WO2017038714A1 - 測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置 - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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- G01N21/3586—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation by Terahertz time domain spectroscopy [THz-TDS]
Definitions
- the present invention relates to a measuring device and a measuring apparatus using the measuring device.
- terahertz time-domain spectroscopy THz-TDS
- a femtosecond pulse laser is generally used as the primary light source.
- Patent Document 1 discloses a measurement method for measuring a characteristic value of a measurement target based on terahertz time domain spectroscopy.
- terahertz waves are easily absorbed by polar solvents such as water. For this reason, conventionally, measurement of a liquid sample (measurement target) using a terahertz wave has been difficult.
- An object of the present invention is to provide a measurement device that enables measurement of a liquid sample using terahertz waves, and a measurement apparatus using the same.
- the measurement device includes a terahertz wave generating element, a measurement target injection unit, and a metamaterial.
- the terahertz wave generating element generates a terahertz wave.
- the measurement target injection unit includes a measurement target injection flow channel or a bottomed measurement target injection hole irradiated with the terahertz wave.
- the metamaterial includes one or more split ring resonators that resonate the terahertz wave. At least one of the split ring resonators includes a gap portion facing at least a part of the measurement target injection channel or at least a part of the measurement target injection hole.
- the metamaterial is formed on the terahertz wave generating element.
- the measurement target injection part is formed in the terahertz wave generating element.
- the measurement device further includes a measurement target arrangement device in which the measurement target injection part is formed.
- the terahertz wave generating element generates the terahertz wave by a nonlinear optical effect.
- the split ring resonator has a rectangular outer shape. Further, the direction of the metamaterial is inclined from the direction in which each side of the split ring resonator is aligned with the direction of the electric field and magnetic field of the terahertz wave.
- the measurement target injection section includes the measurement target injection flow path, and the measurement target injection flow path includes a groove.
- the measurement device further includes a cover portion that covers the groove.
- the cover portion includes a discharge path communicating with the groove, and the discharge path discharges the measurement object injected into the groove.
- the measurement target injection section includes the measurement target injection flow path, and the measurement target injection flow path branches into two or more.
- the measurement device includes a plurality of the metamaterials and the measurement target injection unit provided for each of the plurality of metamaterials.
- Each of the measurement target injection portions includes the measurement target injection flow path or the measurement target injection hole.
- the shape and / or size of the split ring resonator is different among the plurality of metamaterials.
- each of the measurement target injection sections includes the measurement target injection flow path.
- the measurement device further includes a first common port and a second common port. One end of each of the measurement target injection flow channels is connected to the first common port. The other end of each of the measurement target injection channels is connected to the second common port.
- a first measuring apparatus includes the above measuring device, a pulse laser generation source, an optical system, and a detector.
- the measurement device includes one metamaterial.
- the pulse laser generation source generates a pulse laser.
- the optical system guides the pulse laser to the terahertz wave generating element.
- the optical system focuses the pulse laser on the terahertz wave generating element, and locally transmits the terahertz wave from the terahertz wave generating element so that the terahertz wave passes through the gap portion or the vicinity of the gap portion. Is generated.
- the detector detects the terahertz wave after passing through the measurement target injection part and the gap part or the vicinity of the gap part.
- the measurement target injection section includes the measurement target injection flow path
- the measurement device further includes a power supply section that applies a voltage between both ends of the measurement target injection flow path.
- a second measuring apparatus includes the above-described measuring device, a pulse laser generation source, an optical system, and a detector.
- the measurement device includes a plurality of the metamaterials.
- the pulse laser generation source generates a pulse laser.
- the optical system guides the pulse laser to the terahertz wave generating element.
- the optical system condenses the pulse laser on the terahertz wave generating element, and each of the measurement target injection parts and the gap part or the vicinity of the gap part corresponding to each of the measurement target injection parts are The terahertz wave is locally generated from the terahertz wave generating element so that the terahertz wave is transmitted.
- the detector detects the terahertz wave after passing through each of the measurement target injection parts and the gap part or the vicinity of the gap part corresponding to each of the measurement target injection parts.
- the optical system includes a scanning mechanism that scans the pulse laser with respect to the terahertz wave generating element, and the scanning mechanism is configured such that the pulse laser locally focuses on each of the plurality of metamaterials.
- each of the measurement target injection sections includes the measurement target injection flow path
- the measurement device further includes a power supply section that applies a voltage between both ends of the measurement target injection flow path.
- FIG. 1 shows the structure of the measuring apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a top view which shows the device for a measurement which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a top view which shows the split ring resonator which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a top view which shows the 1st modification of the device for a measurement which concerns on Embodiment 1 of this invention.
- A) is a top view which shows the 2nd modification of the measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention
- (b) is a cross section which shows the 2nd modification of the measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention.
- FIG. (A) is a top view which shows the 3rd modification of the measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention
- (b) is a cross section which shows the 3rd modification of the measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention.
- FIG. (A) is a top view which shows the 4th modification of the measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention
- (b) is a cross section which shows the 4th modification of the measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention.
- FIG. It is a top view which shows the 5th modification of the device for a measurement which concerns on Embodiment 1 of this invention.
- It is a top view which shows the 6th modification of the device for a measurement which concerns on Embodiment 1 of this invention.
- FIG. 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- FIG. 3 is a graph showing measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
- (A) is a graph which shows the measurement result of Example 4 of this invention
- (b) is a figure which expands and shows a part of graph of Fig.22 (a).
- It is a top view which shows the structure of the device which concerns on Example 5 of this invention.
- It is a graph which shows the measurement result of Example 5 of this invention.
- It is a top view which shows the device for a measurement which concerns on Example 6 of this invention.
- Example 6 of this invention It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. (A) And (b) is a graph which shows the measurement result of Example 6 of this invention. It is a top view which shows the structure of the metamaterial which concerns on Example 7 of this invention. (A) is a graph which shows the measurement result of Example 7 of this invention, (b) is a graph which shows the comparative example 2. FIG. It is a graph which shows the measurement result of Example 8 and Comparative Example 3 of the present invention. It is a top view which shows the measuring device which concerns on Example 9 of this invention. It is a graph which
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a measurement apparatus 1 according to the first embodiment.
- the measuring device 1 is a terahertz time domain spectroscopic device.
- the measuring apparatus 1 includes a pulse laser generation source 2, a ⁇ / 2 plate 3, a polarizing beam splitter 4, an acoustooptic device (AOM) 6, and a measuring device 10.
- the pulse laser generation source 2 generates a pulse laser.
- the pulse laser is not particularly limited as long as it is an excitation light that generates the terahertz wave T.
- femtosecond pulsed lasers having a pulse width on the order of femtoseconds ( 10-15 seconds) may be used.
- the femtosecond pulse laser has a wavelength of 1.5 ⁇ m band and a pulse width of 50 fs (femtosecond) or more and 200 fs (femtosecond) or less.
- the ⁇ / 2 plate 3 adjusts the linear polarization of the pulse laser generated from the pulse laser generation source 2 in an arbitrary direction.
- the pulse laser that has passed through the ⁇ / 2 plate 3 enters the polarization beam splitter 4.
- the polarizing beam splitter 4 distributes the pulse laser incident from the ⁇ / 2 plate 3 into pump light (pulse laser) and probe light (pulse laser) at a predetermined ratio.
- the pump light enters the acousto-optic element 6 through the condenser lens 5.
- the pump light is modulated at high speed by the acoustooptic device 6.
- the high-speed modulated pump light is guided to the measuring device 10 via the condenser lens 7, the reflecting mirror 8, and the condenser lens 9 in this order.
- the condensing lens 9 condenses the pump light at a predetermined position of the measuring device 10.
- the measuring device 10 includes a terahertz wave generating element that generates a terahertz wave T.
- the material of the terahertz wave generating element is not particularly limited as long as it is a material that generates the terahertz wave T according to the irradiated light.
- a nonlinear optical crystal can be used as the material of the terahertz wave generating element.
- the optical rectification action (nonlinear optical effect) of the nonlinear optical crystal can be used to generate the terahertz wave T.
- gallium arsenide (GaAs) ⁇ 110> can be used as the nonlinear optical crystal.
- Gallium arsenide is a semiconductor.
- a gallium arsenide ⁇ 110> substrate is used as the terahertz wave generating element.
- the gallium arsenide ⁇ 110> substrate is a semiconductor substrate.
- the gallium arsenide ⁇ 110> substrate is referred to as a “GaAs substrate”.
- gallium arsenide ⁇ 110> is a non-organic crystal
- the material of the terahertz wave generating element is not limited to the non-organic crystal.
- An organic crystal may be used as the material of the terahertz wave generating element.
- an organic crystal such as 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate (DAST) and 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium p-chlorobenzene sulfate (DASC) is used.
- DAST 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate
- DASC 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium p-chlorobenzene sulfate
- the GaAs substrate generates a terahertz wave T (terahertz electromagnetic wave pulse) from the spot where the pump light is condensed.
- the GaAs substrate locally generates terahertz waves.
- a measurement target injection flow path (measurement target injection section) into which a measurement target is injected is formed on a GaAs substrate, and the pump light is transmitted so that the terahertz wave T passes through the measurement target injection flow path. Focused on the GaAs substrate.
- the measuring apparatus 1 includes an optical system that locally generates a terahertz wave T from a GaAs substrate (terahertz wave generating element).
- an optical system that locally generates a terahertz wave T from a GaAs substrate includes a ⁇ / 2 plate 3, a polarization beam splitter 4, an acoustooptic device 6, and condenser lenses 5 and 7. , 9 and the reflection mirror 8.
- the measurement target is a liquid sample.
- the terahertz wave T generated from the GaAs substrate passes through the measurement target injection channel, and then passes through the pair of off-axis paraboloid mirrors 11 and 12 and the Si (silicon) lens 13 in this order to the detector 14. Led.
- the Si lens 13 condenses the terahertz wave T at a predetermined position of the detector 14.
- the detector 14 is not particularly limited as long as the terahertz wave T can be detected.
- the detector 14 is generally a photoconductive switch or an electro-optic crystal. In this embodiment, a photoconductive switch is used.
- the detector 14 is constituted by an LT-GaAs photoconductive switch.
- the LT-GaAs photoconductive switch can be fabricated by growing a GaAs epitaxial film on a semi-insulating gallium arsenide (GaAs) substrate at a low temperature.
