前記カメラは、前記所定の角度範囲の各々の入射角に対して、前記サンプルユニットの各部の、前記入射部材と前記サンプルとの界面で反射した成分と前記サンプルと前記反射部材との界面で反射した成分とが干渉したテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた信号を出力し、前記処理装置は、前記第１の領域で干渉した第１のテラヘルツ波の信号が相対的に小さく、かつ、前記第２の領域で干渉した第２のテラヘルツ波の信号が相対的に大きい入射角を特定し、特定した入射角において前記カメラが検出して出力した信号に基づいて、前記サンプルの２次元画像を生成するものである。

本発明の反射型イメージング装置によれば、ＴＨｚ波を利用する従来の方法に比べて、非常に短時間（例えば、数分）で、サンプルの２次元画像を生成することができる。

その理由は、入射角を変えてサンプル全面にＴＨｚ波を照射し、メンブレンのみの領域及び生体高分子を含む領域の各々の領域で干渉したＴＨｚ波を２次元のＴＨｚ波カメラで検出し、メンブレンのみの領域で弱め合い、かつ、生体高分子を含む領域で強め合う入射角を特定し、その入射角で検出したデータを用いてサンプルの２次元画像を生成するからである。

本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置の構成を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置の構成を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置におけるＴＨｚ波光源とサンプルユニットとＴＨｚ波カメラの位置関係を示す図である。本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置で利用するサンプルユニットの構成を示す図である。サンプルユニットに入射したＴＨｚ波の光路を示す図である。ＴＨｚ波カメラで検出した信号の干渉波形（信号強度の入射角依存性）を示す図である。メンブレン（ＰＶＤＦ）の屈折率の周波数依存性を示す図である。メンブレン（ＰＶＤＦ）の吸収係数の周波数依存性を示す図である。サンプルの具体例を示す図である。９０μｍ厚のメンブレン（ＰＶＤＦ）における蛋白質の強め合う干渉の次数を示す図である。９０μｍ厚のメンブレン（ＰＶＤＦ）におけるメンブレンの弱め合う干渉の次数を示す図である。９０μｍ厚のメンブレン（ＰＶＤＦ）における視野の中心及び両端の入射角及び次数を示す図である。１５０μｍ厚のメンブレン（ＰＶＤＦ）における蛋白質の強め合う干渉の次数を示す図である。１５０μｍ厚のメンブレン（ＰＶＤＦ）におけるメンブレンの弱め合う干渉の次数を示す図である。１５０μｍ厚のメンブレン（ＰＶＤＦ）における視野の中心及び両端の入射角及び次数を示す図である。本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置の他の構成を示す図である。本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置の他の構成を示す図である。従来の試料分析システムの構成を模式的に示す図である。サンプルユニットに入射したＴＨｚ波の信号と光路を示す図である。従来の試料分析システムで求めた周波数スペクトルを示す図である。従来の試料分析システムで取得した２次元の画像例を示す図である。

背景技術で示したように、ＴＨｚ波の透過率を測定することによって蛋白質などの生体高分子を検出することができるが、従来の方法では、サンプルをＸＹ方向にスキャンしての２次元の画像を取得するため、測定に膨大な時間がかかるという問題があった。

そこで、本発明の一実施の形態では、ＴＨｚ波光源、サンプル回転機構、ＴＨｚ波カメラ、カメラ回転機構、処理装置を備えるシステムにおいて、これらの回転機構を用いて、サンプル内の干渉効果、つまり、サンプル内のある屈折率の物質（例えば、蛋白質）に対して強め合う干渉と、もう一つの屈折率の物質（例えば、メンブレン）に対して弱め合う干渉を実現するような入射角を見出し、その入射角で検出したデータを用いてサンプル全体のＴＨｚ画像を生成する。

すなわち、従来技術では、一定の入射角でサンプルにＴＨｚ波パルス波を照射し、その反射波をアンテナで受信し、受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、特定の物質に対して大きな透過率変化が得られる周波数を特定しているのに対して、本実施形態では、入射角を変えてサンプル全面にＴＨｚ波を照射し、メンブレンのみの領域及び生体高分子を含む領域の各々の領域で干渉したＴＨｚ波をＴＨｚ波カメラで検出し、メンブレンのみの領域で弱め合い、かつ、生体高分子を含む領域で強め合う入射角を特定する。

