JP6117506B2 - テラヘルツ波測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波測定装置及び方法に関する。

現在、実用レベルでの生体関連物質などの測定対象の検出には、蛍光や酵素による発色反応などの標識を用いた検出方法が主に用いられている。しかし、これらの検出方法は、一次抗体を反応させるだけでなく、さらに二次抗体や標識物質を反応させ、発色や蛍光などで測定対象を検出する必要があるため、手間がかかり、数時間以上の検出時間を要する場合がある。また、標識分子の立体障害による反応影響などの問題も存在する。さらに、標識化が困難な、または非常に高価な測定対象も存在する。従って、標識化を行うことなく生体関連物質などの測定対象を検出可能なラベルフリー検出法が望まれている。

ここで、テラヘルツ波はエネルギー領域が分子間振動に相当するため、ラベルフリー検出への応用が期待されている。

テラヘルツ波を用いたセンシング装置として、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数領域内の周波数を含む電磁波を用いて検体の情報を取得するために、導電体部、導電体部の一部または近傍に配置した周期的構造、及び検体を保持する検体保持部を備えたセンシング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のセンシング装置では、導電体部に電磁波を相互作用させるときに、検体保持部近傍に表面プラズモン共鳴が発生する条件の検体による変化を検出して、検体の情報を取得している。

また、テラヘルツ波を用いた全反射減衰法（Attenuated Total Reflection、ＡＴＲ法）による測定方法や、ＡＴＲ法を応用した測定方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−７８６２１号公報 国際公開第２０１０／０４４１９３号パンフレット

しかしながら、従来技術のテラヘルツ波を用いたラベルフリー検出は、乾燥させた試料を測定対象としている。測定対象の試料を水溶液とした場合には、テラヘルツ波が水溶液中を透過できない、という問題がある。これは、テラヘルツ波が水に対する吸収が大きいためである。

また、ＡＴＲ法を用いた手法では、測定対象の試料を水溶液とした場合にも適用可能であるが、測定されるテラヘルツ波のスペクトルは、特徴的なピークが表れない平坦なものとなり、高感度なテラヘルツ波の測定を行うことができない、という問題がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、測定対象への標識化を必要とせず、テラヘルツ波の測定を高感度に行うことができ、水溶液にも適用可能なテラヘルツ波測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ波測定装置は、テラヘルツ波を透過可能で、かつ試料が配置される基板と、少なくとも表面が導電性の材料で構成され、前記試料が配置される位置と離間して配置され、かつテラヘルツ波を透過する複数の透過部が所定周期で配列された導電性周期構造体と、入射されたテラヘルツ波を全反射する全反射面を前記導電性周期構造体との界面に備え、入射されたテラヘルツ波を前記全反射面方向に導波する導波体と、を含み、前記全反射面での全反射により前記導波体から射出されたテラへルツ波が、所定の周波数帯域で特徴的な吸収を示すように、前記試料が配置される位置と前記導電性周期構造体との距離、前記基板の物性、及び前記所定周期の少なくとも一つの大きさを定めている。基板の物性は、例えば、誘電率または屈折率である。

また、前記基板の前記試料が配置される面と反対の面側に、前記導電性周期構造体を配置することができる。

また、前記基板と前記導電性周期構造体とを密着して配置することができる。例えば、圧力を加えて、基板と導電性周期構造体とを密着させることができる。

また、前記基板と前記導電性周期構造体、または前記導波体と前記導電性周期構造体とを一体として構成することができる。例えば、基板または導波体の表面に導電性周期構造体を蒸着したり、導電性周期構造体のパターンを印刷したりすることにより、一体として構成することができる。

また、前記基板と前記導波体との間に前記導電性周期構造体を狭持し、圧力を加えて前記基板と前記導電性周期構造体、及び前記導電性周期構造体と前記導波体との各々を密着させることができる。

また、前記基板を、前記試料が配置される流路を有するマイクロＴＡＳとして構成することができる。この場合、マイクロＴＡＳ内の流路と導電性周期構造体とが離間するように構成する。

また、前記導電性周期構造体をワイヤーグリッド構造またはメタルメッシュ構造とすることができる。また、前記導波体をプリズムとすることができる。また、前記基板をガラスまたはプラスチックとすることができる。