- the other pulse laser (probe light) branched from the polarization beam splitter 4 is guided to the reflection mirror 18 via the pair of reflection mirrors 15 and 16 installed on the delay stage 17.
- the reflection mirror 18 guides the probe light to the reflection mirror 19.
- the reflection mirror 19 makes the probe light enter the condenser lens 20.
- the condensing lens 20 condenses the probe light onto the second harmonic generation element 21.
- the second harmonic generation element 21 is provided to detect the terahertz wave T with high efficiency.
- the second harmonic generation element 21 performs harmonic modulation on the probe light.
- the second harmonic generation element 21 is typically made of a barium borate (BaB 2 O 4 ; BBO) crystal or a PPLN (Periodically Polluted Lithium Niobate) crystal.
- the probe light subjected to the harmonic wave modulation is condensed on the detector 14 by the condenser lens 22.
- the condensing lens 22 condenses the probe light at a predetermined position of the detector 14.
- the detector 14 generates an instantaneous current when the timing at which the terahertz wave T (terahertz electromagnetic wave pulse) enters the detector 14 and the timing at which the probe light (pulse laser) enters the detector 14 overlap.
- the instantaneous current has a current value proportional to the intensity of the electric field of the terahertz wave T.
- the delay stage drive mechanism 23 continuously reciprocates the delay stage 17 at a constant speed along a direction parallel to the direction in which the probe light branched from the polarization beam splitter 4 travels straight.
- the timing at which the terahertz wave T and the probe light simultaneously enter the detector 14 changes continuously (temporally).
- the arithmetic unit 24 Fourier-transforms the output of the detector 14 (the detection signal of the terahertz wave T).
- the frequency spectrum of the terahertz wave T can be acquired by Fourier-transforming the output of the detector 14.
- the computing device 24 can be configured by a general-purpose computer such as a personal computer.
- FIG. 2 is a plan view showing the measurement device 10 according to the first embodiment.
- the measuring device 10 includes a GaAs substrate 31.
- the GaAs substrate 31 is an example of a terahertz wave generating element.
- a measurement target injection flow path 32 (measurement target injection portion) is formed in the GaAs substrate 31.
- a liquid sample (measuring object) is injected into the measuring object injection channel 32.
- the measurement target injection channel 32 includes a groove.
- the measuring device 10 further includes a first port 33 and a second port 34.
- the first port 33 and the second port 34 are formed in the GaAs substrate 31.
- the first port 33 is connected to one end of the measurement target injection channel 32.
- the second port 34 is connected to the other end of the measurement target injection channel 32.
- the measurement target injection channel 32 is a micro channel. Specifically, the measurement target injection channel 32 has a width and depth on the order of micrometers (1 ⁇ m or more and less than 1 mm).
- the liquid sample dropped on the first port 33 flows (moves) through the measurement target injection flow channel 32 by capillary action.
- the liquid sample is filled in the measurement target injection channel 32.
- An excessive amount of liquid sample that could not be accommodated in the measurement target injection channel 32 is discharged from the second port 34.
- the manufacturing method of the measurement target injection channel 32, the first port 33, and the second port 34 is not particularly limited.
- the measurement target injection channel 32, the first port 33, and the second port 34 may be formed on the surface of the GaAs substrate 31 by photolithography.
- the measuring device 10 further includes a metamaterial 35 that resonates the terahertz wave T.
- the metamaterial 35 has a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability. In other words, the metamaterial 35 has a negative refractive index.
- the metamaterial 35 includes at least one split-ring resonator (SRR) 36 that is a metaatom.
- the metamaterial 35 includes 25 split ring resonators 36.
- the outer shape of each split ring resonator 36 is a square, but the outer shape of each split ring resonator 36 is not limited to a square.
- the outer shape of each split ring resonator 36 may be a rectangle or a circle.
- the metamaterial 35 is formed on the GaAs substrate 31.
- the method for producing the metamaterial 35 is not particularly limited.
- the metamaterial 35 an array of the split ring resonators 36
- the material of the metamaterial 35 is not particularly limited as long as it has conductivity, but a metal is preferable from the viewpoint of conductivity, and gold having high conductivity is particularly preferable.
- the divided ring resonators 36 are arranged at regular intervals (periodically) in the vertical and horizontal directions with the gap portions 37 aligned.
- the arrangement of the split ring resonators 36 is not particularly limited as long as the terahertz wave T can resonate.
- the measurement target injection channel 32 is formed so as to penetrate the metamaterial arrangement region 31a when the GaAs substrate 31 (measurement device 10) is viewed in plan.
- the metamaterial 35 is formed in the metamaterial arrangement region 31 a of the GaAs substrate 31.
- the measurement target injection channel 32 is formed so as to penetrate a portion of the metamaterial arrangement region 31a where the five split ring resonators 36 arranged in the center of the metamaterial 35 are arranged. ing.
- the measurement target injection flow path 32 passes below the five split ring resonators 36 arranged in the center of the metamaterial 35. Therefore, the five split ring resonators 36 arranged in the center of the metamaterial 35 are opposed to the measurement target injection channel 32.
- the width of the measurement target injection channel 32 may be determined in advance according to the dimension of the split ring resonator 36, and can typically be selected from a range of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
- the depth of the measurement target injection channel 32 may be arbitrarily determined, and can typically be selected from a range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
- Each split ring resonator 36 includes at least one gap portion 37.
- the five split ring resonators 36 facing the measurement target injection flow path 32 include three gap portions 37, and the other twenty split ring resonators 36 include one gap portion 37.
- FIG. 3 is a plan view showing the split ring resonator 36 according to the first embodiment. Specifically, FIG. 3 shows a split ring resonator 36 that faces the measurement target injection channel 32.
- the split ring resonator 36 facing the measurement target injection flow path 32 includes three gap portions 37a, 37b, and 37c. Of the three gap portions 37a, 37b, and 37c, the two gap portions 37a and 37c face each other in the direction along the measurement target injection flow channel 32.
- the measurement target injection channel 32 passes below the two gap portions 37a and 37c. In other words, the measurement target injection flow channel 32 faces the two gap portions 37a and 37c.
- the measurement target injection channel 32 does not face the gap portion 37b.
- the gap part 37b is provided on the same side as the gap part 37 of the split ring resonator 36 not facing the measurement target injection flow path 32 (see FIG. 2).
- the measuring apparatus 1 described with reference to FIG. 1 condenses pump light (pulse laser) so that one of the split ring resonators 36 included in the metamaterial 35 is irradiated with the terahertz wave T. .
- the terahertz wave T is applied to one of the split ring resonators 36 facing the measurement target injection channel 32.
- the split ring resonator 36 located at the center of the metamaterial 35 is irradiated with the terahertz wave T.
- the pump light is used so that one of the gap portions 37 a and 37 c facing the measurement target injection flow channel 32 is irradiated with the terahertz wave T via the measurement target injection flow channel 32.
- the terahertz wave T generated locally from the GaAs substrate 31 is applied to one of the gap portions 37 a and 37 c of the split ring resonator 36 located at the center of the metamaterial 35.
- the measurement target injection channel 32 is formed in the GaAs substrate 31. Further, the terahertz wave T is locally generated from the GaAs substrate 31. As a result, the terahertz wave T before diffraction is irradiated to the measurement target injection channel 32 with high density. Therefore, even if the liquid sample is injected into the measurement target injection flow channel 32, the terahertz wave T passes through the measurement target injection flow channel 32 (liquid sample). The terahertz wave T transmitted through the measurement target injection channel 32 is emitted from the measurement device 10 after being irradiated on the metamaterial 35.
- the terahertz wave T before diffraction is irradiated onto the metamaterial 35.
- polarized light (terahertz wave T) perpendicular to the metamaterial 35 is incident on one of the split ring resonators 36 included in the metamaterial 35.
- the terahertz wave T resonates at a certain frequency. In other words, resonance appears at a certain frequency in the frequency spectrum of the terahertz wave T.
- the resonance frequency of the terahertz wave T is determined depending on the structure of the metamaterial 35 and the liquid sample. Specifically, the terahertz wave T resonates at a specific frequency determined depending on the number and arrangement of the split ring resonators 36, the shape and size of each split ring resonator 36, the capacity of the gap portion 37, and the like.
- the capacities of the gap portions 37a and 37c vary depending on whether or not a liquid sample is injected into the measurement target injection channel 32.
- the capacities of the gap portions 37a and 37c vary depending on the contents of the liquid sample (type of liquid, components contained in the liquid, etc.).
- the resonance frequency of the terahertz wave T changes (shifts) depending on whether or not the liquid sample is injected into the measurement target injection channel 32. Further, the resonance frequency of the terahertz wave T changes (shifts) according to the content of the liquid sample. In other words, the frequency spectrum of the terahertz wave T changes depending on whether or not the liquid sample is injected into the measurement target injection channel 32. Further, the frequency spectrum of the terahertz wave T changes according to the content of the liquid sample.
- the vertical and horizontal widths of the split ring resonator 36 and the width of the gap portion 37 are not particularly limited as long as the split ring resonator 36 can resonate the terahertz wave T.
- the vertical and horizontal widths of the split ring resonator 36 are not particularly limited as long as they are smaller than the wavelength of the terahertz wave T.
- the vertical width of the split ring resonator 36 is 40 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less
- the horizontal width of the split ring resonator 36 is 40 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less
- the width of the gap portion 37 is 5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
- the widths of the gap portions 37 a and 37 c may be equal to the width of the measurement target injection flow channel 32 or may be different from the width of the measurement target injection flow channel 32.
- the widths of the gap portions 37a to 37c may be equal or different.
- the period (see FIG. 2) at which the split ring resonator 36 is repeatedly arranged is preferably smaller than the wavelength of the terahertz wave T. Thereby, a remarkable resonance appears in the terahertz wave T. Further, as the period of the position where the split ring resonator 36 is repeatedly arranged is smaller, more remarkable resonance tends to appear in the terahertz wave T.
- the cycle of the position where the split ring resonator 36 is repeatedly arranged is referred to as “the cycle of the split ring resonator 36”.
- the period of the split ring resonator 36 is not less than 50 ⁇ m and not more than 200 ⁇ m.