また、従来技術では、サンプルの一部にＴＨｚ波パルス波を照射し、ＸＹステージでスキャンすることによって２次元のサンプル画像を生成しているのに対して、本発明では、サンプル全体にＴＨｚ波を照射し、その干渉波を２次元のＴＨｚ波カメラで撮像することによって２次元のサンプル画像を生成している。

このように、本実施形態は従来技術とは手法が全く異なり、本実施形態の手法を用いることにより、非常に短時間（数分）で、サンプルの２次元画像を生成することができる。

上記した本発明の一実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る反射型イメージング装置について、図１乃至図１７を参照して説明する。図１及び図２は、本発明の反射型イメージング装置の構成を模式的に示す図であり、ＴＨｚ波の入射角を変えた状態を示している。また、図３は、反射型イメージング装置におけるＴＨｚ波光源とサンプルユニットとＴＨｚ波カメラの位置関係を示す図であり、図４は、サンプルユニットの構成を示す図である。また、図５は、サンプルユニットに入射したＴＨｚ波の光路を示す図であり、図６は、ＴＨｚ波カメラで検出したＴＨｚ波の干渉波形を示す図である。また、図７及び図８は、メンブレン（ＰＶＤＦ）の特性を示す図であり、図９乃至図１５は、実験結果を示す図、図１６及び図１７は、反射型イメージング装置の他の構成を示す図である。

図１及び図２に示すように、本実施例の反射型イメージング装置１０は、ＴＨｚ波光源２０と、液体窒素デュワー２１と、光学系３０と、カメラ回転機構４０と、サンプルホルダー回転機構４１と、サンプルホルダー４２と、ＴＨｚ波カメラ５０と、処理装置６０と、回転機構制御部７０などで構成される。

ＴＨｚ波光源２０は、光と電波の狭間にあるテラヘルツ周波数帯の電磁波（すなわち、周波数が１０^１２Ｈｚ、波長が略３０μｍから１ｍｍの電磁波）を発生する光源であり、例えば、ＱＣＬ（Quantum Cascade Laser）などである。このＴＨｚ波光源２０は、液体窒素などで冷却が必要な場合は、液体窒素デュワー２１が配置される。なお、ＴＨｚ波の周波数はＴＨｚ波カメラ５０で検出可能な周波数であればよいが、検出感度を高めるためにサンプルの基材となるメンブレンの特性を考慮することが好ましい。例えば、メンブレンとしてＰＤＶＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用いる場合、ＰＤＶＦの屈折率及び吸収係数は図７及び図８に示すような周波数依存性を示すことから、検出対象となる生体高分子との屈折率の差が大きく、伝搬中に吸収されにくい周波数（２．１〜２．７ＴＨｚ、３．５〜４．４ＴＨｚなど）を選択することができる。

光学系３０は、ＴＨｚ波光源２０から出射されたＴＨｚ波を、平行光としてサンプル全面に入射するための放物面鏡やミラーなどである。

カメラ回転機構４０は、一端にＴＨｚ波カメラ５０、他端にカウンターウエイトが配置された回転体を、サンプルホルダー４２を中心にして回転（微小回転角で断続的に回転若しくは連続的に回転）させるものである。また、サンプルホルダー回転機構４１は、サンプルホルダー４２を回転（微小回転角で断続的に回転若しくは連続的に回転）させるものである。また、サンプルホルダー４２は、後述するサンプルユニットを保持するものである。このカメラ回転機構４０とサンプルホルダー回転機構４１とは、サンプルホルダー４２がθ回転したときに上記回転体が２θ回転するように（すなわち、サンプルユニットで反射したＴＨｚ波が常にＴＨｚ波カメラ５０に入射するように）連動して動作する。

ＴＨｚ波カメラ５０は、例えば、サンプルユニットで反射したＴＨｚ波を集光する光学系と、集光したＴＨｚ波を検出するＴＨｚ波検出器などで構成される。ＴＨｚ波検出器は、例えば、ボロメータ薄膜を梁によって中空に保持した素子を２次元に配列したＴＨｚ波検出素子と、ＴＨｚ波検出素子を駆動する駆動回路と、ＴＨｚ波検出素子の出力を処理し、処理装置６０に送信する信号処理回路などで構成される。