また、本発明のテラヘルツ波測定方法は、上記のテラヘルツ波測定装置を用いて、測定対象物質と特異的に結合する結合体を含む基準試料に対するテラヘルツ波の振幅スペクトル及び位相スペクトルの少なくとも一方である基準スペクトルを測定し、前記テラヘルツ波測定装置を用いて、前記基準試料に前記測定対象物質を加えた対象試料、または測定対象物質の含有が未知の対象試料に対するテラヘルツ波の振幅スペクトル及び位相スペクトルの少なくとも一方である対象スペクトルを測定し、前記基準スペクトル及び前記対象スペクトルの各々における特徴的な吸収を示す周波数帯域、及び該周波数帯域における信号強度の少なくとも一方に基づいて、前記測定対象物質の検出、同定、または特性の解析を行う方法である。

以上説明したように、本発明のテラヘルツ波測定装置及び方法によれば、測定対象への標識化を必要とせず、テラヘルツ波の測定を高感度に行うことができ、水溶液にも適用させることができる、という効果が得られる。

第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置の構成を示す概略図である。 導電性周期構造体の構成を示す概略図である。 導波体の形状の他の例を示す概略図である。 導波体の形状の他の例を示す概略図である。 従来のＡＴＲ法によるＢＳＡ溶液の測定結果の一例を示すグラフである。 基板の厚み変化に対する測定結果の一例を示すグラフである。 基板の誘電率変化に対するＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果を示すグラフである。 テラヘルツ波測定装置の他の構成を示す概略図である。 テラヘルツ波測定装置の他の構成を示す概略図である。 試料を配置する位置と導電性周期構造体との距離変化に対するＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果を示すグラフである。 試料を配置する位置と導電性周期構造体との距離変化に対するＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果を示すグラフである。 ＢＳＡの濃度変化に対する測定結果の一例を示すグラフである。 第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置の構成を示す概略図である。 導電性周期構造体の垂直配置を説明するための概略図である。 実施例１におけるレクチンと糖鎖との相互作用に関する測定結果（乾燥試料）の一例を示すグラフである。 図１５におけるディップ周波数とディップ周波数におけるＡＴＲとの関係を示すグラフである。 実施例１におけるレクチンと糖鎖との相互作用に関する測定結果（ＰＢＳ溶液）の一例を示すグラフである。 図１７におけるディップ周波数とディップ周波数におけるＡＴＲとの関係を示すグラフである。 実施例１におけるレクチンとグルコースとの相互作用に関し、グルコース濃度を変化させた場合の測定結果（ＰＢＳ溶液）の一例を示すグラフである。 図１９におけるディップ周波数とディップ周波数におけるＡＴＲとの関係を示すグラフである。 実施例１におけるＢＳＡの濃度変化に対する測定結果の一例を示すグラフである。 実施例２におけるレクチンとグルコースとの相互作用に関し、グルコース濃度を変化させた場合の測定結果（ＰＢＳ溶液）の一例を示すグラフである。 導電性周期構造体の平行配置を説明するための概略図である。 導電性周期構造体の向きをテラヘルツ波の進行方向に平行に配置した場合における測定結果の一例を示すグラフである。 テラヘルツ波をＳ偏光で導波体へ入射した場合における測定結果の一例を示すグラフである。 導電性周期構造体の他の構成を示す概略図である。 図２６の導電性周期構造体を用いた場合の測定結果の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜本実施の形態の概要＞
まず、本実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置の概要について説明する。

本実施の形態では、テラヘルツ波を用いたＡＴＲ法をベースとしている。一般的なＡＴＲ法は、試料を屈折率の大きい媒質結晶に密着させ、光の入射角を臨界角より大きくとり、試料と媒質結晶との界面で全反射を生じさせる。全反射が生じるとき、試料側に浸透するエバネッセント波が発生する。エバネッセント波は全反射面に対して垂直方向の非拡散光であり、かつ大きな電界振幅特性を有する。試料の分子構造に応じて、エバネッセント波との相互作用によりエバネッセント波が吸収され、反射光の強度が減少する。この反射光を測定することにより、ＡＴＲのスペクトルが得られ、試料の情報を取得することができる。

ここで、アミノ酸やサッカライドのような小さい分子は、テラヘルツ領域のスペクトルにおいて特徴的なピークを有する。しかしながら、水溶液中での小さい分子は、テラヘルツ領域のスペクトルにおいて特徴的なピークを失う。これは、吸収ピークが分子間振動モードによって引き起こされるからであり、水和現象の変化や、水の集団的な動きは、水溶液を試料とした場合のスペクトルに影響を与える。

そこで、本実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置は、ＡＴＲ法におけるテラヘルツ波の全反射面に、テラヘルツ波を透過する複数の透過部が所定周期で配列された導電性周期構造体を備えた構成となっている。この構成により、特徴的な吸収を示す周波数帯域をテラヘルツ波のスペクトルに形成する。以下、各実施の形態について詳述する。

＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０は、試料５０が配置される基板１２、テラヘルツ波を透過する透過部（開口）が周期的に配列された導電性周期構造体１４、テラヘルツ波を導電性周期構造体１４との界面で全反射させるための導波体１６、及び基板１２と導電性周期構造体１４と導波体１６とを密着固定させるためのトルクレンチ１８を含んで構成されている。

基板１２は、テラヘルツ波を透過可能で、一方の面に試料５０を固定化することができるものであればよい。例えば、ガラスやプラスチックなどを用いることができる。

導電性周期構造体１４は、図２に示すように、同一幅の導電性材料が所定周期ｇで配列されることにより、テラヘルツ波を透過する複数の透過部（開口）が開口幅ｏ毎の所定周期で配列されたワイヤーグリッド構造となっている。導電性周期構造体１４の材質は、少なくとも表面が導電性のあるもの（１０^６Ωｃｍ程度以下）であればよく、金属や半導体などの無機物に限定されない。

導波体１６は、例えば、高抵抗Ｓｉダブプリズム等のプリズムを用いることができるが、これに限定されず、導電性周期構造体１４との界面でテラヘルツ波の全反射面を構成するものであればよい。形状についても、図１に示すような平面視三角形の形状に限らず、例えば、図３または図４に示すような形状のものを用いてもよい。ここでは、テラヘルツ波はＰ偏光で導波体１６に入射される場合について説明する。

トルクレンチ１８は、基板１２と導波体１６との間に導電性周期構造体１４を狭持した状態で、圧力を加えることにより、基板１２と導電性周期構造体１４、及び導電性周期構造体１４と導波体１６との各々を密着させる。テラヘルツ波は波長が３０μｍ〜３ｍｍ程度であるため、基板１２と導電性周期構造体１４との間、及び導電性周期構造体１４と導波体１６との間には化学的または物理的な結合は必要なく、各々が単に密着していればよい。トルクレンチ１８は、基板１２に試料５０が配置される部分を中空とし、テラヘルツ波の測定に影響を与えない構造とする。

ここで、図５に、導電性周期構造体１４を用いない従来のＡＴＲ手法により測定したウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の水溶液中での濃度変化（０（Ｗａｔｅｒ）、１、５、５０、１５０ｍｇ／ｍｌ）に伴うテラヘルツ波のスペクトルを示す。図５の縦軸は、各試料について測定されたテラヘルツ波のエネルギー（強度）Ｅ_{ｓａｍｐｌｅ}を、所定のベース測定時に取得されたテラヘルツ波のエネルギーＥ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}で除した値であり、以下、この値を「ＡＴＲ」という。図５に示すように、水溶液中でのＢＳＡのテラヘルツ波のスペクトルは、特徴的なピークが存在しない平坦なスペクトルとなる。

次に、図６に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０で、基板１２上に試料５０を配置しない状態で測定したテラヘルツ波のスペクトルの測定結果の一例を示す。図６の例では、導電性周期構造体１４の周期ｇを１２０μｍ、開口幅ｏを６０μｍとし、基板１２の厚さを、それぞれ１４０μｍ（１枚のカバーガラス）、２８０μｍ（１４０μｍの厚みのカバーガラス２枚）、及び９００μｍ（１枚のスライドガラス）としている。

図６に示すように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０で測定したテラヘルツ波のスペクトルには、所定の周波数帯域においてディップが形成される。このディップが形成される周波数帯域（以下、「ディップ周波数」という）は、基板１２の厚みが増大するに伴い低周波数側にシフトする。図６の例では、基板の厚みが１４０μｍの場合でディップ周波数０．５３８２ＴＨｚ、２８０μｍの場合で０．４８９２ＴＨｚ、９００μｍの場合で０．４４０３ＴＨｚとなっている。この結果は、ディップ周波数が導電性周期構造体の表面から数１００μｍ近くの状態に対して敏感に反応することを示す。

スペクトル中にディップ（周波数）が発生する由来の１つとして、導電性周期構造体上の表面波が報告されている（参考文献：T. Okada, K. Ooi, Y. Nakata, K. Fujita, K. Tanaka, and K. Tanaka, Optics letters 35(2010) 1719.）。導電性周期構造体が薄い導電性ワイヤーグリッド構造の場合において、この表面波の分散関係式は、モード展開法を用いて下記（１）式のように表される。

ここで、ｆ_ｄｉｐはディップ周波数、ｃは真空中の光速、ｇは導電性周期構造体の周期、εは導波体１６（プリズム）の屈折率、θは全反射に関する入射角である。例えば、ｇが１２０μｍ、√εが３．４２、θが５１．６°の場合、ディップ周波数ｆ_ｄｉｐは０．６７９ＴＨｚとして得られる。

