WO2011142155A1 - 被測定物の特性を測定する方法、それに用いられる空隙配置構造体および測定装置 - Google Patents

被測定物の特性を測定する方法、それに用いられる空隙配置構造体および測定装置 Download PDF

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  • the rotary shaft 12 may be at a position away from the gap arrangement structure 1.
  • the rotation axis 12 is in a twisted position with respect to the main surface 10 a of the gap arrangement structure 1.
  • the rotating shaft 12 is parallel to the main surface 10 a of the gap arrangement structure 1.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an installation state of the gap arrangement structure when the angle ⁇ formed by the projection line 12a of the rotating shaft 12 and the polarization direction of the electromagnetic wave (Y-axis direction) is 90 °. .
  • FIG. 3 shows a state in which the gap arrangement structure is rotated at an angle ⁇ about a rotation axis 12 that is parallel to the X-axis direction (direction perpendicular to the paper surface) and passes through the center of gravity of the gap arrangement structure.

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Abstract

　本発明は、主面に垂直な方向に貫通した少なくとも２つの空隙部を有する平板状の空隙配置構造体（１）に、被測定物を保持し、前記被測定物が保持された空隙配置構造体（１）に直線偏光の電磁波を照射して、前記空隙配置構造体（１）を透過した電磁波の周波数特性を検出することにより被測定物の特性を測定する方法であって、前記空隙配置構造体（１）は、前記空隙部が前記空隙配置構造体（１）の主面上の少なくとも一方向に周期的に配列された格子状構造を有し、前記被測定物の厚み（Ａ）に対する、前記空隙配置構造体（１）の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下であることを特徴とする、測定方法である。

Description

被測定物の特性を測定する方法、それに用いられる空隙配置構造体および測定装置
　本発明は、被測定物の特性を測定する方法、それに用いられる空隙配置構造体および測定装置に関する。より詳細には、空隙配置構造体に被測定物を保持して、その被測定物が保持された空隙配置構造体に電磁波を照射し、該空隙配置構造体を透過した電磁波を検出して被測定物の特性を測定する方法、それに用いられる空隙配置構造体および測定装置に関する。
　従来から、物質の特性を分析するために、空隙配置構造体に被測定物を保持して、その被測定物が保持された空隙配置構造体に電磁波を照射し、その透過率スペクトルを解析して被測定物の特性を測定する方法が用いられている。具体的には、例えば、被測定物であるタンパク質などが付着した金属メッシュフィルターに、テラヘルツ波を照射して透過率スペクトルを解析する手法が挙げられる。
　特許文献１（特開２００７－０１０３６６号公報）、特許文献２（特開２００７－１６３１８１号公報）および特許文献３（特開２００８－１８５５５２号公報）には、空隙領域を有する空隙配置構造体（例えば、金属メッシュ）に被測定物を保持し、被測定物が保持された空隙配置構造体に向かって電磁波を照射し、空隙配置構造体を透過した電磁波を検出することによって、被測定物の存在による周波数特性の変化に基づいて被測定物の特性を測定する方法が開示されている。
　また、特許文献３には、電磁波照射部から空隙配置構造体に向かって投影される電磁波が、空隙領域を含む平面に対して傾斜して入射され、
　このうち、特許文献３では、電磁波を空隙配置構造体の主面に対して傾斜して入射したときの測定値の周波数特性に生じたディップ波形に注目し、被測定物の存在による該ディップ波形の変化に基づいて被測定物の特性を測定する方法が開示されている。なお、特許文献３では、ディップ波形を１～３ＴＨｚ付近に発現させている（例えば、特許文献３の図７～図９）。
特開２００７－０１０３６６号公報 特開２００７－１６３１８１号公報 特開２００８－１８５５５２号公報
　かかる従来の測定方法においては、被測定物の量が微量になると、周波数特性の変化も僅かとなるため、被測定物の特性の検出が困難になる。これは、空隙配置構造体に保持された被測定物の厚みが薄くなるため、被測定物の厚みに対して、空隙配置構造体の表面に局在する電磁界の広がりが大きく、センシング技術として効率が悪くなることが原因である。