処理装置６０は、ＴＨｚ波カメラ５０からの出力信号を処理するコンピュータ装置である。具体的には、サンプルホルダー回転機構４１及びカメラ回転機構４０によってサンプルホルダー４２及びＴＨｚ波カメラ５０を回転させたときの、各入射角におけるサンプル中のメンブレンのみの領域及び生体高分子を含む領域の各々の領域で干渉したＴＨｚ波の出力信号をＴＨｚ波カメラ５０から取得し、角度を振った時、生体高分子を含む領域では強め合う干渉により大きな信号が得られ、メンブレンのみの領域では弱め合う干渉により小さな信号が得られる入射角を特定し、特定した入射角で取得したサンプル各部の出力信号に基づいてサンプルの２次元画像を生成する処理を行う。この処理は、ハードウェアで実現してもよいし、処理装置６０に上記処理を実行させるプログラムで実現してもよい。

回転機構制御部７０は、サンプルホルダー回転機構４１を制御して、サンプルホルダー４２を予め定めた角度範囲で回転させると共に、カメラ回転機構４０を制御して、ＴＨｚ波カメラ５０を保持する回転体を倍の角度範囲で回転させる。図１は、入射角が小さい状態、図２は、入射角が大きい状態を示している。

図３は、ＴＨｚ波光源２０と、サンプルホルダー４２に保持されるサンプルユニット８０と、ＴＨｚ波カメラ５０の位置関係を示しており、ＴＨｚ波がサンプルユニット８０の法線方向に対してθの角度で入射した場合は、サンプルユニット８０で反射したＴＨｚ波もサンプルユニット８０の法線方向に対してθの角度で出射する。すなわち、入射光と出射光のなす角度は、入射光とサンプルユニット８０の法線方向との角度の倍となることから、サンプルユニット８０をθ１回転させた時は、ＴＨｚ波カメラ５０を保持する回転体を２×θ１回転させることになる。

なお、図１乃至図３は、本実施例の反射型イメージング装置１０の一例であり、入射角を変えてサンプルにＴＨｚ波を入射し、サンプルの各領域で干渉したＴＨｚ波を検出することができれば、その構成は適宜変更可能である。

次に、サンプルホルダー４２に保持されるサンプルユニット８０の構造について、図４を参照して説明する。

図４（ｂ）に示すように、サンプルユニット８０は、検査対象物質（本実施例では蛋白質などの生体高分子）が部分的に配置されたサンプル８２と、サンプル８２の第１の主面（図４（ｂ）において下側のＴＨｚ波入射側）に配置された入射部材８１と、第２の主面（図４（ｂ）において上側）に配置された反射部材８３（ミラー）とで構成され、サンプル８２が入射部材８１及び反射部材８３で挟まれた構造である。なお、図示していないが、サンプルユニット８０は、開口部を有する入射部材側の保持プレートと反射部材側の保持プレートとで挟まれており、双方の保持プレートはネジなどによって固定され、サンプル８２の第１の主面と第２の主面の平行度が保たれるようになっている。

上記入射部材８１は、高比抵抗シリコン（Ｓｉ）単結晶（比抵抗１０ｋΩ・ｃｍ以上）などのＴＨｚ波を透過する材料で形成される。ＳｉはＴＨｚ波帯における屈折率が３．４１５と一定であり、吸収係数は小さく、Ｓｉ内部でＴＨｚ波の損失をほぼ０と見なすことができる。なお、この入射部材８１の表面（ＴＨｚ波入射面）には無反射コート膜が形成されており、入射部材８１の表面でのＴＨｚ波の反射を抑制している。

また、反射部材８３は、サンプル８２によりも屈折率が大きく、ＴＨｚ波をほぼ１００％反射するミラーである。その他に、メタマテリアルのように負の屈折率を有する部材を用いることもできる。

また、サンプル８２は、図４（ａ）に示すように、ＰＶＤＦなどからなるメンブレンの一部の領域に蛋白質などの生体高分子を付着させたものである。このＰＶＤＦは多孔質の膜であり、図７に示すように、屈折率は約１．２〜１．３と小さく、そこに生体高分子が付着、浸透（深さは任意）することで屈折率が大きくなり、往復時の実効的な光路長が長くなることが予想される。