また、図７に、基板１２の誘電率ε_１を変化させた場合のスペクトルを、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method）によりシミュレーションした結果を示す。図７に示すように、基板１２の誘電率ε_１が大きくなるに従って、ディップ周波数が低周波側にシフトし、かつディップ周波数におけるＡＴＲが減少する（ディップが深くなる）。

このように、導電性周期構造体１４の周期、基板１２の厚み、及び基板１２の物性（誘電率または屈折率）等によって、ディップ周波数及びディップの形状をコントロールすることができる。

なお、ここでは、基板１２と導電性周期構造体１４とを密着させて、試料５０が配置される位置と導電性周期構造体１４との距離を、基板１２の厚みで制御する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、導電性周期構造体１４上に設けた基板２１２と試料５０を配置する基板２１２との間にスペーサ１３を設けてもよいし、図９に示すように、内部に空洞が形成された基板３１２を用いてもよい。図１０及び図１１に、試料５０が配置される位置と導電性周期構造体１４との距離を変化させた場合のスペクトルを、ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした結果を示す。図１０及び図１１に示すように、試料５０が配置される位置と導電性周期構造体１４との距離が小さくなるに従って、ディップ周波数におけるＡＴＲが減少する（ディップが深くなる）。

また、図１２に、導電性周期構造体１４の周期ｇを１２０μｍ、開口幅ｏを６０μｍとしたテラヘルツ波測定装置１０を用いて測定した、ＢＳＡの濃度変化（試料なし、０（ｗａｔｅｒ）、１、３ｍＭ）に伴う溶液中のテラヘルツ波のスペクトルを示す。ＢＳＡ濃度が増大するに従って、ディップ周波数におけるＡＴＲは減少する。図１２の例では、ＢＳＡ濃度０場合でＡＴＲ０．５６９、１ｍＭの場合で０．５３６、３ｍＭの場合で０．４１７となっている。ディップ周波数におけるＡＴＲの変化は、ディップ周波数以外の周波数でのＡＴＲと比べて、ＢＳＡの濃度に応じて敏感に応答する。この結果は、ディップ周波数は他の周波数よりも敏感であることを表す。しかしながら、ＢＳＡの濃度変化に応じて、ディップ周波数自体はシフトしていない。この結果は、夾雑物によるディップ周波数のシフトは起こらないことを表す。

次に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０を用いたテラヘルツ波測定方法について説明する。

まず、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０を用いて、測定対象物質と特異的に結合する結合体を含む基準試料に対するテラヘルツ波の振幅スペクトル及び位相スペクトルの少なくとも一方であるスペクトルを測定し、このスペクトルを基準スペクトルとする。基準スペクトルには、導電性周期構造体１４の周期、基板１２の厚み、及び基板の物性（誘電率または屈折率）等によって定まるディップが形成される。

次に、同じテラヘルツ波測定装置１０を用いて、基準試料に測定対象物質を加えた対象試料、または測定対象物質の含有が未知の対象試料に対するテラヘルツ波の振幅スペクトル及び位相スペクトルの少なくとも一方であるスペクトルを測定し、このスペクトルを対象スペクトルとする。対象スペクトルにおいては、測定対象物質の含有の有無または含有量などに応じて、結合体と測定対象物質との相互作用により、ディップ周波数のシフトや、ディップ周波数におけるＡＴＲまたは位相差に変化が生じる。

このディップ周波数のシフトや、ディップ周波数におけるＡＴＲまたは位相差の変化を利用して、基準スペクトルにおけるディップ周波数及びディップ周波数におけるＡＴＲまたは位相差と、対象スペクトルにおけるディップ周波数及びディップ周波数におけるＡＴＲまたは位相差とを比較することにより、測定対象物質の存在を検出したり、測定対象物質の種類を同定したり、測定対象物質の濃度等の特性の解析を行ったりする。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置によれば、テラヘルツ波を用いたＡＴＲ法において、開口部を所定周期で配列した導電性周期構造体をテラヘルツ波の全反射面に配置することにより、全反射により測定されたテラヘルツ波のスペクトルにディップを形成することができる。また、試料が配置される位置と導電性周期構造体との距離、基板の物性（誘電率または屈折率）、及び導電性周期構造体の周期等を最適化することにより、ディップ周波数やディップの形状を制御することができる。このように、ＡＴＲ法をベースとし、テラヘルツ波のスペクトルにディップを形成するため、測定対象への標識化を必要とせず、テラヘルツ波の測定を高感度に行うことができ、試料を水溶液とした場合にも適用可能である。