- the terahertz wave T can be locally generated from the terahertz wave generating element (GaAs substrate 31) included in the measurement device 10. Accordingly, it becomes possible to directly irradiate the terahertz wave T to one split ring resonator 36. By irradiating one of the split ring resonators 36 included in the metamaterial 35 with the terahertz wave T, the terahertz wave T can be resonated.
- the capacities of the gap portions 37a and 37c change depending on whether or not the liquid sample is injected into the measurement target injection channel 32.
- the measurement target injection flow channel 32 faces the gaps 37a and 37c of the split ring resonator 36 irradiated with the terahertz wave T.
- the resonance frequency of the terahertz wave T shifts depending on whether or not the liquid sample is injected into the measurement target injection channel 32.
- the resonance frequency of the terahertz wave T is shifted according to the content of the liquid sample. Therefore, for example, the resonance frequency acquired when the liquid sample is not injected into the measurement target injection channel 32 and the resonance frequency acquired when the liquid sample is injected into the measurement target injection channel 32 are compared.
- the shift amount of the resonance frequency can be analyzed. Furthermore, the electrical characteristics such as the complex dielectric constant of the liquid sample can be measured based on the shift amount of the resonance frequency. Therefore, a qualitative analysis of a liquid sample (particularly an aqueous solution sample) can be performed with high sensitivity.
- the liquid sample injected into the measurement target injection channel 32 can be measured. Therefore, quantitative analysis of a liquid sample (particularly an aqueous solution sample) can be performed with high sensitivity. Further, different types of liquid samples can be dropped into the first port 33 and the second port 34 and mixed in the measurement target injection flow channel 32. Therefore, it is possible to trace the reaction of two types of liquid samples (changes in the liquid mixture over time).
- the metamaterial 35 is described as having 25 split ring resonators 36, but the number of split ring resonators 36 is not particularly limited.
- n 2 (n is an integer) split ring resonators 36 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions, the greater the number of split ring resonators 36, the more the resonance tends to be enhanced. That is, a significant resonance appears in the terahertz wave T. Therefore, it is preferable that the n 2 split ring resonators 36 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions and the number of split ring resonators 36 is increased as much as possible.
- the split ring resonator 36 positioned at the center of the metamaterial 35 is irradiated with the terahertz wave T.
- the split ring resonator 36 irradiated with the terahertz wave T is a measurement target. Any split ring resonator 36 facing the injection flow path 32 may be used, and the split ring resonator 36 is not limited to the center of the metamaterial 35.
- the split ring resonator 36 located at the center of the metamaterial 35 is irradiated with the terahertz wave T, so that the terahertz wave T is prominent. Resonance appears. In other words, the resonance enhancement effect can be obtained efficiently.
- the measurement target injection channel 32 faces the five split ring resonators 36 arranged in the center of the metamaterial 35.
- the measurement target injection channel 32 faces the measurement target injection channel 32.
- the split ring resonator 36 is not particularly limited. However, when n 2 split ring resonators 36 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions, the split ring resonator 36 located at the center of the metamaterial 35 is irradiated with the terahertz wave T, so that the terahertz wave T is prominent. Resonance appears. Therefore, the measurement target injection channel 32 is preferably opposed to the split ring resonator 36 arranged in the center of the metamaterial 35. In other words, it is preferable that the measurement target injection flow channel 32 penetrates the center of the metamaterial arrangement region 31a.
- the form in which the terahertz wave T is applied to one of the gap portions 37 facing the measurement target injection channel 32 has been described.
- the position at which the terahertz wave T is applied is measured. It is not limited to one of the gap portions 37 facing the target injection channel 32.
- the terahertz wave T can be irradiated near the gaps 37a and 37b of the split ring resonator 36 to be irradiated.
- the terahertz wave T can be applied to any part of the split ring resonator 36 to be irradiated.
- the terahertz wave T may be applied to the central portion of the split ring resonator 36 to be irradiated.
- the measurement target injection part is the measurement target injection flow path 32, but the measurement target injection part is not limited to the measurement target injection flow path 32.
- FIG. 4 is a plan view showing a first modification of the measuring device 10.
- the measuring device 10 may have a bottomed measurement target injection hole 32a as a measurement target injection portion.
- the measuring device 10 according to the first modification includes nine split ring resonators 36.
- the nine split ring resonators 36 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions.
- the measurement target injection hole 32 a faces the gap portion 37 included in the center divided ring resonator 36 among the nine divided ring resonators 36.
- the split ring resonator 36 located at the center of the metamaterial 35 is referred to as a “center split ring resonator 36”.
- the diameter of the measurement target injection hole 32a may be determined in advance according to the dimension of the split ring resonator 36, and can typically be selected from a range of 5 ⁇ m to 10 ⁇ m. In addition, the depth of the measurement target injection hole 32a can be typically selected from a range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
- the measurement target injection portion is the measurement target injection hole 32a
- the first port 33 and the second port 34 described with reference to FIG. 2 are not necessary. Note that the width of the gap portion 37 may be equal to the diameter of the measurement target injection hole 32a or may be different from the diameter of the measurement target injection hole 32a.
- the measurement target injection flow path 32 (measurement target injection section) is formed on the GaAs substrate 31.
- the measurement target injection flow path 32 (measurement target injection section) is a separate device ( For example, it may be formed on another substrate.
- FIG. 5A is a plan view showing a second modification of the measurement device 10
- FIG. 5B is a cross-sectional view showing a second modification of the measurement device 10. Specifically, FIG. 5B shows a cross section along the line VB-VB shown in FIG.
- the measurement device 10 according to the second modification further includes a measurement target arrangement device 38.
- the measurement object arranging device 38 may be made of resin or glass, for example.
- a measurement target injection flow path 32 (measurement target injection portion), a first port 33, and a second port 34 are formed.
- the measurement target injection channel 32 is provided inside the measurement target arrangement device 38.
- the measurement object arranging device 38 is arranged above the metamaterial 35.
- the terahertz wave T generated locally from the GaAs substrate 31 is first irradiated to one of the split ring resonators 36 included in the metamaterial 35.
- the terahertz wave T is applied to the central split ring resonator 36.
- the terahertz wave T is applied to the measurement target injection flow path 32 (measurement target injection portion) via one split ring resonator 36.
- the distance between the metamaterial 35 (divided ring resonator 36) and the measurement target injection channel 32 (measurement target injection unit) is such that the terahertz wave T before diffraction enters the measurement target injection channel 32 (measurement target injection unit).
- the distance between the metamaterial 35 (divided ring resonator 36) and the measurement target injection flow path 32 (measurement target injection portion) is 50 ⁇ m or less.
- FIG. 6A is a plan view showing a third modification of the measurement device 10
- FIG. 6B is a cross-sectional view showing a third modification of the measurement device 10. Specifically, FIG. 6B shows a cross section taken along line VIB-VIB shown in FIG.
- the measurement device 10 includes a metamaterial placement device 39 and a spacer 40.
- the metamaterial placement device 39 may be, for example, a high resistance silicon substrate.
- a metamaterial 35 (divided ring resonator 36) is formed on the metamaterial arranging device 39.
- the metamaterial placement device 39 is placed above the GaAs substrate 31 via a spacer 40.
- the metamaterial placement device 39 is provided such that the metamaterial 35 is sandwiched between the metamaterial placement device 39 and the GaAs substrate 31.
- the terahertz wave T generated locally from the GaAs substrate 31 is first measured with the measurement target injection channel 32 (measurement target injection section). Is irradiated.
- the terahertz wave T is applied to one of the split ring resonators 36 included in the metamaterial 35 via the measurement target injection flow channel 32.
- the terahertz wave T is applied to the central split ring resonator 36.
- the distance between the metamaterial 35 (split ring resonator 36) and the measurement target injection flow path 32 (measurement target injection section) is such that the terahertz wave T before diffraction is applied to the metamaterial 35 (split ring resonator 36). As long as the distance is obtained, it is not particularly limited.
- the distance between the metamaterial 35 (divided ring resonator 36) and the measurement target injection flow path 32 (measurement target injection portion) is 50 ⁇ m or less.
- FIG. 7A is a plan view showing a fourth modification of the measurement device 10
- FIG. 7B is a cross-sectional view showing a fourth modification of the measurement device 10.
- FIG. 7B shows a cross section taken along the line VIIB-VIIB shown in FIG.
- the measurement device 10 includes a cover portion 41 that covers the measurement target injection channel 32 (groove).
- the cover part 41 may be made of resin or glass, for example.
- the cover part 41 includes a discharge path 42.
- the discharge path 42 is a micro flow path, and one end of the discharge path 42 communicates with the measurement target injection flow path 32 at the center position of the measurement target injection flow path 32. Further, the other end of the discharge path 42 is open on a side surface in the longitudinal direction of the cover body (portion where the discharge path 42 is formed).
- the other end of the discharge path 42 is open on the side surface of the cover body on the second port 34 side. In other words, the other end of the discharge path 42 opens above the second port 34.
- the cover part 41 further has a tray part 46.
- the saucer part 46 protrudes from the side surface of the cover part main body.
- the tray portion 46 protrudes from the side surface on the second port 34 side of the cover portion main body. Specifically, the tray 46 projects from the position below the other end (opening) of the discharge path 42 so as to partially cover the second port 34.
- the measurement device 10 when a liquid sample is dropped into the first port 33 and the second port 34, an excessive amount of liquid sample that could not be accommodated in the measurement target injection channel 32 Is injected into the discharge passage 42 using the capillary phenomenon as a driving force. Further, an excessive amount of liquid sample that could not be accommodated in the discharge path 42 is discharged to the tray portion 46.
- the liquid samples dropped on the first port 33 and the second port 34 may be different types of liquid samples or the same type of liquid sample.
- the position where the other end of the discharge path 42 opens is not limited to the position above the second port 34.
- the other end of the discharge path 42 may be opened above the first port 33.
- the tray part 46 protrudes from the position below the other end (opening) of the discharge path 42 so as to partially cover the first port 33.
- the other end of the discharge path 42 may be opened in a different surface from the side surface on the first port 33 side and the side surface on the second port 34 side of the cover body. In this case, the tray part 46 can be omitted.
- each split ring resonator 36 includes one or three gaps 37.
- the number of gaps 37 included in each split ring resonator 36 is determined by the metamaterial 35.
- FIG. 8 is a plan view showing a fifth modification of the measuring device 10.
- each split ring resonator 36 of the measuring device 10 includes two gap portions 37.