　したがって、本発明は、被測定物の量が微量である場合にも、高感度・高効率に被測定物の特性を測定することのできる方法、それに用いられる空隙配置構造体および測定装置を提供することを目的とする。
　本発明は、主面に垂直な方向に貫通した少なくとも２つの空隙部を有する平板状の空隙配置構造体に、被測定物を保持し、
　前記被測定物が保持された空隙配置構造体に電磁波を照射して、
　前記空隙配置構造体を透過した電磁波の周波数特性を検出することにより被測定物の特性を測定する方法であって、
　前記空隙配置構造体は、前記空隙部が前記空隙配置構造体の主面上の少なくとも一方向に周期的に配列された格子状構造を有し、
　前記被測定物の厚み（Ａ）に対する、前記空隙配置構造体の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下であることを特徴とする、測定方法である。
　前記比率（ｓ／Ａ）は、３０以下であることが好ましく、１０～２０であることがより好ましい。
　前記空隙配置構造体の格子間隔（ｓ）は、２６００μｍ以下であることが好ましい。
　前記電磁波の周波数は０．１ＴＨｚ以上であることが好ましい。
　前記空隙配置構造体に照射される電磁波は、直線偏光であることが好ましい。
　前記空隙配置構造体は、前記空隙部が方形配列されたものであることが好ましい。
　前記空隙配置構造体は、その主面が前記電磁波の進行方向に対して垂直となり、かつ、前記空隙部の配列方向の１つと前記電磁波の偏光方向とが一致する状態から、特定の回転軸を中心に一定の角度で回転されて配置されていることが好ましい。
　また、本発明は、上記の測定方法に用いられる空隙配置構造体にも関する。
　また、本発明は、被測定物を保持するための、主面に垂直な方向に貫通した少なくとも２つの空隙部を有する平板状の空隙配置構造体、
　前記被測定物が保持された前記空隙配置構造体に対して電磁波を照射する照射部、および、
　前記空隙配置構造体を透過した電磁波を検出する検出部を備え、
　検出された電磁波の周波数特性から前記被測定物の特性を測定する測定装置であって、
　前記空隙配置構造体は、前記空隙部が前記空隙配置構造体の主面上の少なくとも一方向に周期的に配列された格子状構造を有し、
　前記被測定物の厚み（Ａ）に対する、前記空隙配置構造体の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下であることを特徴とする、測定装置にも関する。
　前記空隙配置構造体に照射される電磁波は、直線偏光であることが好ましい。
　本発明においては、空隙配置構造体の格子間隔を小さくすることにより、電磁界の局在領域を小さくすることが出来るため、空隙配置構造体の主面付近に集中して強い電磁界を発生させることができる。これにより、微量の（空隙配置構造体の表面からの厚みが薄い）被測定物であっても、高感度・高効率に測定することが可能になる。
本発明の測定方法および測定装置を説明するための模式図である。 本発明で用いられる空隙配置構造体の一例を示す斜視図である。 空隙配置構造体の格子構造を説明するための模式図である。 本発明における空隙配置構造体の設置状態の一例を説明するための模式断面図である。 実施例１－１における周波数１ＴＨｚの電磁波に対する電界分布を示すグラフである。 実施例１－２における周波数１０ＴＨｚの電磁波に対する電界分布を示すグラフである。 実施例２－１で得られた透過率スペクトルを示すグラフである。 実施例２－２で得られた透過率スペクトルを示すグラフである。 比較例１で得られた透過率スペクトルを示すグラフである。 実施例３で得られた透過率スペクトルを示すグラフである。 実施例４で得られた結果を示すグラフである。 実施例４で得られた結果を示す別のグラフである。
　本発明の測定方法で用いられる電磁波は、好ましくは２０ＧＨｚ～１２０ＴＨｚの周波数を有する電磁波（テラヘルツ波）であり、より好ましくは１ＴＨｚ以上の周波数を有する電磁波である。
　具体的な電磁波としては、例えば、短光パルスレーザを光源として、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶の光整流効果により発生するテラヘルツ波が挙げられる。また、例えば、短光パルスレーザを光源として、光伝導アンテナに自由電子を励起し、光伝導アンテナに印加した電圧によって瞬時に電流が発生することによって生じるテラヘルツ波が挙げられる。また、例えば、高圧水銀ランプや高温セラミックから発せられるテラヘルツ波が挙げられる。
　また、本発明の測定方法において空隙配置構造体に照射される電磁波は、直線偏光の電磁波であることが好ましい。直線偏光の電磁波は、無偏光、円偏光などの光源から出射された電磁波が（直線）偏光子を通過した後の直線偏光の電磁波であってもよく、偏光光源から出射された直線偏光の電磁波であってもよい。直線偏光子としては、ワイヤーグリッドなどを用いることができる。
　本発明の測定方法においては、このような電磁波を、被測定物が保持された空隙配置構造体に照射して、空隙配置構造体で透過された電磁波の周波数特性を検出することにより被測定物の特性が測定される。
　本発明において、透過とは、前方散乱の一形態であり、好ましくは０次方向の透過や０次方向の反射である。なお、一般的に、回折格子の格子間隔をｓ、入射角をｉ、回折角をθ、波長をλとしたとき、回折格子によって回折されたスペクトルは、