なお、図４は、本実施例のサンプルユニット８０の一例であり、入射部材８１、サンプル８２，反射部材８３の形状や材料、サンプル８２中における生体高分子の配置、大きさなどは適宜変更可能である。

次に、サンプルユニット８０内でのＴＨｚ波の伝搬経路について、図５を参照して説明をする。以下の説明において、入射部材８１の厚みをｄ_１、屈折率をｎ_１とする。また、サンプル８２の厚みをｄ_２，サンプル８２中のメンブレンのみの領域８２ａの屈折率をｎ_２、生体高分子を含む領域８２ｂの屈折率をｎ_２'とする。

また、反射部材８３とサンプル８２の間の境界を第１界面と呼び、サンプル８２と入射部材８１の間の境界を第２界面と呼び、入射部材８１と大気との間の境界を第３界面と呼ぶ。さらに第１界面にて生じる反射波を第１面反射波と呼び、第２界面にて生じる反射波を第２面反射波と呼ぶ。本実施例では、第１界面にて生じる第１面反射波、及び、第２界面にて生じる第２面反射波の干渉を利用してサンプル８２を分析することを特徴としている。以下、具体的に説明する。

［生体高分子を含む領域８２ｂに入射するＴＨｚ波］
入射部材８１の外側（Ｘ点）から入射角θで入射したＴＨｚ波は、Ｏ'点で第３界面を通過し、第１の角度（θ_１）で入射部材８１内を伝搬する。この第１の角度は、大気と入射部材８１の誘電率の違いにより決定される。入射部材８１内の伝搬波の一部はＡ'点でサンプル８２中の生体高分子を含む領域８２ｂに入射し、残りの一部は第２界面にて反射して反射波となる。反射波は第３界面を通過してＣ点を経由してＸ１点に出射される。

一方、生体高分子を含む領域８２ｂに入射した伝搬波は、第２の角度（θ_２'）で当該領域内を伝搬する。この第２の角度は、入射部材８１と生体高分子を含む領域８２ｂの誘電率の違いにより決定される。生体高分子を含む領域８２ｂ内の伝搬波はＢ'点において第１界面で反射され、反射波となる。この反射波の一部は第２界面で反射し、残りの一部は第２界面を通過し、更に第３界面のＣ'点を通過してＸ２点に出射される。

［メンブレンのみの領域８２ａに入射するＴＨｚ波］
入射部材８１の外側（Ｙ点）から入射角θで入射したＴＨｚ波は、Ｏ点で第３界面を通過し、上記と同様の第１の角度（θ_１）で入射部材８１内を伝搬する。入射部材８１内の伝搬波の一部はＡ点でサンプル８２中のメンブレンのみの領域８２ａに入射し、残りの一部は第２界面にて反射して反射波となる。反射波は第３界面を通過してＤ点を経由してＹ１点に出射される。

一方、メンブレンのみの領域８２ａに入射した伝搬波は、第３の角度（θ_２）で当該領域内を伝搬する。この第３の角度は、入射部材８１とメンブレンのみの領域８２ａの誘電率の違いにより決定される。メンブレンのみの領域８２ａ内の伝搬波はＢ点において第１界面で反射され、反射波となる。この反射波の一部は第２界面で反射し、残りの一部は第２界面を通過し、更に第３界面のＤ'点を通過してＹ２点に出射される。

ここで、生体高分子を含む領域８２ｂに入射するＴＨｚ波の光路Ｘ−Ｘ１、Ｘ−Ｘ２の光路長は、
光路長Ｏ'−Ａ'−Ｃ＝２ｎ_１ｄ_１／ｃｏｓθ_１＋２ｄ_２ｔａｎθ_２'ｓｉｎθ
光路長Ｏ'−Ａ'−Ｂ'−Ｃ'＝２ｎ_１ｄ_１／ｃｏｓθ_１＋２ｎ_２'ｄ_２／ｃｏｓθ_２'
であり、
光路差長＝２ｎ_２'ｄ_２／ｃｏｓθ_２'−２ｄ_２ｔａｎθ_２'ｓｉｎθ … （１）
となる。