また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置の構成は、全反射面と試料（結合体と測定対象試料との相互作用の反応場）との間に数十〜数百μｍのスペーサーを設けた構成となっているため、夾雑物のセンシング界面への非特異的吸着に起因するノイズ成分を抑制することができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置について説明する。なお、第２の実施の形態のテラヘルツ波測定装置において、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０と同一の部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１３に示すように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置２１０は、内部に試料５０が流入可能な流路を備えたマイクロＴＡＳ（Micro-Total Analysis System）１２ａ、マイクロＴＡＳ１２ａを挟むように配置された基板１２ｂ及び１２ｃ、導電性周期構造体１４、導波体１６、及びトルクレンチ１８を含んで構成されている。すなわち、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０の基板１２部分を、基板１２ｂ−マイクロＴＡＳ１２ａ−基板１２ｃとして構成している。

マイクロＴＡＳ１２ａは、テラヘルツ波を透過可能な材質であればよいが、特に、ポリエチレンを用いることにより、ガラスを用いた場合に比べて、マイクロＴＡＳ１２ａの厚みを薄くすることができる。

なお、第２の実施の形態では、マイクロＴＡＳ１２ａを基板１２ｂ及び１２ｃで挟む構成について説明したが、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０の基板１２に替えて、マイクロＴＡＳ１２ａのみを用いた構成としてもよい。

第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置２１０を用いたテラヘルツ波測定方法は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０を用いたテラヘルツ波測定方法と同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置によれば、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置による効果に加え、マイクロＴＡＳを用いることで、使用する試料の量を少なくすることができる。

また、本実施の形態の手法によれば、導電性周期構造体の近傍数百μｍの領域に電場増強効果を生み出して、深さ方向に数百μｍのセンシング領域をとることができるため、マイクロＴＡＳの流路の配置を、十分な自由度の下に設計することができる。

＜実施例１＞
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０に関する実施例１について説明する。

本実施例１では、図１に示した構成において、導電性周期構造体１４として、ステンレス（ＳＵＳ３０４）のワイヤーグリッドを用いる。ワイヤーグリッドの周期ｇを１２０μｍ、開口幅ｏを６０μｍ、厚みを５０μｍとし、図１４に示すように、ワイヤーグリッドの向きをＰ偏光のテラヘルツ波の進行方向に垂直な配置とする。また、導波体１６として、高抵抗Ｓｉダブプリズム（１０ｋΩｃｍ）を用いる。また、基板１２として、厚み約１０５μｍのカバーガラス（ＭＡＳコート、松浪硝子工業製）を用いる。ダブプリズム上にワイヤーグリッドを配置し、ワイヤーグリッド上にカバーガラスを配置する。ダブプリズム、ワイヤーグリッド、及びカバーガラスを、トルクレンチ１８により２０Ｎ・ｍにおいて密着固定する。測定領域を確保するため、トルクレンチ１８は直径５ｍｍの中空構造とする。この条件において、試料５０を基板１２上に配置せずに測定したテラヘルツ波のスペクトルにおいて、ディップ周波数０．５２６ＴＨｚが得られる。

実施例１に係るテラヘルツ波測定装置において、結合体をレクチン（ＣｏｎＡ）、測定対象試料を糖鎖（グリコーゲンまたはデキストラン）とし、レクチンと糖鎖との相互作用を、テラヘルツ波のスペクトルにより測定した。各試料は以下のプロセスにより準備した。

アミノ基で被覆したカバーガラスを、３０分間０．１ｍｇ／ｍｌのＣｏｎＡ溶液中に浸漬し、５分間超純水で洗浄した後、０．１ｍｇ／ｍｌのグリコーゲンのリン酸緩衝液（以下、リン酸緩衝液を「ＰＢＳ」とする）、０．１ｍｇ／ｍｌのデキストランのＰＢＳ、０．１ｍｇ／ｍｌのＢＳＡのＰＢＳ、０．１ｍｇ／ｍｌのグリコーゲンと０．１ｍｇ／ｍｌのＢＳＡのＰＢＳにてそれぞれ浸漬し、５分間超純水で洗浄した。

まず、上記の各試料を乾燥させて測定したテラヘルツ波の測定結果を図１５に示す。また、図１５におけるディップ周波数と、そのディップ周波数におけるＡＴＲとの関係を図１６に示す。ＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的な結合において、ディップ周波数はＣｏｎＡのみの状態（０．５５９３ＴＨｚ）と比較して、低周波数側へシフトする（０．５３９１ＴＨｚ）。これはＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的な結合の振動モードがテラヘルツ領域に存在するためと考えられる。ＣｏｎＡとＢＳＡとの非特異的な吸着においては、ディップ周波数はＣｏｎＡのみの状態と比較してシフトしなかった（０．５５９３ＴＨｚ）。これはＣｏｎＡとＢＳＡとが特異的に結合しない、または結合してもその量は僅かであることに拠るものと考える。