- the two gap portions 37 are provided on two opposing sides in each split ring resonator 36.
- the split ring resonators 36 are aligned at equal intervals in the vertical and horizontal directions with the direction of the gap portion 37 aligned ( (Periodically) arranged.
- the two gap portions 37 of each split ring resonator 36 face each other in the direction along the measurement target injection flow path 32, and the measurement target injection flow path 32 is arranged at the center of the metamaterial 35. It passes under the gap portion 37 included in the five split ring resonators 36.
- FIG. 9 is a plan view showing a sixth modification of the measuring device 10.
- the measurement device 10 according to the sixth modification has a Y-shaped measurement target injection channel 32.
- the measurement target injection flow path 32 includes a first flow path 321, a second flow path 322, and a third flow path 323, and the first flow path 321, the second flow path 322, and the third flow path 323.
- the base ends of each other are connected (joined).
- the measurement target injection channel 32 is branched into two channels.
- the measurement device 10 according to the sixth modification includes two first ports 33 and one second port 34. Two first ports 33 and one second port 34 are formed in the GaAs substrate 31.
- the two first ports 33 are connected to the tips of the first flow path 321 and the second flow path 322, respectively, and the second port 34 is connected to the tips of the third flow path 323.
- the third flow path 323 passes below the metamaterial 35.
- the metamaterial 35 has a position where the base ends of the first flow path 321, the second flow path 322, and the third flow path 323 merge when the measurement device 10 is viewed in plan, and the second port 34. Between the two.
- the measurement device 10 According to the measurement device 10 according to the sixth modification, different types of liquid samples can be dropped into the two first ports 33 and mixed in the third flow path 323. Therefore, when a mixed sample obtained by mixing two types of liquid samples is used as a measurement target, the intended measurement of the mixed sample can be performed simply by dropping the two types of liquid samples onto the two first ports 33, respectively. Can do. In other words, preparation and measurement of a desired mixed sample can be performed simultaneously using one measuring device 10. Therefore, it is possible to reduce the labor (labor) of preparing the intended mixed sample in advance.
- the measurement target injection flow path 32 is branched into two flow paths, but the number of measurement target injection flow paths 32 is not particularly limited.
- the measurement target injection channel 32 may be branched into three or more channels.
- the measuring apparatus 1 according to the second embodiment will be described. However, items different from the first embodiment will be mainly described, and a description overlapping with the first embodiment will be omitted as appropriate. Unlike the first embodiment, the measurement apparatus 1 according to the second embodiment can perform electrophoresis of components contained in a liquid sample.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a main part of the measuring apparatus 1 according to the second embodiment.
- the measuring apparatus 1 according to the second embodiment further includes a DC power supply device 25, a positive electrode 43, and a negative electrode 44.
- the positive electrode 43 is disposed at the first port 33 and the negative electrode 44 is disposed at the second port 34.
- the positive electrode of the DC power supply device 25 is electrically connected to the positive electrode 43 via the electric wire 45
- the negative electrode of the DC power supply device 25 is electrically connected to the negative electrode 44 via the electric wire 45.
- the liquid sample is loaded into at least one of the first port 33 and the second port 34 so that the liquid sample is filled in the measurement target injection flow path 32, the first port 33, and the second port 34. Dripping.
- the DC power supply device 25 applies a DC voltage between both ends of the measurement target injection channel 32 (between the first port 33 and the second port 34). As a result, each component contained in the liquid sample migrates (moves) in the solvent and is separated.
- the resonance frequency before execution of electrophoresis can be compared with the resonance frequency after execution of electrophoresis. Therefore, by measuring the resonance frequency before the electrophoresis is performed and the resonance frequency after the electrophoresis is performed, the electrical characteristics such as the complex dielectric constant of the biological sample (for example, protein, amino acid, fat, sugar) are measured. It becomes possible. Further, the resonance frequency can be measured in a place where each component (biological sample) is separated by electrophoresis.
- FIG. 11 is a plan view showing a modification of the measuring device 10 according to the second embodiment.
- the measurement device 10 shown in FIG. 11 includes a measurement target arrangement device 38, similarly to the measurement device 10 described with reference to FIG. In the measurement target arrangement device 38, a measurement target injection channel 32, a first port 33, and a second port 34 are formed. Further, the measuring device 10 shown in FIG. 11 includes a positive electrode 43 and a negative electrode 44. The positive electrode 43 and the negative electrode 44 are respectively disposed on the first port 33 and the second port 34 of the measurement object arranging device 38.
- the measuring apparatus 1 according to Embodiment 3 will be described. However, items different from the first embodiment and the second embodiment will be mainly described, and a description overlapping with the first embodiment and the second embodiment will be omitted as appropriate. Unlike the first embodiment, the measuring apparatus 1 according to the third embodiment is scanned with pump light.
- FIG. 12 is a diagram illustrating an optical configuration of the measuring apparatus 1 according to the third embodiment.
- the measuring apparatus 1 according to the third embodiment includes a pulse laser generation source 2, a polarizing beam splitter 4, an acoustooptic device 6, a measuring device 10, and a pair of off-axis paraboloid mirrors. 11, 12, Si lens 13, detector 14, delay stage 17, second harmonic generation element 21, condenser lenses 9 and 22, first galvanometer mirror 26a, and second galvanometer mirror 26b A beam expander 27 and eight reflecting mirrors 28.
- the measurement apparatus 1 according to the third embodiment includes a first stepping motor that drives the first galvanometer mirror 26a and a second stepping motor that drives the second galvanometer mirror 26b.
- the measuring apparatus 1 according to the third embodiment includes a delay stage driving mechanism 23 and an arithmetic unit 24 as in the measuring apparatus 1 described with reference to FIG.
- the measuring apparatus 1 according to Embodiment 3 can control the operation of the first galvanometer mirror 26a (first stepping motor) and the operation of the second galvanometer mirror 26b (second stepping motor) by the arithmetic device 24.
- the measurement apparatus 1 according to the third embodiment has a first galvanometer mirror 26a (first stepping motor) so that the spot of the pump light (pulse laser) is two-dimensionally scanned on the back surface of the GaAs substrate 31.
- the operation of the second galvanometer mirror 26b (second stepping motor) can be controlled.
- FIG. 13 is a plan view showing the measurement device 10 according to the third embodiment.
- the measurement device 10 according to the third embodiment includes four metamaterials 35.
- the four metamaterials 35 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions.
- the measurement device 10 according to the third embodiment includes a measurement target injection hole 32 a provided for each of the four metamaterials 35. Specifically, each measurement target injection hole 32 a faces the gap portion 37 of the split ring resonator 36 at the center of the corresponding metamaterial 35.
- the measuring apparatus 1 described with reference to FIG. 12 operates the first galvanometer mirror 26a and the second galvanometer mirror 26b so that the terahertz wave T is sequentially irradiated onto the split ring resonator 36 at the center of each metamaterial 35.
- the distance D (see FIG. 13) between the adjacent metamaterials 35 is determined such that the metamaterials 35 do not affect each other with respect to the resonance frequency of each terahertz wave T that passes through each metamaterial 35. .
- the distance D between adjacent metamaterials 35 is 300 ⁇ m or more.
- the measurement apparatus 1 has been described with respect to a mechanism using a galvano mirror, that is, a so-called galvano scanner, as a mechanism for scanning the spot of the pump light. It is not limited to galvo scanners.
- the mechanism for scanning the spot of the pump light may be a mechanism including at least one mirror and a driving mechanism for driving the mirror.
- a gyro scanner may be used as a mechanism for scanning a spot of pump light.
- FIG. 14 is a plan view showing a first modification of the measuring device 10 according to the third embodiment.
- the measuring device 10 shown in FIG. 14 includes three metamaterials 35, and the three metamaterials 35 are periodically arranged in the vertical direction.
- FIG. 15 is a plan view illustrating a second modification of the measurement device 10 according to the third embodiment.
- the measurement device 10 illustrated in FIG. 15 includes three types of metamaterials 35. Specifically, the measurement device 10 illustrated in FIG. 15 includes a first metamaterial 35a, a second metamaterial 35b, and a third metamaterial 35c.
- the outer shape of the split ring resonator 36 included in the first metamaterial 35a is circular.
- the outer shape of the split ring resonator 36 included in the second metamaterial 35b is a square.
- the outer shape of the split ring resonator 36 included in the third metamaterial 35c is a rectangle.
- the resonance frequency of the terahertz wave T is determined depending on the structure of the metamaterial 35 and the liquid sample. Depending on the combination of the structure of the metamaterial 35 and the liquid sample, there is a possibility that no significant resonance appears in the terahertz wave T. .
- the same liquid sample can be obtained from the first metamaterial 35a to the third metamaterial 35c having different structures without exchanging the measurement device 10. It is possible to measure through each. Therefore, it is possible to select a result in which a more remarkable resonance appears from the three types of measurement results obtained without replacing the measuring device 10. Therefore, the measurement efficiency can be improved.
- FIG. 16 is a plan view showing a third modification of the measuring device 10 according to the third embodiment.
- the measurement device 10 shown in FIG. 16 has a measurement target injection channel 32 as a measurement target injection portion.
- the measuring device 10 shown in FIG. 16 includes a first common port 33a and a second common port 34a.
- the first common port 33 a and the second common port 34 a are formed on the GaAs substrate 31.
- One end of each measurement target injection flow channel 32 is connected to the first common port 33a, and the other end of each measurement target injection flow channel 32 is connected to the second common port 34a.
- the liquid sample can be dropped onto the first common port 33a or the second common port 34a.
- the liquid sample can be injected into the three measurement target injection channels 32. Therefore, measurement efficiency can be improved.
- the embodiment of the present invention has been described above with reference to the drawings. According to the embodiment of the present invention, it is possible to measure a small amount of liquid sample.
- the detection sensitivity of the measurement apparatus 1 and the measurement device 10 according to the embodiment of the present invention depends on the volume of the measurement target injection portion (measurement target injection flow path 32 and measurement target injection hole 32a). Specifically, detection sensitivity can be improved by reducing the volume of the measurement target injection portion.
- this invention is not restricted to said embodiment, It is possible to implement in a various aspect in the range which does not deviate from the summary.
- the mode of irradiating pump light onto the back surface of the GaAs substrate 31 (the surface opposite to the surface on which the terahertz wave T is emitted) has been described, but the present invention is not limited to this mode.