　　ｓ（ｓｉｎ　ｉ　－ｓｉｎ　θ）＝ｎλ　…（１）
と表すことができる。上記「０次方向」の０次とは、上記式（１）のｎが０の場合を指す。ｓおよびλは０となり得ないため、ｎ＝０が成立するのは、ｓｉｎ　ｉ－　ｓｉｎ　θ＝０の場合のみである。従って、上記「０次方向」とは、入射角と回折角が等しいとき、つまり電磁波の進行方向が変わらないような方向を意味する。
　本発明において、「被測定物の特性を測定する」とは、被測定物となる化合物の定量や各種の定性などを行うことであり、例えば、溶液中等の微量の被測定物の含有量を測定する場合や、被測定物の同定を行う場合が挙げられる。具体的には、例えば、被測定物の溶解した溶液に空隙配置構造体を浸漬し、被測定物を空隙配置構造体の表面に付着させた後に溶媒や余分な被測定物を洗浄し、空隙配置構造体を乾燥してから、後述のような測定装置を用いて被測定物の特性を測定する方法が挙げられる。
　本発明において、被測定物の量を求める場合は、あらかじめ様々な量の被測定物を測定して得られた周波数特性を基に作成した検量線と比較することにより、被測定物の量を算出することが好ましい。
　（測定装置）
　本発明の測定装置の一例の概要を図１を用いて説明する。図１は、本発明の測定装置２の全体構造と、測定装置２における空隙配置構造体１の配置を模式的に示す図である。図１に示すように、この測定装置２は、電磁波を発生して照射する照射部２１と、空隙配置構造体１で透過した電磁波を検出する検出部２２とを備えている。また、照射部２１の動作を制御する照射制御部２３、検出部２２の検出結果を解析する解析処理部２４、および、解析処理部２４の解析結果を表示する表示部２５を備えている。なお、照射制御部２３は、検出のタイミングを同期させる目的で、解析処理部２４にも接続されていても良い。
　上記のような測定装置２において、照射部２１は、照射制御部２３の制御の下、電磁波を発生・放射する。照射部２１から放射された電磁波は、空隙配置構造体１に照射され、空隙配置構造体１で透過した電磁波が検出部２２で検出される。検出部２２において検出された電磁波は、電気信号として解析処理部２４に転送され、例えば透過率の周波数特性（透過率スペクトル）として目視できる形式で表示部２５に表示される。
　上記検出部に用いられる検出器としては、例えば、シリコンボロメータ、ゲルマニウムボロメータなどのボロメータや焦電センサなどを用いることができる。
　また、空隙配置構造体１と検出部２２の間、または、照射部２１と空隙配置構造体１の間に、干渉計が配置されていてもよい。干渉計としては、例えば、マイケルソン干渉計、ファブリペロー干渉計などを用いることができる。干渉計を有する場合の光源としては、高圧水銀ランプや高温セラミックスなどを用いることができる。
　（空隙配置構造体）
　本発明の測定方法に用いられる空隙配置構造体は、主面に垂直な方向に貫通した少なくとも２つの空隙部を有する平板状の空隙配置構造体であって、空隙部が空隙配置構造体の主面上の少なくとも一方向に周期的に配列された格子状構造を有しており、かつ、被測定物の厚み（Ａ）に対する空隙配置構造体の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下であることを特徴とするものである。該比率（ｓ／Ａ）は、好ましくは３０以下であり、より好ましくは１０～２０以下であり、最も好ましくは１５前後である。ここで、「被測定物の厚み（Ａ）」とは、空隙配置構造体に保持された状態の被測定物の空隙配置構造体の主面に対する法線方向の高さの、空隙配置構造体の主面の面積に対する平均値を意味する。
　本発明で用いられる空隙配置構造体は、主面に垂直な方向に貫通した少なくとも１つの空隙部が上記主面上の少なくとも一方向に周期的に配置された構造体である。ただし、空隙配置構造体の全体にわたって空隙部が周期的に配置されている必要はなく、少なくとも一部において空隙部が周期的に配置されていればよい。
　空隙配置構造体は、好ましくは準周期構造体や周期構造体である。準周期構造体とは、並進対称性は持たないが配列には秩序性が保たれている構造体のことである。準周期構造体としては、例えば、１次元準周期構造体としてフィボナッチ構造、２次元準周期構造体としてペンローズ構造が挙げられる。周期構造体とは、並進対称性に代表される様な空間対称性を持つ構造体のことであり、その対称の次元に応じて１次元周期構造体、２次元周期構造体、３次元周期構造体に分類される。１次元周期構造体は、例えば、ワイヤーグリッド構造、１次元回折格子などが挙げられる。２次元周期構造体は、例えば、メッシュフィルタ、２次元回折格子などが挙げられる。これらの周期構造体のうちでも、２次元周期構造体が好適に用いられ、より好ましくは空隙部が縦方向および横方向に規則的に配列（方形配列）された２次元周期構造体が用いられる。
　空隙部が方形配列された２次元周期構造体としては、例えば、図２Ａ，図２Ｂに示すようなマトリックス状に一定の間隔で空隙部が配置された板状構造体（格子状構造体）が挙げられる。図２Ａに示す空隙配置構造体１は、その主面１０ａ側からみて正方形の空隙部１１が、該正方形の各辺と平行な２つの配列方向（図２Ｂ中の縦方向と横方向）に等しい間隔で設けられた板状構造体である。空隙部は正方形に限定されず、例えば長方形や円や楕円などでもよい。また方形配列であれば、２つの配列方向の間隔は等しくなくてもよく、例えば長方形配列でもよい。