ＣｏｎＡとグリコーゲン及びＢＳＡの混合物との反応においては、ディップ周波数はＣｏｎＡのみの状態（０．５５９３ＴＨｚ）と比較して、低周波数側へシフトする（０．５４５８ＴＨｚ）。テラヘルツ波検出に関しては、特異的な結合は外部物質のようなバックグラウンドと区別されることが望まれるが、上記の結果は、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的な結合は、ＢＳＡのような夾雑物の混合物の下でも検出されることを表している。

ＣｏｎＡとデキストランとの特異的な結合においては、ディップ周波数はＣｏｎＡのみの状態（０．５５９３ＴＨｚ）と比較して、低周波数側へシフトし、かつＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的結合におけるディップ周波数（０．５３９１ＴＨｚ）よりもそのシフト量は小さい（０．５５２６ＴＨｚ）。これは、ＣｏｎＡとデキストランとの結合力（結合定数：１．５×１０^４Ｍ^−１）は、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合力（結合定数：１．４８×１０^６Ｍ^−１）よりも小さいことが知られており、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合量が、ＣｏｎＡとデキストランとの結合量よりも多いことに依るものと考えられる。

次に、上記の各試料を５０μｌのＰＢＳにより水溶液として測定したテラヘルツ波の測定結果を図１７に示す。また、図１７におけるディップ周波数と、そのディップ周波数におけるＡＴＲとの関係を図１８に示す。ＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的な結合において、ＰＢＳ溶液でのディップ周波数はＣｏｎＡのみの状態（０．５２５６ＴＨｚ）と比較して、高周波数側へシフトする（０．５５９３ＴＨｚ）。これは水溶液中でのＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的な結合の振動モードがテラヘルツ領域に存在し、さらに水和水の局在化が、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合に関与しているためと考えられる。ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合やカバーガラスの界面が水和されるために、ディップ周波数が高周波数側へシフトしたと考える。

さらに、ＰＢＳ溶液でのＣｏｎＡを０．１ｍｇ／ｍｌの一定濃度とした状態で、グリコーゲンの濃度変化（０．０１、０．０５、０．１、０．５ｍｇ／ｍｌ）に伴うＣｏｎＡとグリコーゲンとの相互作用に関するテラヘルツ波の測定結果を図１９に示す。また、図１９におけるディップ周波数と、そのディップ周波数におけるＡＴＲとの関係を図２０に示す。低濃度のグリコーゲン（０．０１ｍｇ／ｍｌ）においては、ディップ周波数が高周波数側へシフトする。一方、高濃度のグリコーゲン（０．０５ｍｇ／ｍｌ以下）においては、ディップ周波数が低周波数側へシフトする。これは、低濃度のグリコーゲンでは、水和水の局在化が、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合に関与しているためと考えられる。ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合やカバーガラスの界面が水和されるために、ディップ周波数は高周波数側へシフトしたと考える。高濃度のグリコーゲンでは、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的結合の振動モードがテラヘルツ領域内に存在するため、ディップ周波数は低周波数側へシフトし、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合により、屈折率が増大すると考えられる。

また、さらに、ＰＢＳ溶液でのＣｏｎＡを０．１ｍｇ／ｍｌの一定濃度とした状態で、ＢＳＡの濃度変化（０．１、１．０、１０、１００ｍｇ／ｍｌ）に伴うＣｏｎＡとＢＳＡとの相互作用に関するテラヘルツ波の測定結果を図２１に示す。ディップ周波数は、ＢＳＡ濃度が高くなってもシフトしない。これは、ＣｏｎＡとＢＳＡとは特異的に結合しない、または結合してもその量は僅かであることに拠るものと考える。

＜実施例２＞
第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置２１０に関する実施例２について説明する。

本実施例２では、図１３に示した構成において、全体の厚み１４０μｍのポリエチレン製のマイクロＴＡＳを、第１実施例と同様のカバーガラスで上下に挟んだ構成とする。マイクロＴＡＳは、トッププレート、流路、及び基板の積層（ラミネート）により構成され、トッププレート及び基板の材質はポリエチレン、厚みは５３μｍとする。流路はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びアクリル接着剤により作られ、その厚みは３４μｍとする。マイクロＴＡＳ中の測定部分は直径４ｍｍとする。その他の構成は実施例１と同様である。この条件において、マイクロＴＡＳ内に試料５０を流入せずに測定したテラヘルツ波のスペクトルにおいて、ディップ周波数０．５０５ＴＨｚが得られる。