- the position where the pump light is irradiated is as long as the terahertz wave T that passes through the measurement target injection section (measurement target injection flow path 32 or measurement target injection hole 32a) and the split ring resonator 36 can be locally generated. There is no particular limitation.
- the form of measuring the electrical characteristics such as the complex dielectric constant of the liquid sample based on the shift amount of the resonance frequency has been described.
- the present invention is not limited to this form.
- the frequency spectrum acquired when the liquid sample is not injected into the measurement target injection unit is compared with the frequency spectrum acquired when the liquid sample is injected into the measurement target injection unit, that is, the frequency spectrum.
- electrical characteristics such as complex permittivity based on the change of.
- the outer shape of the split ring resonator 36 is rectangular (square or rectangular)
- the direction of the electric field E and magnetic field H of the locally generated terahertz wave T (terahertz electromagnetic wave pulse)
- the metamaterial 35 is arranged so that each side of the split ring resonator 36 irradiated with the terahertz wave T is aligned in the direction), but the direction of the metamaterial 35 is not limited to this direction.
- the direction of the metamaterial 35 can be adjusted to a direction in which significant resonance appears in the terahertz wave T.
- the direction of the metamaterial 35 may be inclined from the direction in which each side of the split ring resonator 36 irradiated with the terahertz wave T is aligned with the direction of the electric field E and the magnetic field H of the terahertz wave T.
- the measurement target injection portion is arranged in accordance with the direction of the metamaterial 35 so that the measurement target injection portion faces the gap portion 37 of the split ring resonator 36 irradiated with the terahertz wave T.
- the acoustooptic device 6 is used as an element that modulates the pump light at high speed.
- the element that modulates the pump light at high speed may be any element that can modulate the frequency of light.
- the acoustooptic device 6 is not limited.
- an optical chopper can be used as an element that modulates pump light at high speed.
- the condensing lens 9 is used as a lens that condenses the pump light to a predetermined position of the measuring device 10.
- the condensing lens 9 condenses the pump light toward the measuring device 10.
- the lens to perform is not limited to the condenser lens 9.
- an f- ⁇ lens may be used in place of the condenser lens 9.
- the measurement device 10 has one of the measurement target injection channel 32 and the measurement target injection hole 32a.
- the measurement device 10 includes the measurement target injection channel 32 and the measurement target. You may have both with the injection hole 32a.
- a voltage is applied between the first common port 33a and the second common port 34a to be included in the liquid sample.
- the components to be electrophoresed may be electrophoresed.
- FIG. 17A is a plan view showing the configuration of the metamaterial 35 according to the first embodiment
- FIG. 17B is a plan view showing the configuration of the metamaterial 35 according to the second embodiment.
- Example 1 the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using a device in which the metamaterial 35 having the structure shown in FIG. 17A was formed directly on the GaAs ⁇ 110> substrate by gold sputtering. That is, in Example 1, only one split ring resonator 36 was manufactured.
- the manufactured split ring resonator 36 has a square outer shape with both a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m, and includes a gap portion 37 with a gap width of 10 ⁇ m on one side.
- Example 2 the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using four types of devices having different periods of the split ring resonator 36.
- Each device was produced by forming a metamaterial 35 having the structure shown in FIG. 17B on a GaAs ⁇ 110> substrate. That is, nine divided ring resonators 36 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions. The period of the split ring resonator 36 is 100 ⁇ m, 120 ⁇ m, 180 ⁇ m, or 240 ⁇ m.
- the metamaterial 35 (9 divided ring resonators 36) was produced by gold sputtering.
- Each manufactured split ring resonator 36 has a square outer shape with a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m, and includes a gap portion 37 with a gap width of 10 ⁇ m on one side.
- Example 3 the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using four types of devices with different periods of the split ring resonator 36.
- Each device was produced by forming a metamaterial 35 having the structure shown in FIG. 17C on a GaAs ⁇ 110> substrate. That is, 25 divided ring resonators 36 are periodically arranged in the vertical and horizontal directions. The period of the split ring resonator 36 is 100 ⁇ m, 120 ⁇ m, 180 ⁇ m, or 240 ⁇ m.
- the metamaterial 35 25 divided ring resonators 36) was produced by gold sputtering.
- Each manufactured split ring resonator 36 has a square outer shape with a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m, and includes a gap portion 37 with a gap width of 10 ⁇ m on one side.
- the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using the measuring apparatus 1 having the configuration described with reference to FIG.
- the detector 14 was an LT-GaAs photoconductive switch.
- a PPLN crystal was used for the second harmonic generation element 21.
- the focused spot size of the pulse laser (pump light) on the GaAs substrate was about 20 ⁇ m.
- the pre-diffraction terahertz wave T generated locally from the GaAs substrate is condensed with a high spot density of about 20 ⁇ m.
- the pump light was condensed on the GaAs substrate so that the terahertz wave T was irradiated to the gap portion 37 of the center split ring resonator 36. 18 to 21 show the measurement results.
- FIG. 18 shows a frequency spectrum obtained using a device (Example 1) having one split ring resonator 36 and nine split ring resonators 36.
- FIG. 19 shows a frequency spectrum obtained by using a device (Example 1) in which the number of split ring resonators is one, and the number of split ring resonators is nine.
- the frequency spectrum acquired by using is shown.
- FIG. 20 shows a frequency spectrum obtained using a device (Example 1) having one split ring resonator 36 and nine split ring resonators 36.
- the frequency spectrum acquired by using is shown.
- FIG. 21 shows a frequency spectrum obtained by using a device (Example 1) in which the number of split ring resonators is one, and the number of split ring resonators is nine.
- the frequency spectrum acquired by using is shown.
- the vertical axis represents the transmittance
- the horizontal axis represents the frequency [THz ( ⁇ 10 12 Hz)].
- the frequency at which the transmittance valley (dip) is generated represents the resonance frequency.
- the dip becomes more prominent. That is, a remarkable resonance appeared. Further, as the number of the split ring resonators 36 increases, the dip becomes more prominent.
- FIG. 22A is a graph showing the measurement results of Example 4, and FIG. 22B is an enlarged view of a part of the graph of FIG.
- the metamaterial 35 was produced by direct gold sputtering on a GaAs ⁇ 110> substrate.
- the period of the split ring resonator 36 is 100 ⁇ m.
- Each manufactured split ring resonator 36 has a square outer shape with a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m, and includes a gap portion 37 with a gap width of 10 ⁇ m on one side.
- the measurement target injection channel 32 was formed on the surface of the GaAs substrate 31 by photolithography.
- the width of the measurement target injection flow channel 32 was 20 ⁇ m, and the depth of the measurement target injection flow channel 32 was 20 ⁇ m.
- the same measuring apparatus as in Examples 1 to 3 was used.
- the pump light was condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T was irradiated to one of the gap part 37 a and the gap part 37 c of the center split ring resonator 36.
- a quartz cover having a thickness of 500 ⁇ m is disposed above the measurement target injection flow path 32 (on the metamaterial 35), and the measurement target injection flow path 32 is set. Covered with quartz cover.
- the measurement target injection flow channel 32 was covered with a quartz cover when the measurement was performed in a state where the liquid sample was not injected into the measurement target injection flow channel 32.
- the vertical axis indicates the transmittance
- the horizontal axis indicates the frequency [THz].
- the solid line graph shows the measurement result measured without injecting the liquid sample into the measurement target injection channel 32
- the broken line graph shows the measurement target.
- poured distilled water (pure water) into the injection flow path 32 as a liquid sample is shown.
- the one-dot chain line graph is a measurement measured in a state where a liquid sample (50% ethanol aqueous solution) in which distilled water and ethanol are mixed at a ratio (concentration ratio) of 1: 1 is injected into the measurement target injection channel 32. Results are shown.
- the resonance frequency was about 0.20 [THz] when the liquid sample was not injected into the measurement target injection channel 32. Further, in the state in which distilled water is injected into the measurement target injection flow path 32, the resonance frequency is about 0.11 [THz], and in the state in which a mixed sample of distilled water and ethanol is injected into the measurement target injection flow path 32, The resonance frequency was about 0.15 [THz]. As described above, according to this example, it was confirmed that the resonance frequency changed (shifted) between the mixed sample of distilled water and ethanol and distilled water. That is, it was confirmed that the resonance frequency was shifted depending on the content of the liquid sample.
- FIG. 23 is a plan view illustrating a configuration of a device according to the fifth embodiment.
- the device according to Example 5 has a configuration in which a metamaterial disposing device 39 is disposed above the GaAs substrate 31 in the same manner as the measuring device 10 described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
- Have The metamaterial placement device 39 was produced by forming one split ring resonator 36 (metamaterial) on a high-resistance silicon substrate.
- the split ring resonator 36 was produced by gold sputtering.
- the produced split ring resonator 36 has a square outer shape with both a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m.
- the manufactured split ring resonator 36 includes a gap portion 37 having a gap width of 10 ⁇ m on two opposing sides.
- Example 5 the direction of the metamaterial (divided ring resonator 36) is tilted from the direction in which each side of the divided ring resonator 36 is aligned with the direction of the electric field E and magnetic field H of the terahertz wave T (tilt angle ⁇ ).
- the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured.
- the metamaterial placement device 39 was rotated around its central axis to change the angle (direction) of the metamaterial (divided ring resonator 36) with respect to the GaAs substrate 31.
- the measuring apparatus the same measuring apparatus as in Examples 1 to 4 was used.
- the pump light was condensed on the GaAs substrate 31 so that one of the two gap portions 37 was irradiated with the terahertz wave T.
- the measurement results are shown in FIG.
- the inclination angle ⁇ is a positive angle in the clockwise direction.
- the vertical axis indicates the transmittance
- the horizontal axis indicates the frequency [THz].
- the frequency spectrum was measured by changing the inclination angle ⁇ to ⁇ 2 °, 18 °, 36 °, 47 °, 55 °, 64 °, 80 °, and 91 °. As shown in FIG. 24, it was confirmed that the frequency spectrum changed when the inclination angle ⁇ was changed. Specifically, the drop in transmittance at the resonance frequency became sharper as the tilt angle increased.
- FIG. 25 is a plan view illustrating the measuring device 10 according to the sixth embodiment.