　空隙配置構造体の空隙部の形状や寸法は、測定方法や、空隙配置構造体の材質特性、使用する電磁波の周波数等に応じて適宜設計されるものであり、その範囲を一般化するのは難しいが、透過した電磁波を検出する場合、図２Ａに示す空隙配置構造体１では、図２Ｂにｓで示される空隙部の格子間隔が、測定に用いる電磁波の波長の１０分の１以上、１０倍以下であることが好ましい。空隙部の格子間隔（ｓ）がこの範囲以外になると、透過が生じにくくなる場合がある。
　本発明は、空隙部の格子間隔の小さな空隙配置構造体を使用することにより、電磁波を照射したときに空隙配置構造体の表面に局在する電磁界の広がりを小さくすることで、微量の（厚みが薄い）被測定物であっても、高感度に測定することが可能になる。空隙配置構造体の格子間隔を小さくすると同時に、空隙配置構造体に照射する電磁波の周波数を高くすることがより望ましい。空隙配置構造体の表面に局在する電磁界の広がりＺ（電磁波の進行方向における広がり）は、空隙配置構造体の格子間隔をｓとすると、ｓ／Ｚ＝１５である。電界が表面近傍からλ／１５の距離で１／ｅになるためである。一方、被測定物の厚みをＡとすると、Ｚ≒Ａとなることが望ましい。局在している電磁界と被測定物が強く相互作用を起こす為である。この場合、空隙配置構造体の格子間隔ｓはＡの約１５倍（ｓ／Ａ＝１５）となる。
　また、空隙部の孔サイズとしては、図２Ｂにｄで示される空隙部の孔サイズが、測定に用いる電磁波の波長の１０分の１以上、１０倍以下であることが好ましい。空隙部の孔サイズ（ｄ）がこの範囲以外になると、透過する電磁波の強度が弱くなって信号を検出することが難しくなる場合がある。
　また、空隙配置構造体の厚み（ｔ）は、測定方法や、空隙配置構造体の材質特性、使用する電磁波の周波数等に応じて適宜設計されるものであり、その範囲を一般化するのは難しいが、透過した電磁波を検出する場合、測定に用いる電磁波の波長の数倍以下であることが好ましい。構造体の厚みがこの範囲よりも大きくなると、透過する電磁波の強度が弱くなって信号を検出することが難しくなる場合がある。
　本発明において、空隙配置構造体に被測定物を保持する方法としては、種々公知の方法を使用することができ、例えば、空隙配置構造体に直接付着させてもよく、支持膜等を介して付着させてもよい。測定感度を向上させ、測定のばらつきを抑えることにより再現性の高い測定を行う観点からは、空隙配置構造体の表面に直接被測定物を付着させることが好ましい。
　空隙配置構造体に被測定物を直接付着させる場合としては、空隙配置構造体の表面と被測定物との間で直接的に化学結合等が形成される場合だけでなく、予め表面にホスト分子が結合された空隙配置構造体に対して、該ホスト分子に被測定物が結合されるような場合も含まれる。化学結合としては、共有結合（例えば、金属―チオール基間の共有結合など）、ファンデルワールス結合、イオン結合、金属結合、水素結合などが挙げられ、好ましくは共有結合である。また、ホスト分子とは、被測定物を特異的に結合させることのできる分子などであり、ホスト分子と被測定物の組み合わせとしては、例えば、抗原と抗体、糖鎖とタンパク質、脂質とタンパク質、低分子化合物（リガンド）とタンパク質、タンパク質とタンパク質、一本鎖ＤＮＡと一本鎖ＤＮＡなどが挙げられる。
　空隙配置構造体に被測定物を直接付着させる場合、少なくとも一部の表面が導体で形成された空隙配置構造体を用いることが好ましい。空隙配置構造体１の少なくとも一部の表面とは、例えば、図２Ａに示す主面１０ａ、側面１０ｂ、空隙部側面１１ａのうちいずれかの一部の表面である。
　ここで、導体とは、電気を通す物体（物質）のことであり、金属だけでなく半導体も含まれる。金属としては、ヒドロキシ基、チオール基、カルボキシル基などの官能基を有する化合物の官能基と結合することのできる金属や、ヒドロキシ基、アミノ基などの官能基を表面にコーティングできる金属、ならびに、これらの金属の合金を挙げることができる。具体的には、金、銀、銅、鉄、ニッケル、クロム、シリコン、ゲルマニウムなどが挙げられ、好ましくは金、銀、銅、ニッケル、クロムであり、さらに好ましくは金である。金、ニッケルを用いた場合、特に被測定物がチオール基（－ＳＨ基）を有する場合に該チオール基を空隙配置構造体の表面に結合させることができるため有利である。また、ニッケルを用いた場合、特に被測定物がヒドロキシ基（―ＯＨ）やカルボキシル基（―ＣＯＯＨ）を有する場合に該官能基を空隙配置構造体の表面に結合させることができるため有利である。また、半導体としては、例えば、ＩＶ族半導体（Ｓｉ、Ｇｅなど）や、ＩＩ－ＶＩ族半導体（ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなど）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなど）、ＩＶ族化合物半導体（ＳｉＣ、ＳｉＧｅなど）、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ族半導体（ＣｕＩｎＳｅ2など）などの化合物半導体、有機半導体が挙げられる。
　また、支持膜等を介して付着させる場合としては、具体的には、空隙配置構造体の表面にポリアミド樹脂等の支持膜を貼付して被測定物を該支持膜に付着させる方法や、支持膜に換えて、気密または液密な容器を用いて、流体または流体に分散させた物質を測定する方法が挙げられる。
　（ディップ波形の出現する条件）