実施例２に係るテラヘルツ波測定装置において、結合体をレクチン（ＣｏｎＡ）、測定対象試料を糖鎖（グリコーゲン）とし、レクチンと糖鎖との相互作用を、テラヘルツ波のスペクトルにより測定した。各試料は以下のプロセスにより準備した。

ＰＢＳ溶液内での濃度０．１ｍｇ／ｍｌのＣｏｎＡを、１時間マイクロＴＡＳ内に注入し、ポンプによりそれらを除去した後、マイクロＴＡＳをＰＢＳ溶液によりリンスした。次に、１０ｍｇ／ｍｌのブロッキング用のＭＰＣポリマーを１０分間マイクロＴＡＳ内に注入した。ブロッキング用のＭＰＣポリマーは、親水性のリン脂質系高分子の生体関連材料である。ここで、ブロッキング用のＭＰＣポリマーは、マイクロＴＡＳの流路の内側に対する保護液として用いる。ポンプによりそれらを除去した後、マイクロＴＡＳをＰＢＳ溶液によりリンスした。次に、ＰＢＳ溶液中での濃度０．０１、０．０５ｍｇ／ｍｌのグリコーゲンを１時間マイクロＴＡＳ内に注入した。ポンプによりそれらを除去した後、マイクロＴＡＳをＰＢＳ溶液によりリンスし、マイクロＴＡＳにＰＢＳ溶液を注入した。

上記の試料を用いたマイクロＴＡＳ中でのＣｏｎＡとグリコーゲンとの相互作用に関するテラヘルツ波の測定結果を図２２に示す。ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合において、ディップ周波数はＣｏｎＡのみの状態（０．５０５４ＴＨｚ）と比較して、低周波数側へシフトする（０．４９８７ＴＨｚ）。このディップ周波数におけるグリコーゲン濃度０．０５ｍｇ／ｍｌでのＡＴＲは、グリコーゲン濃度０．０１ｍｇ／ｍｌでのＡＴＲよりも小さい。これは、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの特異的な結合の振動モードがテラヘルツ領域に存在するため、ＣｏｎＡとグリコーゲンとの結合により、屈折率が増大するためと考えられる。この結果は、ワイヤーグリッドから１９２μｍ空間的に分離されたマイクロＴＡＳの流路においては、結合体と測定対象物質との特異的結合の検出が可能であることを表す。

なお、上記各実施の形態及び実施例では、ワイヤーグリッドの向きをＰ偏光のテラヘルツ波の進行方向に垂直な配置とした場合について説明したが、図２３に示すように、ワイヤーグリッドの向きをＰ偏光のテラヘルツ波の進行方向に平行な配置とすることも可能である。この場合、測定されるテラヘルツ波は、図２４に示すようなスペクトルとなり、ｆ＝ｃ／２ｇの周波数近辺でＡＴＲが急激に低下する。図２４に示すように、ＡＴＲが急激に変化する周波数を、上記各実施の形態及び実施例におけるディップ周波数と同様に、特徴的な吸収を示す周波数として扱うことができる。

また、上記各実施の形態及び実施例では、テラヘルツ波がＰ偏光で導波体（プリズム）に入射される場合について説明したが、Ｓ偏光で入射することも可能である。Ｓ偏光で入射する場合においても、ワイヤーグリッドの向きをテラヘルツ波の進行方向に垂直な配置とすることも、平行な配置とすることも可能である。この場合、測定されるテラヘルツ波は、図２５に示すようなスペクトルとなる。ワイヤーグリッドの向きをテラヘルツ波の進行方向に垂直な配置とした場合では、ｆ＝ｃ／ｇの周波数近辺までＡＴＲが増加する特徴的なスペクトルとなる。

また、上記各実施の形態及び実施例では、導電性周期構造体の一例として、１次元の周期構造体であるワイヤーグリッド構造の場合について説明したが、図２６に示すように、２次元の周期構造体であるメタルメッシュ構造としてもよい。図２６に示すメタルメッシュ構造の導電性周期構造体において、周期ｇ＝３０２μｍ、メタル部材幅ｂ＝７４μｍ、厚みｔ＝６μｍ、及びテラヘルツ波の入射角θ＝０°とした場合の測定結果の一例を図２７に示す。入射光の斜め入射成分により、図２７に示すように、透過スペクトルにディップが生じる。なお、集光配置のため、θ＝０°であっても斜め入射成分が存在する。