同様に、メンブレンのみの領域８２ａに入射するＴＨｚ波の光路Ｙ−Ｙ１、Ｙ−Ｙ２の光路長は、
光路長Ｏ−Ａ−Ｄ＝２ｎ_１ｄ_１／ｃｏｓθ_１＋２ｄ_２ｔａｎθ_２ｓｉｎθ
光路長Ｏ−Ａ−Ｂ−Ｄ'＝２ｎ_１ｄ_１／ｃｏｓθ_１＋２ｎ_２ｄ_２／ｃｏｓθ_２
であり、
光路差長＝２ｎ_２ｄ_２／ｃｏｓθ_２−２ｄ_２ｔａｎθ_２ｓｉｎθ … （２）
となる。

ｃｏｓθ_２とｔａｎθ_２は、ｎ_１とｎ_２により一意に決まり、ｃｏｓθ_２'とｔａｎθ_２'は、ｎ_１とｎ_２'により一意に決まるため、各々の光路差長はθの関数となる。従って、サンプルホルダー回転機構４１でサンプルユニット８０を回転させると共に、カメラ回転機構４０でＴＨｚ波カメラ５０を回転させながら、各々の領域で反射されたＴＨｚ波を検出すると、各々の領域の信号は入射角に応じて強弱を繰り返す干渉波となる。

図６は、入射角を振ったときのＴＨｚ波カメラ５０の信号強度を示しており、生体高分子を含む領域８２ｂで反射したＴＨｚ波の信号（太線）と、メンブレンのみの領域８２ａで反射したＴＨｚ波の信号（細線）とは、ｎ_２とｎ_２'の違いに応じて周期が異なる干渉波となる。

そこで、処理装置６０は、各入射角においてＴＨｚ波カメラ５０から出力される信号をメモリ等に記憶しておき、角度を振ったときに、生体高分子を含む領域８２ｂで干渉したＴＨｚ波の信号（太線）が干渉波の山で、メンブレンのみの領域８２ａで干渉したＴＨｚ波の信号（細線）が干渉波の谷となる角度（例えば、図の矢印の入射角）を特定する。なお、上記条件を満たす入射角が複数存在する場合は、その中から、生体高分子を含む領域８２ｂで干渉したＴＨｚ波の信号が最も大きいものを選択したり、双方の信号の比率が最も大きいものを選択すればよい。

そして、処理装置６０は、予めメモリ等に記憶した、特定した入射角においてＴＨｚ波カメラ５０から出力された信号（若しくは、入射角を特定した後に、回転機構制御部７０を制御してサンプルホルダー４２及びＴＨｚ波カメラ５０の角度を調整し、特定した入射角においてＴＨｚ波カメラ５０から出力される信号）を処理し、サンプル８２の各点の信号強度の分布を示す２次元画像（例えば、従来技術の図２１に示すような２次元画像）を生成する。

このように、生体高分子を含む領域８２ｂで干渉したＴＨｚ波の信号がメンブレンのみの領域８２ａで干渉したＴＨｚ波の信号に対して相対的に大きくなる入射角を特定することにより、生体高分子を含む領域８２ｂとメンブレンのみの領域８２ａの信号のコントラストを高めることができ、例えば、生体高分子の付着量が少ないときや生体高分子とメンブレンの屈折率の違いが小さいときであっても、生体高分子が付着した領域を確実に識別することができる。

また、本実施例の反射型イメージング装置１０では、サンプルユニット８０全体にＴＨｚ波が照射され、サンプルユニット８０の各部で干渉したＴＨｚ波がＴＨｚ波カメラ５０で一度に検出されるため、ＸＹステージでサンプルを走査する従来技術に比べて、格段に早くサンプルの２次元画像を生成することができる。

以下、メンブレンとしてＰＶＤＦを用い、生体高分子として蛋白質を付着させたサンプル８２について実験した結果を示す。本実験では、図９に示すように、サンプルユニット８０のサイズは４ｃｍ□であり、サンプルユニット８０とＴＨｚ波カメラ５０の間隔は２０ｃｍとした。このとき、サンプル８０の両端を望む角度は±５．７５°である。また、ＴＨｚ波の周波数は３．１ＴＨｚ（９７μｍ）であり、この周波数において、蛋白質の屈折率は１．４、ＰＶＤＦの屈折率は１．２である。