　本発明の測定方法によって得られる透過率スペクトルなどの周波数特性においては、ディップ波形が出現することが好ましい。ここで、ディップ波形とは、通常、透過率スペクトルなどにおいて電磁波の透過率が高い周波数領域（バンドパス領域）に見られる局部的な逆ピークである。
　周波数特性に生じるディップ波形は、空隙配置構造体のＴＥ１１モード共振（各空隙部を導波管とみなしたとき）により生じたものであることが好ましい。あるいは、空隙配置構造体のＴＥ１０モード共振（各空隙部を導波管とみなしたとき）の減少により生じたものであることが好ましい。周波数特性に出現するディップ波形がシャープとなり、被測定物の測定感度が向上するからである。
　空隙配置構造体のＴＥ１１モード共振（またはＴＥ１０モード共振の減少）によりディップ波形を生じさせるための条件の一例としては、空隙配置構造体を第１の電磁波の進行方向に対して垂直な位置から、特定の回転軸を中止として一定角度回転させて配置することが挙げられる。具体的な配置としては、例えば、電磁波の進行方向をＺ軸方向としたとき、電磁波の偏光方向が、Ｚ軸方向に垂直な１つの方向（Ｘ軸方向）である場合に、空隙配置構造体は、その主面がＺ軸方向に垂直となる配置から、空隙配置構造体の重心を通る上記Ｘ軸方向およびＺ軸方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）に平行な軸（Ｙ軸）を回転軸として一定角度回転させて配置することが好ましい。
　上記空隙配置構造体は、その主面が前記電磁波の進行方向に対して垂直となり、かつ、前記空隙部の配列方向の１つと前記電磁波の偏光方向とが一致する状態から、特定の回転軸を中心に一定の角度で回転されて配置されていることが好ましい。また、回転軸を空隙配置構造体の主面に対して投影させた投影線と、電磁波の偏光方向との成す角度が０°以外であることが好ましい。また、回転軸は、空隙配置構造体の主面に対して平行であることが好ましい。このような本発明の特徴について、図２を用いて説明する。
　図２Ａに例示する空隙配置構造体１には、空隙部１１が縦横に一定の間隔で配列（正方形配列）されている。図２Ａにおいて、空隙部１１の横の配列方向をＹ軸とし、縦の配列方向をＸ軸とする。また、Ｘ－Ｙ平面に垂直な方向をＺ軸とする。空隙配置構造体１に照射される電磁波の進行方向は、図２Ａに示されるＺ軸方向であり、電磁波の偏光方向は、図２Ａに示されるＹ軸方向である。
　図２Ａは、空隙配置構造体１の主面１０ａが電磁波の進行方向（Ｚ軸方向）に対して垂直となり、かつ、空隙部１１の配列方向の１つが電磁波の偏光方向であるＹ軸方向と一致する状態を示している。本発明においては、空隙配置構造体１が、この状態から特定の回転軸１２を中心にして一定の角度θで回転されて配置される。このとき、回転軸１２を空隙配置構造体１の主面１０ａに対して投影させた投影線１２ａと、電磁波の偏光方向（Ｙ軸方向）との成す角度ψは、０°以外であることが好ましい。また、回転軸１２は、空隙配置構造体１と離れた位置にあってもよく、図２Ａでは、この回転軸１２が空隙配置構造体１の主面１０ａに対してねじれの位置にある場合を示しているが、回転軸１２は空隙配置構造体１の主面１０ａに対して平行であることが好ましい。
　このとき、例えば、θ＝９°とすると、透過率スペクトル等の周波数特性に現れるディップの鋭さは角度ψに依存性を示し、ディップ波形が最も鋭くなる角度ψが存在する。空隙配置構造体１が空隙部１１の方形配列で構成されている場合には、角度ψが０°以外の場合に、透過率スペクトルにディップ波形が生じる（ψ＝０ではディップが生じない）。角度ψが９０°に近付く程ディップ波形はシャープとなり、角度ψが９０°のときに最もシャープとなる。すなわち、回転軸１２と電磁波の偏光方向（Ｙ軸方向）との成す角度ψは、好ましくは１°～９０°であり、より好ましくは３０°～９０°、さらに好ましくは６０°～９０°、最も好ましくは８５°～９０°である。
　図３は、上記回転軸１２の投影線１２ａと電磁波の偏光方向（Ｙ軸方向）との成す角度ψが９０°の場合における、空隙配置構造体の設置状態の一例を示す模式断面図である。図３では、Ｘ軸方向（紙面に垂直な方向）に平行であり空隙配置構造体の重心を通る回転軸１２を中心として、空隙配置構造体が角度θで回転された状態を示している。
　また、このように空隙配置構造体を電磁波の進行方向および偏光方向に対して傾ける以外にも、空隙配置構造体の空隙部の形状を、電磁波の偏光面と直交する仮想面に対して鏡映対称とならない形状とすることにより、ＴＥ１１モード共振によるディップ波形を生じさせることができる。この場合は、空隙配置構造体を電磁波の進行方向に垂直に配置しても、ＴＥ１１モード共振によるディップ波形が生じる。
　かかる空隙部の形状としては、周期的構造体の空隙部を形成する部分に、突起部または切欠部を有する形状が挙げられる。この場合、周期的構造体の空隙部を形成する部分のうち、ＴＥ１１モード様共振が生じた際に電界強度が相対的に強くなる位置に突起部を有するか、あるいは、電界強度が相対的に弱くなる位置に切欠部を有することが好ましい。また、周期的構造体の主面に垂直な方向から見た空隙部の形状を、台形、凸型、凹型、多角形、または、星型などとし、第１の電磁波の偏光面と直交する仮想面に対して鏡映対称とならないように空隙配置構造体を配置してもよい。空隙部の形状がこのような場合であっても、格子間隔は、図２（ｂ）に示されるｓと同様に、空隙部の配列方向における繰り返し単位の長さとして定義される。