また、上記各実施の形態及び実施例におけるテラヘルツ波の測定は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）で行ってもよいし、差周波発生などの周波数掃引法で行ってもよい。ＴＨｚ−ＴＤＳでは、振幅と同時に位相の情報も得られるため、振幅だけでなく、位相の情報も解析に利用することができる。ＴＨｚ−ＴＤＳを用いる場合において、３ＴＨｚ程度以下にディップ周波数を設計する場合には、テラヘルツ波の発生素子に光伝導アンテナを用い、特に３ＴＨｚ程度以上にディップ周波数を設計する場合には、ＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate）結晶を用いることが好ましい。ＤＡＳＴ結晶は１．１ＴＨｚに吸収が存在するものの、７ＴＨｚ程度までの広帯域の測定を行うことが可能なためである。３〜７ＴＨｚにスペクトルのディップを形成させる場合は、導電性周期構造体の周期を２７〜１２μｍとする。

また、上記各実施の形態及び実施例では、基板、導電性周期構造体、及び導波体を各々別個に構成する場合について説明したが、導電性周期構造体を、基板の試料が配置される面と反対の面、または導波体の全反射面側の面に蒸着したり、導電性周期構造体のパターンを印刷したりすることにより、一体として構成してもよい。ただし、上記各実施の形態及び実施例のように、基板、導電性周期構造体、及び導波体を各々別個に構成した場合には、スペクトルに所望のディップを形成するために、導電性周期構造体のみまたは基板のみを取り替えればよいため、柔軟な装置設計が可能となる。

本発明は、乾燥した試料に対するラベルフリーのテラヘルツ波測定はもちろん、水溶液中での生体関連物質の相互作用に対するラベルフリーのテラヘルツ波測定にも適用することができる。より具体的には、レクチンマイクロアレイ、プロテインマイクロアレイ、ＤＮＡマイクロアレイ、食物アレルゲンの検出、抗原抗体反応の検出、生体分子間の相互作用検出、細胞と生体分子との相互作用検出、細胞間相互作用検出などに適用可能である。

１０、２１０ テラヘルツ波測定装置
１２、１２ｂ、１２ｃ 基板
１２ａ マイクロＴＡＳ
１４ 導電性周期構造体
１６ 導波体
１８ トルクレンチ

Claims (8)

1. テラヘルツ波を透過可能で、かつ試料が配置される基板と、
   少なくとも表面が導電性の材料で構成され、前記試料が配置される位置と離間して配置され、かつテラヘルツ波を透過する複数の透過部が所定周期で配列された導電性周期構造体と、
   入射されたテラヘルツ波を全反射する全反射面を前記導電性周期構造体との界面に備え、入射されたテラヘルツ波を前記全反射面方向に導波する導波体と、を含み、
   前記基板と前記導波体との間に前記導電性周期構造体を狭持し、前記基板と前記導電性周期構造体、及び前記導電性周期構造体と前記導波体との各々を密着させ、
   前記全反射面での全反射により前記導波体から射出されたテラへルツ波が、所定の周波数帯域で特徴的な吸収を示すように、前記試料が配置される位置と前記導電性周期構造体との距離、及び前記基板の物性の少なくとも一つの大きさを定めた
   テラヘルツ波測定装置。
2. 前記基板の前記試料が配置される面と反対の面側に、前記導電性周期構造体を配置した請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
3. 前記基板と前記導電性周期構造体とを密着して配置した請求項１または請求項２記載のテラヘルツ波測定装置。
4. 前記基板を、前記試料が配置される流路を有するマイクロＴＡＳとして構成した請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のテラヘルツ波測定装置。
5. 前記導電性周期構造体をワイヤーグリッド構造またはメタルメッシュ構造とした請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のテラヘルツ波測定装置。
6. 前記導波体をプリズムとした請求項１〜請求項５のいずれか１項記載のテラヘルツ波測定装置。
7. 前記基板をガラスまたはプラスチックとした請求項１〜請求項６のいずれか１項記載のテラヘルツ波測定装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項記載のテラヘルツ波測定装置を用いて、測定対象物質と特異的に結合する結合体を含む基準試料に対するテラヘルツ波の振幅スペクトル及び位相スペクトルの少なくとも一方である基準スペクトルを測定し、
   前記テラヘルツ波測定装置を用いて、前記基準試料に前記測定対象物質を加えた対象試料、または測定対象物質の含有が未知の対象試料に対するテラヘルツ波の振幅スペクトル及び位相スペクトルの少なくとも一方である対象スペクトルを測定し、
   前記基準スペクトル及び前記対象スペクトルの各々における特徴的な吸収を示す周波数帯域、及び該周波数帯域における信号強度の少なくとも一方に基づいて、前記測定対象物質の検出、同定、または特性の解析を行う
   テラヘルツ波測定方法。