図１０乃至図１２は、９０μｍ厚のＰＶＤＦを用いた場合の結果である。図１０は、蛋白質を含む領域における光路Ｘ−Ｘ１、Ｘ−Ｘ２の光路差長（式１）をＴＨｚ波の波長（９７μｍ）で割った値の入射角依存性を示す図であり、入射角が６３度の場合に、強め合う干渉の次数がほぼ２となる（光路差長がＴＨｚ波の半波長の偶数倍となる）ことを示している。一方、図１１は、メンブレンのみの領域における光路Ｙ−Ｙ１、Ｙ−Ｙ２の光路差長（式２）をＴＨｚ波の波長（９７μｍ）で割った値から１／２を減算した値の入射角依存性を示す図であり、入射角が６２．５度の場合に、弱め合う干渉の次数がほぼ１となる（光路差長がＴＨｚ波の半波長の奇数倍となる）ことを示している。

図１０及び図１１より、入射角を６３度とすれば、蛋白質を含む領域の干渉波が山となり、メンブレンのみの領域の干渉波が谷となって、蛋白質を含む領域を確実に識別することができる。

また、図１２は、サンプルの中央と、一方の端部（入射角が６３−５．７５＝５７．２５度）と、他方の端部（入射角が６３＋５．７５＝６８．２５度）における強め合う干渉の次数（ｍ’）と弱め合う干渉の次数（ｍ）をまとめたテーブルである。図１２より、一方の端部の強め合う干渉の次数は２．０８、弱め合う干渉の次数は１．０９であり、他方の端部の強め合う干渉の次数は１．９４、弱め合う干渉の次数は１．０４であり、サンプルの中央とは多少のずれが生じる。しかしながら、この程度のずれであれば、蛋白質を含む領域を識別可能であるため、中央に対して特定した入射角をサンプル全体に適用することができる。

図１３乃至図１５は、１５０μｍ厚のＰＶＤＦを用いた場合の結果である。図１３は、蛋白質を含む領域における光路Ｘ−Ｘ１、Ｘ−Ｘ２の光路差長（式１）をＴＨｚ波の波長（９７μｍ）で割った値の入射角依存性を示す図であり、入射角が３２．５度の場合に、強め合う干渉の次数が４となる（光路差長がＴＨｚ波の半波長の偶数倍となる）ことを示している。一方、図１４は、メンブレンのみの領域における光路Ｙ−Ｙ１、Ｙ−Ｙ２の光路差長（式２）をＴＨｚ波の波長（９７μｍ）で割った値から１／２を減算した値の入射角依存性を示す図であり、入射角が２３．５度の場合に、弱め合う干渉の次数が３となる（光路差長がＴＨｚ波の半波長の奇数倍となる）ことを示している。

図１３及び図１４より、入射角を３２．５度と２３．５度の平均である２８度とすれば、蛋白質を含む領域の干渉波がほぼ山となり、メンブレンのみの領域の干渉波がほぼ谷となって、蛋白質を含む領域を確実に識別することができる。

また、図１５は、サンプルの中央と、一方の端部（入射角が２８−５．７５＝２２．２５度）と、他方の端部（入射角が２８＋５．７５＝３３．７５度）における強め合う干渉の次数（ｍ’）と弱め合う干渉の次数（ｍ）をまとめたテーブルである。図１５より、一方の端部の強め合う干渉の次数は４．１７、弱め合う干渉の次数は３．０２であり、他方の端部の強め合う干渉の次数は３．９７、弱め合う干渉の次数は２．７９であり、９０μｍ厚のＰＶＤＦを用いた場合よりもずれは大きくなる。この場合、中央に対して特定した入射角をサンプル全体に適用してもよいが、蛋白質を含む領域をより正確に識別するために、ＰＶＤＦの厚みを調整したり、サンプルを複数の領域（中央領域及び各端部領域）に分割し、各領域に対して最適な入射角を特定して２次元画像を生成し、各領域の２次元画像を合成してサンプル全体の２次元画像を生成したりすることが好ましい。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、その構成や制御は適宜変更可能である。