　また、本発明の測定方法は、空隙配置構造体を透過（前方散乱）した電磁波の周波数特性を検出する場合だけでなく、空隙配置構造体で反射（後方散乱）された電磁波の周波数特性を検出する場合にも適用することができ、そのような測定方法も本発明の範囲に包含される。なお、透過スペクトルにおけるディップ波形は反射スペクトルにおいてはピーク波形となる。
　以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　（実施例１－１）
　図３に示すように、４６０μｍの間隔を空けて配置された２枚のポート３１，３２の間に空隙配置構造体（金属メッシュ）１が設置されたモデルについて、図３に示すＸ軸方向（紙面に垂直な方向）とＹ軸方向に周期境界条件を与え、電磁界シミュレーターＭｉｃｒｏＳｔｒｉｐｅｓ（ＣＳＴ社製）を用いて電界分布（電界強度分布）のシミュレーション計算を行った。
　ポート３１と空隙配置構造体１の重心との距離、および、ポート３２と空隙配置構造体１の重心との距離は共に２３０μｍに設定した。両ポートは、１．３ｍｍ四方の主面を有する厚さ６０μｍの板状体であり、ポート３１は電磁波の出射部材と検出部材を兼ねており、ポート３２は電磁波の検出部材である。
　本実施例において、空隙配置構造体のモデルは、図２Ａ、図２Ｂの模式図に示すような空隙部が正方格子配列した正方形の孔（空隙部）を有し、全体が金属（完全導体）で形成された金属メッシュとした。この金属メッシュの格子間隔（図２（ｂ）のｓ）は２６０μｍ、孔サイズ（図２（ｂ）のｄ）は１８０μｍ、厚みは３０μｍとし、全体の形状は１．３ｍｍ四方の板状体とした。
　空隙配置構造体に照射される電磁波の進行方向は図３におけるＺ軸方向、偏光方向は図３におけるＹ軸方向とし、各ポートで検出される電磁波の偏光方向もＹ軸方向に設定した。また、金属メッシュは、その主面が電磁波の進行方向（Ｚ軸方向）に垂直となるように配置されるものとした（図２Ａに示す状態）。すなわち、電磁波の入射角度は垂直入射（図３に示されるθ＝０度）とした。
　本実施例においては、上記金属メッシュに、その格子間隔（２６０μｍ）に近い波長（３００μｍ）を有する周波数１ＴＨｚの電磁波を照射した。
　図４に、周波数１ＴＨｚの電磁波を照射したときの空隙配置構造体の主面に垂直な方向（Ｚ軸方向）の電界分布を示す。なお、図４では、Ｚ座標の原点を金属メッシュの厚みに対する中点と一致させたときの、Ｚ座標の－１００μｍから１００μｍまでの範囲の電界分布を示した。
　図４に示されるように、金属メッシュの主面から電磁波の進行方向であるＺ軸方向（正および負の両方向）に離れるにつれて電界強度は減衰しており、金属メッシュ主面の位置（Ｚ＝±１５μｍ）における電界強度に対して、電界強度がその１／ｅ（ｅは自然対数を示す）に減衰したときのＺ座標は、Ｚ＝±３５μｍであった。即ち、金属メッシュの主面から２０μｍ離れた位置の電界強度が、該主面上の電界強度に対して１／ｅに減衰していることを示している。この主面からの距離（２０μｍ）は、１ＴＨｚの電磁波の波長（３００μｍ）の１／１５に相当する。
　（実施例１－２）
　金属メッシュの格子間隔（ｓ）を２６μｍ、孔サイズ（ｄ）を１８μｍ、厚みを６μｍとした以外は、実施例１－１と同様にして電界分布を求めた。本実施例においては、該金属メッシュに、その格子間隔（２６μｍ）に近い波長（３０μｍ）を有する周波数１０ＴＨｚの電磁波を照射した。
　図５に、周波数１０ＴＨｚの電磁波を照射したときの空隙配置構造体の主面に垂直な方向（Ｚ軸方向）の電界分布を示す。なお、図５では、Ｚ座標の原点を金属メッシュの厚みに対する中点と一致させたときの、Ｚ座標の－１０μｍから１０μｍまでの範囲の電界分布を示している。
　図５に示されるように、金属メッシュの主面からＺ軸方向（正および負の両方向）に離れるにつれて電界強度は減衰しており、金属メッシュ主面の位置（Ｚ＝±１．５μｍ）における電界から１／ｅに減衰したときのＺ座標は、Ｚ＝±３．５μｍであった。即ち、金属メッシュの主面から２μｍ離れた位置の電界強度が、該主面上の電界強度に対して１／ｅに減衰していることを示している。この主面からの距離（２μｍ）は、１０ＴＨｚの電磁波の波長（３０μｍ）の１／１５に相当する。
　本発明においては、空隙配置構造体の格子間隔を小さくすることにより、電磁界の局在領域を小さくすることが出来るため、電磁界分布をよりシャープにする（Ｑ値を大きくする）ことができ、空隙配置構造体の主面付近に集中して強い電磁界を発生させることができる。これにより、微量の（厚みが薄い）被測定物であっても、高感度・高効率に測定することが可能になる。
　（実施例２－１）
　図３に示すような２枚のポート３１，３２の間に金属メッシュ１が設置された実施例１－１と同様のモデルについて、Ｘ軸方向とＹ軸方向に周期境界条件を与え、電磁界シミュレーターＭｉｃｒｏＳｔｒｉｐｅｓ（ＣＳＴ社製）を用いて透過率スペクトルのシミュレーション計算を行った。
　金属メッシュとして、図２の模式図に示すような正方格子配列した正方形の孔を有し、全体が金属（完全導体）で形成された構造体を使用した。この金属メッシュの格子間隔（ｓ）は２６０μｍ、孔サイズ（ｄ）は１８０μｍ、厚みは６０μｍであり、全体の形状は１．３ｍｍ四方の板状体である。
　ポート３１と空隙配置構造体１の重心との距離、および、ポート３２と空隙配置構造体１の重心との距離は共に２３０μｍに設定した。両ポートは、１．３ｍｍ四方の主面を有する厚さ１０μｍの板状体であり、ポート（３１）は電磁波の出射部材であり、両ポートは光量の測定部材である。入射する電磁波の周波数は１ＴＨｚ、偏光方向は図２におけるＹ軸方向に設定し、各ポートで検出される電磁波の偏光方向もＹ軸方向に設定した。