- mineral water and distilled water pure water
- Example 6 mineral water and distilled water (pure water) were measured using the measurement device 10 shown in FIG. Specifically, mineral water was injected into the measurement target injection channel 32, and the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured. Further, distilled water was injected into the measurement target injection channel 32, and the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured. In Example 6, the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was further measured in a state where the liquid sample was not injected into the measurement target injection channel 32.
- the measuring device 10 includes a GaAs substrate 31 and a metamaterial 35.
- the GaAs substrate 31 is a GaAs ⁇ 110> substrate.
- the metamaterial 35 includes 121 split ring resonators 36 (11 ⁇ 11 split ring resonators 36).
- the metamaterial 35 was produced by direct gold sputtering on the GaAs ⁇ 110> substrate on which the measurement target injection channel 32 was formed.
- each split ring resonator 36 was periodically arranged in the vertical and horizontal directions.
- the period of the split ring resonator 36 is 120 ⁇ m.
- Each of the split ring resonators 36 has a square outer shape with both a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m.
- each split ring resonator 36 includes a gap portion 37 on two opposing sides, like the split ring resonator 36 shown in FIG.
- the gap width of each gap portion 37 is 10 ⁇ m.
- the two gap portions 37 of each split ring resonator 36 oppose each other in the direction along the measurement target injection channel 32.
- the measurement target injection channel 32 passes below the gap portion 37 included in the eleven split ring resonators 36 arranged in the center of the metamaterial 35.
- the measurement target injection flow channel 32 is a micro flow channel having a width of 26.5 ⁇ m and a depth of 10 ⁇ m.
- the length of the measurement target injection channel 32 is 2.2 mm.
- the vertical axis represents the transmittance
- the horizontal axis represents the frequency [THz].
- the vertical axis indicates the resonance frequency [THz]
- the horizontal axis indicates the amount of mineral.
- the horizontal axis of FIGS. 34 (a) and 34 (b) indicates the number of moles [femtomole]. The number of moles was obtained based on the volume of the measurement target injection channel 32 (volume of the channel) and the molecular weight of the mineral component contained in the mineral water.
- the molecular weight of calcium carbonate (CaCO 3 ; 100 g / mol) was used as the molecular weight of the mineral component.
- the same measuring apparatus as in Examples 1 to 5 was used.
- pump light was condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T was irradiated to the center split ring resonator 36.
- the pump light is condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T is irradiated to the central portion of the split ring resonator 36 to be irradiated.
- Example 6 in order to prevent the liquid sample from being dried, a quartz cover having a thickness of 500 ⁇ m is disposed above the measurement target injection flow path 32 (on the metamaterial 35), and the measurement target injection flow path 32 is set. Covered with quartz cover.
- a liquid sample of 100 nL (nanoliter) or less was dropped into the first port 33 or the second port 34.
- FIG. 26 shows a measurement result measured in a state where the liquid sample is not injected into the measurement target injection channel 32.
- FIGS. 27 to 31 show measurement results measured in a state in which mineral waters A to E having different mineral component contents per liter are injected into the measurement target injection flow channel 32.
- FIG. 27 shows a measurement result measured in a state in which mineral water A is injected into the measurement target injection channel 32.
- Mineral water A contains 1000 mg of mineral components per liter.
- Mineral water A is commercially available mineral water.
- FIG. 28 shows a measurement result measured in a state in which the mineral water B is injected into the measurement target injection channel 32.
- Mineral water B contains 600 mg of mineral components per liter.
- FIG. 29 shows a measurement result measured in a state where mineral water C is injected into the measurement target injection channel 32.
- Mineral water C contains 200 mg of mineral components per liter.
- FIG. 30 shows a measurement result measured in a state in which the mineral water D is injected into the measurement target injection channel 32.
- Mineral water D contains 40 mg of mineral components per liter.
- Mineral water E contains 10 mg of mineral components per liter.
- Mineral waters B to E were prepared by diluting mineral water A (commercial mineral water) with distilled water.
- FIG. 32 shows a measurement result measured in a state where distilled water is injected into the measurement target injection channel 32.
- FIG. 33 shows the graphs of FIGS. 26 to 32 in an overlapping manner.
- 34 (a) and 34 (b) show the relationship between the resonance frequency measured (acquired) on different days and the amount of mineral. The relationship between the resonance frequency and the mineral amount was obtained by injecting mineral water A to E into the measurement target injection channel 32 and measuring the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T.
- the resonance frequency is 0.5 THz or more and 0.6 THz or less.
- the resonance frequency is 0.48 THz or more. The value was less than 5 THz.
- the resonance frequency was a value less than 0.48 THz.
- the resonance frequency was changed (shifted) by injecting the liquid sample (mineral water or distilled water) into the measurement target injection channel 32. Further, as shown in FIGS. 27 to 33, FIG. 34 (a), and FIG. 34 (b), it was confirmed that the resonance frequency was changed (shifted) depending on the content of the mineral component. Therefore, it was confirmed that the content of the mineral component can be evaluated from the shift amount of the resonance frequency. Furthermore, it was confirmed that the measuring apparatus and measuring device used in this example had detection sensitivity capable of measuring mineral water containing 10 mg of mineral components per liter in a minute amount of 100 nL or less.
- FIG. 35 is a plan view illustrating the configuration of the metamaterial 35 according to the seventh embodiment.
- the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using a device in which the metamaterial 35 having the structure shown in FIG. 35 was formed directly on the GaAs ⁇ 110> substrate by gold sputtering. That is, in the seventh embodiment, 121 divided ring resonators 36 (11 ⁇ 11 divided ring resonators 36) are periodically arranged in the vertical and horizontal directions. The period of the split ring resonator 36 is 120 ⁇ m.
- Each split ring resonator 36 has a square outer shape with a vertical width and a horizontal width of 84 ⁇ m, and includes a gap portion 37 with a gap width of 10 ⁇ m on one side.
- Fig. 36 (a) shows the measurement results of Example 7.
- the vertical axis represents the transmittance
- the horizontal axis represents the frequency [THz].
- the measuring apparatus the same measuring apparatus as in Examples 1 to 6 was used.
- the pump light was condensed on the GaAs substrate so that the terahertz wave T was irradiated to the center split ring resonator 36.
- the pump light was condensed on the GaAs substrate so that the center portion of the split ring resonator 36 to be irradiated was irradiated with the terahertz wave T.
- FIG. 36B is a graph showing Comparative Example 2.
- the vertical axis indicates the transmittance
- the horizontal axis indicates the frequency [THz].
- the terahertz wave T was irradiated from the far field to the device including the metamaterial 35 illustrated in FIG. That is, the measurement result shown in FIG. 36A is a measurement result obtained by irradiating one terahertz wave T to one split ring resonator 36, whereas the measurement result shown in FIG. This is a measurement result obtained by irradiating a plurality of split ring resonators 36 with a terahertz wave T.
- FIG. 37 is a graph showing the measurement results of Example 8.
- the vertical axis indicates the transmittance
- the horizontal axis indicates the frequency [THz].
- the solid line graph shows the measurement result of Example 8.
- the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using the measuring device 10 having the configuration described with reference to FIG.
- the same measuring apparatus as in Examples 1 to 7 was used.
- pump light was condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T was irradiated to the center split ring resonator 36.
- the pump light is condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T is irradiated to the central portion of the split ring resonator 36 to be irradiated.
- the broken line graph represents Comparative Example 3.
- the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured using a GaAs ⁇ 110> substrate on which the measurement target injection flow channel 32 was formed as a device. That is, in Comparative Example 3, a GaAs ⁇ 110> substrate on which the metamaterial 35 was not provided was used. Note that the measurement conditions of Comparative Example 3 are the same as those of Example 8 except that the devices are different.
- the terahertz wave T was locally generated from the GaAs ⁇ 110> substrate so that the terahertz wave before diffraction was irradiated to the center in the longitudinal direction of the measurement target injection channel 32.
- FIG. 38 is a plan view of the measuring device 10 according to the ninth embodiment.
- the measuring device 10 according to the ninth embodiment includes a GaAs substrate 31 and a metamaterial 35.
- the GaAs substrate 31 is a GaAs ⁇ 110> substrate.
- Two first ports 33 and one second port 34 are formed.
- the measurement target injection flow channel 32 is a micro flow channel having a width of 26.5 ⁇ m and a depth of 10 ⁇ m.
- the metamaterial 35 has the same configuration as the metamaterial 35 of the sixth embodiment, and the eleven split ring resonators 36 in which the third flow path 323 of the measurement target injection flow path 32 is arranged at the center of the metamaterial 35. It passes under the gap part 37 included in.
- FIG. 39 is a graph showing the measurement results of Example 9.
- the vertical axis indicates the transmittance
- the horizontal axis indicates the frequency [THz].
- four types of liquid samples were measured. Specifically, the frequency spectrum of the transmittance of the terahertz wave T was measured in a state where each liquid sample was injected into the measurement target injection channel 32 (third channel 323).
- FIG. 39 is an enlarged view of a portion where a transmittance dip occurs in the frequency spectrum.
- the measuring apparatus the same measuring apparatus as in Examples 1 to 8 was used.
- pump light was condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T was irradiated to the center split ring resonator 36.
- the pump light is condensed on the GaAs substrate 31 so that the terahertz wave T is irradiated to the central portion of the split ring resonator 36 to be irradiated.
- a quartz cover having a thickness of 500 ⁇ m is disposed above the measurement target injection flow path 32 (on the metamaterial 35), and the measurement target injection flow path 32 is set. Covered with quartz cover.
- the solid line graph shows the measurement result measured in a state where distilled water (pure water) was injected into the third flow path 323 of the measurement target injection flow path 32. Specifically, distilled water having an amount of 100 nL or less was dropped into one of the two first ports 33 to inject distilled water into the third flow path 323.
- the broken line graph injects a liquid sample (50% ethanol aqueous solution) in which water and ethanol are mixed at a ratio of 1: 1 (concentration ratio) into the third flow path 323 of the measurement target injection flow path 32.
- the measurement result measured in the state is shown. Specifically, a 50% ethanol aqueous solution was prepared before measurement. Then, a 50% ethanol aqueous solution having an amount of 100 nL or less was dropped onto one of the two first ports 33 to inject the 50% ethanol aqueous solution into the third flow path 323.
- the one-dot chain line graph injects a liquid sample (25% ethanol aqueous solution) in which water and ethanol are mixed at a ratio (concentration ratio) of 3: 1 into the third flow path 323 of the measurement target injection flow path 32.