例えば、ＴＨｚ波光源２０として、ＱＣＬ（Quantum Cascade Laser）やＢＷＯ（Backward Wave Oscillator）のようにコヒーレンシーが高い単色光源を使用する場合、ＴＨｚ波光源２０からの照射光に干渉パターンが発生し、画像取得の際に問題が生じる。そこで、このような単色光源を使用する場合は、図１６に示すように、ＲＰＰ（Random Phase Plate）３１を挿入し、コヒーレンシーをなくして干渉パターンを除去することができる。

また、ＴＨｚ波光源２０として、黒体炉や高圧Ｈｇランプのようなコンティニューム光源を使用する場合、図１７に示すように、バンドパスフィルタ−（ＢＰＦ：Band-pass filter）３２を挿入し、可干渉性を向上させることができる。

また、上記実施例では、蛋白質などの生体高分子を検出する場合について記載したが、基材に対して屈折率が異なる任意の物質を検出する場合に対して、同様に適用することができる。

本発明は、屈折率が異なる領域を検出するシステムに利用可能である。特に、蛋白質などの生体高分子をメンブレンに部分的に吸着させたサンプルにおいて、生体高分子を含む領域を検出するシステムに利用することができ、創薬分野において候補物質を迅速に探査するスクリーニングに利用することができる。

１０反射型イメージング装置
２０ＴＨｚ波光源
２１液体窒素デュワー
３０光学系
３１ＲＰＰ（Random Phase Plate）
３２ＢＰＦ（Band-pass filter）
４０カメラ回転機構
４１サンプルホルダー回転機構
４２サンプルホルダー
５０ＴＨｚ波カメラ
６０処理装置
７０回転機構制御部
８０サンプルユニット
８１入射部材
８２サンプル
８２ａメンブレンのみの領域
８２ｂ生体高分子を含む領域
８３反射部材

Claims

サンプルユニットを保持するホルダーと、前記サンプルユニットの全面にテラヘルツ波を入射する光源及び光学系と、前記サンプルユニットの各部で反射したテラヘルツ波を検出する２次元アレイセンサを備えたカメラと、前記ホルダーを回転させて前記サンプルユニットに入射するテラヘルツ波の入射角を所定の角度範囲で可変すると共に、前記サンプルユニットで反射されたテラヘルツ波が前記カメラに集光されるように前記カメラを回転させる回転機構と、前記カメラから出力される信号を処理する処理装置と、を備える反射型イメージング装置であって、
前記サンプルユニットは、テラヘルツ波の入射側から、テラヘルツ波を透過する入射部材と、サンプルと、テラヘルツ波を反射する反射部材と、を備え、前記サンプルは、所定の屈折率のメンブレンのみの第１の領域と、前記メンブレンに当該メンブレンとは屈折率が異なる対象物質を含む第２の領域と、を備え、
前記カメラは、前記所定の角度範囲の各々の入射角に対して、前記サンプルユニットの各部の、前記入射部材と前記サンプルとの界面で反射した成分と前記サンプルと前記反射部材との界面で反射した成分とが干渉したテラヘルツ波を検出し、検出したテラヘルツ波の強度に応じた信号を出力し、
前記処理装置は、前記第１の領域で干渉した第１のテラヘルツ波の信号が相対的に小さく、かつ、前記第２の領域で干渉した第２のテラヘルツ波の信号が相対的に大きい入射角を特定し、特定した入射角において前記カメラが検出して出力した信号に基づいて、前記サンプルの２次元画像を生成する、ことを特徴とする反射型イメージング装置。
前記特定した入射角では、前記第１のテラヘルツ波の信号が干渉波形の谷となり、前記第２のテラヘルツ波の信号が干渉波形の山となる、ことを特徴とする請求項１に記載の反射型イメージング装置。
前記入射部材のテラヘルツ波入射側の表面に無反射コート膜が形成され、前記無反射コート膜により、前記入射部材の前記表面でのテラヘルツ波の反射が抑制される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型イメージング装置。
前記光源は単色光源であり、前記光源と前記サンプルユニットとの間のテラヘルツ波の光路にＲＰＰ（Random Phase Plate）が配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の反射型イメージング装置。
前記光源はコンティニューム光源であり、前記光源と前記サンプルユニットとの間のテラヘルツ波の光路にＢＰＦ（Band-pass filter）が配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の反射型イメージング装置。
前記メンブレンはＰＤＶＦ（ポリフッ化ビニリデン）であり、前記対象物質は蛋白質である、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の反射型イメージング装置。