　金属メッシュは、その主面が電磁波の進行方向（Ｚ軸方向）に対して垂直となる状態（図２Ａに示す状態）から、金属メッシュの重心を通りＸ軸に平行な直線である回転軸１２を中心に回転させて配置した（回転軸１２を金属メッシュの主面に対して投影させた投影線と、Ｙ軸の成す角度（図２Ａに示されるψは９０度となる。）。金属メッシュを回転させる角度（図３に示されるθ）は９°に設定した。
　得られた透過率スペクトルを図６に破線で示す。
　次に、この金属メッシュの主面に被測定物（比誘電率２．４、誘電正接０．０１、厚み１０μｍ、１．３ｍｍ四方の誘電体フィルム）を密着させた場合の周波数特性を上記と同様の方法で求めた。得られた透過率スペクトルを図６に実線で示す。
　図６において、ディップ波形に注目すると、被測定物が存在する場合（実線部分）のディップ波形の最小値の周波数が、被測定物が存在しない場合（点線部分）のディップ波形の最小値の周波数よりも約５３ＧＨｚ低周波側にシフトしている。
　なお、ディップ波形とは、通常、透過率スペクトルなどにおいて電磁波の透過率が高い周波数領域（バンドパス領域）に見られる局部的な逆ピークであり、図６においては、約０．６～１．２ＴＨｚの範囲であるバンドパス領域において約０．９～１．０ＴＨｚの範囲に見られる逆ピークがディップ波形である。
　（実施例２－２）
　格子間隔（ｓ）を２６μｍ、孔サイズ（ｄ）を１８μｍ、厚みを６μｍとした金属メッシュ（全体の形状は１．３ｍｍ四方の板状体）を使用し、電磁波の周波数を１０ＴＨｚとした以外は、実施例２－１と同様にして透過率スペクトルを求めた。得られた金属メッシュのみの透過率スペクトルを図７に破線で示す。また、金属メッシュの主面に実施例２－１と同様の被測定物が密着している場合の透過率スペクトルを図７に実線で示す。
　図７において、ディップ波形に注目すると、被測定物が存在する場合（実線部分）のディップ波形の最小値の周波数が、被測定物が存在しない場合（点線部分）のディップ波形の最小値の周波数よりも約２５５０ＧＨｚ低周波側にシフトしている。
　図６（実施例２－１）と図７（実施例２－２）とを比較すると、同じ厚みの被測定物に対して、ディップのシフト量が、それぞれ５３ＧＨｚ、２５５０ＧＨｚなっていることから、金属メッシュの格子間隔を１/１０にすることで、測定感度が４８倍になっているこ
とが分かる。なお、「ディップのシフト量」とは、被測定物が存在しない場合の透過率スペクトルに対して、被測定物が存在する場合の透過率スペクトルにおけるディップ波形の最小値の周波数がシフトした量を意味する。
　（比較例１）
　図３に示すように、４６０μｍの間隔を空けて配置された２枚のポートの間に設置されたモデルについて、Ｘ軸方向とＹ軸方向に周期境界条件を与え、電磁界シミュレーターＭｉｃｒｏＳｔｒｉｐｅｓ（ＣＳＴ社製）を用いて透過率スペクトルのシミュレーション計算を行った。
　金属メッシュとして、図２の模式図に示すような正方格子配列した正方形の孔を有し、全体が金属（完全導体）で形成された構造体を使用した。この金属メッシュの格子間隔（ｓ）は２６０μｍ、孔サイズ（ｄ）は１８０μｍ、厚みは６０μｍであり、全体の形状は１．３ｍｍ四方の板状体である。
　ポート３１と空隙配置構造体１の重心との距離、および、ポート３２と空隙配置構造体１の重心との距離は共に２３０μｍに設定した。両ポートは、１．３ｍｍ四方の主面を有する厚さ１０μｍの板状体であり、ポート（３１）は電磁波の出射部材であり、両ポートは光量の測定部材である。入射する電磁波の偏光方向は図３におけるＹ軸方向であり、各ポートで検出される電磁波の偏光方向もＹ軸方向に設定した。
　回転軸（１２）は、金属メッシュの重心を通り、金属メッシュの主面に平行な直線とし、回転軸を金属メッシュの主面に対して投影させた投影線と、Ｙ軸との成す角度（図２Ａに示されるψ）を９０度とした。また、電磁波の入射角度は斜入射（図３に示されるθ＝９度）とした。得られた透過率スペクトルを図８に破線で示す。
　次に、この金属メッシュの主面に被測定物（比誘電率２．４、誘電正接０．０１、厚み２μｍ、１．３ｍｍ四方の誘電体フィルム）を密着させた場合の周波数特性を上記と同様の方法で求めた。得られた透過率スペクトルを図８に実線で示す。
　比較例１では、被測定物が存在する場合（実線）と被測定物が存在しない場合（点線）とで、ディップ波形の最小値の周波数がほとんどシフトしておらず、ディップのシフト量はほぼ０である（なお、図８では実線と破線で示す透過率スペクトルが重なってしまうため、実線のみを示している）。
　（実施例３）
　格子間隔（ｓ）を２６μｍ、孔サイズ（ｄ）を１８μｍ、厚みを６μｍとした金属メッシュ（全体の形状は１．３ｍｍ四方の板状体）を用いた以外は、比較例１と同様にして透過率スペクトルを求めた。得られた透過率スペクトルを図９に破線で示す。また、金属メッシュの主面に比較例１と同様の被測定物（比誘電率２．４、誘電正接０．０１、厚み２μｍ、１．３ｍｍ四方の誘電体フィルム）が密着している場合の透過率スペクトルを図９に実線で示す。
　図９において、ディップ波形に注目すると、被測定物が存在する場合（実線部分）のディップ波形の最小値の周波数が、被測定物が存在しない場合（点線部分）のディップ波形の最小値の周波数よりも約１００２ＧＨｚ低周波側にシフトしている。
　比較例１（図８）と実施例３（図９）との比較において、同じ厚みの被測定物に対し、格子間隔が２６０μｍの場合には検出不可能であったが、格子間隔を１/１０にすること
で、被測定物を検出できる様になったことが分かる。