- the measurement result measured in the state is shown. Specifically, a 25% aqueous ethanol solution was prepared before measurement. Then, a 25% ethanol aqueous solution having an amount of 100 nL or less was dropped onto one of the two first ports 33 to inject the 25% ethanol aqueous solution into the third flow path 323.
- a two-dot chain line graph shows a measurement result measured in a state where a mixed sample in which a 50% ethanol aqueous solution and distilled water are mixed is injected into the third flow path 323 of the measurement target injection flow path 32.
- a 50% ethanol aqueous solution having an amount of 100 nL or less is dropped onto one of the two first ports 33, and an amount of distilled water of 100 nL or less is dropped onto the other of the two first ports 33.
- a mixed sample was prepared in the third channel 323.
- the mixed sample prepared in the third flow path 323 is a 25% aqueous ethanol solution.
- the present invention can be applied to analysis of aqueous solutions and biological samples.
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Abstract
測定用デバイス(10)は、テラヘルツ波発生素子(31)と、測定対象注入流路(32)と、メタマテリアル(35)とを備える。テラヘルツ波発生素子(31)は、テラヘルツ波を発生する。測定対象注入流路(32)には、テラヘルツ波が照射される。メタマテリアル(35)は、テラヘルツ波を共振させる分割リング共振器(36)を1つ又は複数有している。分割リング共振器(36)のうちの少なくとも1つは、測定対象注入流路(32)の少なくとも一部と対向するギャップ部(37)を含む。測定用デバイス(10)は、測定対象注入流路(32)と、測定対象注入流路(32)に対向するギャップ部(37)又はそのギャップ部(37)付近とを透過した後のテラヘルツ波の周波数スペクトルを、測定対象注入流路(32)に測定対象が注入されているか否かに応じて変化させる。
Description
本発明は、測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置に関する。
テラヘルツ領域(波長:3μm以上1mm以下)では、様々な物質が固有の指紋スペクトルを示す。この特性に着目して、テラヘルツ分光を利用した物質同定や物性評価などの研究が盛んに行われている。特に、光-テラヘルツ波変換で発生するテラヘルツ波パルスを利用したテラヘルツ時間領域分光法(Teraherts Time-Domain Spectroscopy;THz-TDS)が、最もよく研究されている。テラヘルツ時間領域分光法では、一般的に、フェムト秒パルスレーザーが一次光源として用いられる。例えば、特許文献1には、テラヘルツ時間領域分光法に基づいて、測定対象の特性値を測定する測定方法が開示されている。
しかしながら、テラヘルツ波は、水のような極性溶媒に吸収され易い。このため、従来、テラヘルツ波を用いた液体試料(測定対象)の測定は困難を究めていた。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、テラヘルツ波を用いた液体試料の測定を可能にする測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置を提供することにある。
本発明に係る測定用デバイスは、テラヘルツ波発生素子と、測定対象注入部と、メタマテリアルとを備える。前記テラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波を発生する。前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波が照射される測定対象注入流路又は有底の測定対象注入穴を含む。前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波を共振させる分割リング共振器を1つ又は複数有する。前記分割リング共振器のうちの少なくとも1つは、前記測定対象注入流路の少なくとも一部、又は前記測定対象注入穴の少なくとも一部と対向するギャップ部を含む。本発明に係る測定用デバイスは、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波の周波数スペクトルを、前記測定対象注入部に測定対象が注入されているか否かに応じて変化させる。
ある実施形態において、前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波発生素子上に形成されている。
ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波発生素子に形成されている。
ある実施形態において、前記測定用デバイスは、前記測定対象注入部が形成された測定対象配置用デバイスを更に備える。
ある実施形態において、前記テラヘルツ波発生素子は、非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生する。また、前記分割リング共振器は、矩形状の外形を有している。また、前記メタマテリアルの向きが、前記テラヘルツ波の電場及び磁場の向きに前記分割リング共振器の各辺が揃う向きから傾いている。
ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定対象注入流路は、溝からなる。また、前記測定用デバイスは、前記溝を覆うカバー部を更に備える。
ある実施形態において、前記カバー部は、前記溝に連通する排出路を含み、前記排出路は、前記溝に注入された前記測定対象を排出する。
ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定対象注入流路は、2つ以上に分岐する。
ある実施形態において、前記測定用デバイスは、複数の前記メタマテリアルと、前記複数のメタマテリアルの各々に対して設けられた前記測定対象注入部とを備える。前記測定対象注入部は、それぞれ、前記測定対象注入流路又は前記測定対象注入穴を含む。
ある実施形態では、前記複数のメタマテリアル間で、前記分割リング共振器の形状及び/又は寸法が異なる。
ある実施形態において、前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含む。前記測定用デバイスは、第1共通ポートと第2共通ポートとを更に備える。前記第1共通ポートには、前記測定対象注入流路のそれぞれの一方の端が接続する。前記第2共通ポートには、前記測定対象注入流路のそれぞれの他方の端が接続する。
本発明に係る第1の測定装置は、上記の測定用デバイスと、パルスレーザー発生源と、光学系と、検出器とを備える。前記測定用デバイスは、前記メタマテリアルを1つ備える。前記パルスレーザー発生源は、パルスレーザーを発生する。前記光学系は、前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導く。前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる。前記検出器は、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波を検出する。
ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定装置は、前記測定対象注入流路の両端間に電圧を印加する電源部を更に備える。
本発明に係る第2の測定装置は、上記の測定用デバイスと、パルスレーザー発生源と、光学系と、検出器とを備える。前記測定用デバイスは、複数の前記メタマテリアルを備える。前記パルスレーザー発生源は、パルスレーザーを発生する。前記光学系は、前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導く。前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる。前記検出器は、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを透過した後の前記テラヘルツ波をそれぞれ検出する。前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に対して前記パルスレーザーを走査する走査機構を含み、前記走査機構は、前記複数のメタマテリアルの各々に対して前記パルスレーザーが局所的に集光するように動作する。
ある実施形態において、前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定装置は、前記測定対象注入流路のそれぞれの両端間に電圧を印加する電源部を更に備える。
本発明によれば、テラヘルツ波を用いた液体試料の測定が可能になる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。また、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
[実施形態1]
図1は、実施形態1に係る測定装置1の構成を示す図である。本実施形態において、測定装置1は、テラヘルツ時間領域分光装置である。図1に示すように、測定装置1は、パルスレーザー発生源2と、λ/2板3と、偏光ビームスプリッタ4と、音響光学素子(Acoustic Optic Modulator;AOM)6と、測定用デバイス10と、一対の軸外し放物面ミラー11、12と、Siレンズ13と、検出器14と、遅延ステージ17と、第2高調波発生素子21と、集光レンズ5、7、9、20、22と、反射ミラー8、15、16、18、19と、遅延ステージ駆動機構23と、演算装置24とを備える。
図1は、実施形態1に係る測定装置1の構成を示す図である。本実施形態において、測定装置1は、テラヘルツ時間領域分光装置である。図1に示すように、測定装置1は、パルスレーザー発生源2と、λ/2板3と、偏光ビームスプリッタ4と、音響光学素子(Acoustic Optic Modulator;AOM)6と、測定用デバイス10と、一対の軸外し放物面ミラー11、12と、Siレンズ13と、検出器14と、遅延ステージ17と、第2高調波発生素子21と、集光レンズ5、7、9、20、22と、反射ミラー8、15、16、18、19と、遅延ステージ駆動機構23と、演算装置24とを備える。
パルスレーザー発生源2は、パルスレーザーを発生する。パルスレーザーは、テラヘルツ波Tを発生させる励起光となるものであれば、特に限定されない。一般に、フェムト秒(10-15秒)オーダーのパルス幅を有するフェムト秒パルスレーザーを使用し得る。典型的には、フェムト秒パルスレーザーは、1.5μm帯の波長と、50fs(フェムト秒)以上200fs(フェムト秒)以下のパルス幅を有する。
λ/2板3は、パルスレーザー発生源2から発生したパルスレーザーの直線偏光を任意の方向に調整する。λ/2板3を通過したパルスレーザーは、偏光ビームスプリッタ4へ入射する。
偏光ビームスプリッタ4は、λ/2板3から入射したパルスレーザーを、所定の比率でポンプ光(パルスレーザー)とプローブ光(パルスレーザー)とに分配する。
ポンプ光は、集光レンズ5を介して音響光学素子6に入射する。ポンプ光は、音響光学素子6によって高速変調される。高速変調されたポンプ光は、集光レンズ7、反射ミラー8、及び集光レンズ9をこの順に経由して測定用デバイス10に導かれる。集光レンズ9は、ポンプ光を測定用デバイス10の予め定められた位置へ集光する。