　上記実施例および比較例の格子間隔（ｓ）、被測定物の厚み（Ａ）、比率ｓ／Ａ、ディップ波形の位置シフト（ディップのシフト量）を表１にまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　（実施例４）
　本実施例では、格子間隔（ｓ）、孔サイズ（ｄ）および厚みを表２のように設定した５種類の金属メッシュ（全ての金属メッシュの全体の形状は１．３ｍｍ四方の板状体である。）をモデルとした。各々の金属メッシュについて、厚みを１、２、４、８、１０または２０μｍに変化させた被測定物（全て比誘電率２．４、誘電正接０．０１、１．３ｍｍ四方の誘電体フィルム）が密着している場合の透過率スペクトルを実施例３と同様にしてシミュレーション計算により求め、さらに、ディップのシフト量を求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　各々の金属メッシュについて、被測定物の厚みＡ（横軸）とディップのシフト（縦軸）との関係を、図１０のグラフに示す。また、被測定物の厚みＡが上記の各々の値である場合について、金属メッシュの格子間隔ｓ（横軸）とディップのシフト（縦軸）との関係を図１１のグラフに示す。
　図１０、１１から、被測定物の厚み（Ａ）に対する空隙配置構造体の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下である場合には測定に必要なディップのシフト量が得られ、比率（ｓ／Ａ）が３０以下である場合にはさらに十分なディップのシフト量が得られることが分かる。
　例えば、図１０のｓ＝６５μｍである場合のグラフにおいては、Ａ＝１μｍである場合より右側（ｓ／Ａが６５以下の場合）において、測定に必要なディップが得られている。また、Ａ＝２μｍである場合より右側（ｓ／Ａが３２．５以下の場合）において、さらに十分なディップのシフト量が得られている。
　また、図１１のＡ＝２μｍである場合のグラフにおいて、ｓ＝１３０である場合より左側（ｓ／Ａが６５以下の場合）おいて、測定に必要なディップが得られている。また、ｓ＝６５μｍである場合より左側（ｓ／Ａが３２．５以下の場合）において、さらに十分なディップのシフト量が得られている。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　空隙配置構造体（金属メッシュ）、１０ａ　主面、１０ｂ　側面、１１　空隙部、１１ａ　空隙部側面、１２　回転軸、１２ａ　投影線、２　測定装置、２１　照射部、２２　検出部、２３　照射制御部、２４　解析処理部、２５　表示部、３１，３２　ポート。

Claims (11)

  1. 　主面に垂直な方向に貫通した少なくとも２つの空隙部を有する平板状の空隙配置構造体（１）に、被測定物を保持し、
    　前記被測定物が保持された空隙配置構造体（１）に電磁波を照射して、
    　前記空隙配置構造体（１）を透過した電磁波の周波数特性を検出することにより被測定物の特性を測定する方法であって、
    　前記空隙配置構造体（１）は、前記空隙部が前記空隙配置構造体（１）の主面上の少なくとも一方向に周期的に配列された格子状構造を有し、
    　前記被測定物の厚み（Ａ）に対する、前記空隙配置構造体（１）の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下であることを特徴とする、測定方法。
  2. 　前記比率（ｓ／Ａ）が３０以下である、請求項１に記載の測定方法。
  3. 　前記比率（ｓ／Ａ）が１０～２０である、請求項１に記載の測定方法。
  4. 　前記空隙配置構造体（１）に照射される電磁波が直線偏光である、請求項１に記載の測定方法。
  5. 　前記空隙配置構造体（１）の格子間隔（ｓ）が、２６００μｍ以下である、請求項１に記載の測定方法。
  6. 　前記電磁波の周波数が０．１ＴＨｚ以上である、請求項１に記載の測定方法。
  7. 　前記空隙配置構造体（１）は、前記空隙部が方形配列されたものである、請求項１に記載の測定方法。
  8. 　前記空隙配置構造体（１）は、その主面が前記電磁波の進行方向に対して垂直となり、かつ、前記空隙部の配列方向の１つと前記電磁波の偏光方向とが一致する状態から、特定の回転軸を中心に一定の角度で回転されて配置されている、請求項１に記載の測定方法。
  9. 　請求項１に記載の測定方法に用いられる空隙配置構造体（１）。
  10. 　被測定物を保持するための、主面に垂直な方向に貫通した少なくとも２つの空隙部を有する平板状の空隙配置構造体（１）、
    　前記被測定物が保持された前記空隙配置構造体（１）に対して電磁波を照射する照射部（２１）、および、
    　前記空隙配置構造体（１）を透過した電磁波を検出する検出部（２２）を備え、
    　検出された電磁波の周波数特性から前記被測定物の特性を測定する測定装置（２）であって、
    　前記空隙配置構造体（１）は、前記空隙部が前記空隙配置構造体（１）の主面上の少なくとも一方向に周期的に配列された格子状構造を有し、
    　前記被測定物の厚み（Ａ）に対する、前記空隙配置構造体（１）の格子間隔（ｓ）の比率（ｓ／Ａ）が１００以下であることを特徴とする、測定装置。
  11. 　前記空隙配置構造体（１）に照射される電磁波が直線偏光である、請求項１０に記載の測定装置。
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