測定用デバイス10は、テラヘルツ波Tを発生するテラヘルツ波発生素子を備える。テラヘルツ波発生素子の材料は、照射される光に応じてテラヘルツ波Tを発生させる材料であればよく、特に限定されない。例えば、フェムト秒パルスレーザーを用いる場合、テラヘルツ波発生素子の材料として非線形光学結晶を使用し得る。換言すると、テラヘルツ波Tの発生に、非線形光学結晶の光整流作用(非線形光学効果)を利用することができる。具体的には、非線形光学結晶として、ガリウム砒素(GaAs)<110>を使用し得る。ガリウム砒素は半導体である。本実施形態では、テラヘルツ波発生素子として、ガリウム砒素<110>基板を用いる。ガリウム砒素<110>基板は、半導体基板である。以下、ガリウム砒素<110>基板を、「GaAs基板」と記載する。なお、ガリウム砒素<110>は非有機結晶であるが、テラヘルツ波発生素子の材料は非有機結晶に限定されない。テラヘルツ波発生素子の材料に、有機結晶を使用してもよい。具体的には、テラヘルツ波発生素子の材料として、4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate(DAST)及び4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium p-chlorobenzenesulfonate(DASC)等の有機結晶を使用し得る。
GaAs基板は、ポンプ光が集光されたスポットから、テラヘルツ波T(テラヘルツ電磁波パルス)を発生する。換言すると、GaAs基板は、局所的にテラヘルツ波を発生する。実施形態1では、GaAs基板に、測定対象が注入される測定対象注入流路(測定対象注入部)が形成されており、ポンプ光は、テラヘルツ波Tが測定対象注入流路を透過するようにGaAs基板に集光される。
このように測定装置1は、GaAs基板(テラヘルツ波発生素子)から局所的にテラヘルツ波Tを発生させる光学系を備える。図1に示す測定装置1において、GaAs基板から局所的にテラヘルツ波Tを発生させる光学系は、λ/2板3と、偏光ビームスプリッタ4と、音響光学素子6と、集光レンズ5、7、9と、反射ミラー8とを含む。なお、実施形態1において、測定対象は、液体試料である。
GaAs基板から発生したテラヘルツ波Tは、測定対象注入流路を透過した後、一対の軸外し放物面ミラー11、12と、Si(シリコン)レンズ13とをこの順に経由して検出器14へ導かれる。Siレンズ13は、テラヘルツ波Tを検出器14の予め定められた位置へ集光する。検出器14は、テラヘルツ波Tを検出できる限り、特に限定されるものではない。検出器14には、一般的には、光伝導スイッチ又は電気光学結晶が使用される。本実施形態では、光伝導スイッチを使用する。一例として、検出器14は、LT-GaAs光伝導スイッチによって構成される。LT-GaAs光伝導スイッチは、半絶縁性ガリウム砒素(GaAs)基板にGaAsエピキタシャル膜を低温成長させることによって作製することができる。
一方、偏光ビームスプリッタ4から分岐した他方のパルスレーザー(プローブ光)は、遅延ステージ17に設置された一対の反射ミラー15、16を経由して、反射ミラー18へ導かれる。反射ミラー18は、プローブ光を反射ミラー19へ導く。反射ミラー19は、プローブ光を集光レンズ20に入射する。集光レンズ20は、プローブ光を第2高調波発生素子21へと集光する。第2高調波発生素子21は、高効率でテラヘルツ波Tを検出するために設けられている。第2高調波発生素子21は、プローブ光を倍波変調する。なお、第2高調波発生素子21は、典型的には、ホウ酸バリウム(BaB2O4;BBO)結晶、又はPPLN(Periodically Poled Lithium niobate)結晶からなる。倍波変調されたプローブ光は、集光レンズ22によって検出器14へと集光される。集光レンズ22は、プローブ光を検出器14の予め定められた位置へ集光する。
検出器14は、テラヘルツ波T(テラヘルツ電磁波パルス)が検出器14に入射するタイミングと、プローブ光(パルスレーザー)が検出器14に入射するタイミングとが重なると、瞬時電流を発生させる。瞬時電流は、テラヘルツ波Tの電場の強度に比例した電流値を有する。
遅延ステージ駆動機構23は、偏光ビームスプリッタ4から分岐したプローブ光が直進する方向と平行な方向に沿って、遅延ステージ17を一定速度で連続的に往復運動させる。この結果、テラヘルツ波Tとプローブ光とが同時に検出器14に入射するタイミングが連続的(時間的)に変化する。換言すると、遅延ステージ17の往復運動(位置変化)に応じて、テラヘルツ波Tが検出器14に入射するタイミングと、プローブ光が検出器14に入射するタイミングとの間の時間差(遅延時間)が変化する。したがって、検出器14が発生させる瞬時電流の電流値が時間的に変化する。このように瞬時電流の電流値を時間的に変化させることで、テラヘルツ波Tの電場の強度変化を示す時間波形(テラヘルツ波Tの検出信号)を取得することができる。
演算装置24は、検出器14の出力(テラヘルツ波Tの検出信号)をフーリエ変換する。検出器14の出力をフーリエ変換することで、テラヘルツ波Tの周波数スペクトルを取得することができる。演算装置24は、例えばパーソナルコンピューターのような汎用的コンピューターにより構成し得る。
図2は、実施形態1に係る測定用デバイス10を示す平面図である。図2に示すように、測定用デバイス10は、GaAs基板31を備える。GaAs基板31は、テラヘルツ波発生素子の一例である。GaAs基板31には、測定対象注入流路32(測定対象注入部)が形成されている。測定対象注入流路32に、液体試料(測定対象)が注入される。実施形態1において、測定対象注入流路32は、溝からなる。
測定用デバイス10は更に、第1ポート33と、第2ポート34とを備える。第1ポート33及び第2ポート34は、GaAs基板31に形成されている。第1ポート33は、測定対象注入流路32の一端に接続する。第2ポート34は、測定対象注入流路32の他端に接続する。測定対象注入流路32は、マイクロ流路である。具体的には、測定対象注入流路32は、マイクロメートルオーダー(1μm以上1mm未満)の幅及び深さを有する。所定量の液体試料がマイクロシリンジ等から第1ポート33又は第2ポート34に滴下されると、毛細管現象を駆動力として液体試料が測定対象注入流路32に注入される。例えば、第1ポート33に滴下された液体試料は、毛細管現象によって測定対象注入流路32を流れる(移動する)。その結果、測定対象注入流路32に液体試料が充填される。測定対象注入流路32内に収容できなかった余剰量の液体試料は、第2ポート34から排出される。
測定対象注入流路32、第1ポート33、及び第2ポート34の作製方法は、特に限定されない。一例として、測定対象注入流路32、第1ポート33、及び第2ポート34は、光リソグラフィー法によってGaAs基板31の表面に形成し得る。
測定用デバイス10は、テラヘルツ波Tを共振させるメタマテリアル35を更に備える。メタマテリアル35は、負の誘電率と、負の透磁率とを有する。換言すると、メタマテリアル35は、負の屈折率を有する。メタマテリアル35は、メタアトムである分割リング共振器(Split-ring resonator;SRR)36を少なくとも1つ有する。実施形態1において、メタマテリアル35は、25個の分割リング共振器36からなる。なお、実施形態1では各分割リング共振器36の外形は正方形であるが、各分割リング共振器36の外形は正方形に限定されるものではない。例えば、各分割リング共振器36の外形は、長方形や円形であってもよい。
実施形態1において、メタマテリアル35は、GaAs基板31上に形成されている。メタマテリアル35(分割リング共振器36)の作製方法は、特に限定されない。例えば、スパッタ法やナノインプリント法により、GaAs基板31上にメタマテリアル35(分割リング共振器36の配列)を形成し得る。メタマテリアル35(分割リング共振器36)の材料は、導電性を有する限り特に限定されないが、導電性の面から金属が好適であり、特に、高い導電性を有する金が好ましい。
実施形態1では、各分割リング共振器36は、ギャップ部37の向きを揃えて、縦横方向に等間隔に(周期的に)配列されている。但し、各分割リング共振器36の配列は、テラヘルツ波Tを共振させ得る限り、特に限定されるものではない。
測定対象注入流路32は、GaAs基板31(測定用デバイス10)を平面視したとき、メタマテリアル配置領域31aを貫通するように形成されている。メタマテリアル35は、GaAs基板31のメタマテリアル配置領域31aに形成される。実施形態1では、測定対象注入流路32は、メタマテリアル配置領域31aのうち、メタマテリアル35の中央に配列されている5つの分割リング共振器36が配置される部分を貫通するように形成されている。換言すると、測定対象注入流路32は、メタマテリアル35の中央に配列されている5つの分割リング共振器36の下方を通過する。したがって、メタマテリアル35の中央に配列されている5つの分割リング共振器36は、測定対象注入流路32と対向している。なお、測定対象注入流路32の幅は、分割リング共振器36の寸法に応じて予め決定すればよく、典型的には、5μm以上100μm以下の範囲から選択し得る。また、測定対象注入流路32の深さは任意に決定すればよく、典型的には、5μm以上30μm以下の範囲から選択し得る。
各分割リング共振器36は、少なくとも1つのギャップ部37を含む。実施形態1では、測定対象注入流路32と対向する5つの分割リング共振器36は3つのギャップ部37を含み、他の20個の分割リング共振器36は1つのギャップ部37を含む。図3は、実施形態1に係る分割リング共振器36を示す平面図である。詳しくは、図3は、測定対象注入流路32と対向する分割リング共振器36を示している。
図3に示すように、測定対象注入流路32と対向する分割リング共振器36は、3つのギャップ部37a、37b、及び37cを含む。3つのギャップ部37a、37b、及び37cのうち、2つのギャップ部37a、37cは、測定対象注入流路32に沿った方向において互いに対向する。測定対象注入流路32は、2つのギャップ部37a、37cの下方を通過する。換言すると、測定対象注入流路32は、2つのギャップ部37a、37cに対向する。一方、測定対象注入流路32は、ギャップ部37bには対向していない。ギャップ部37bは、測定対象注入流路32と対向していない分割リング共振器36のギャップ部37と同じ辺に設けられている(図2参照)。
図1を参照して説明した測定装置1は、メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36のうちの1つにテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光(パルスレーザー)を集光させる。詳しくは、テラヘルツ波Tは、測定対象注入流路32に対向する分割リング共振器36のうちの1つに照射される。実施形態1では、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射される。また、実施形態1では、測定対象注入流路32に対向するギャップ部37a、及び37cのうちの1つに、測定対象注入流路32を介してテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光(パルスレーザー)が集光される。したがって、実施形態1において、GaAs基板31から局所的に発生したテラヘルツ波Tは、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36のギャップ部37a、及び37cのうちの一方に照射される。
実施形態1では、測定対象注入流路32はGaAs基板31に形成されている。また、テラヘルツ波Tは、GaAs基板31から局所的に発生する。その結果、回折前のテラヘルツ波Tが高密度に測定対象注入流路32に照射される。よって、測定対象注入流路32に液体試料が注入されていても、テラヘルツ波Tは、測定対象注入流路32(液体試料)を透過する。測定対象注入流路32を透過したテラヘルツ波Tは、メタマテリアル35に照射された後、測定用デバイス10から出射する。
更に、実施形態1では、メタマテリアル35がGaAs基板31上に形成されているため、回折前のテラヘルツ波Tがメタマテリアル35に照射される。換言すると、メタマテリアル35に対して垂直な偏光の光(テラヘルツ波T)が、メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36のうちの1つに入射する。その結果、テラヘルツ波Tは、ある周波数で共振する。換言すると、テラヘルツ波Tの周波数スペクトルに、ある周波数で共振が現れる。
テラヘルツ波Tの共振周波数は、メタマテリアル35の構造や液体試料に依存して決まる。詳しくは、テラヘルツ波Tは、分割リング共振器36の個数や配列、各分割リング共振器36の形状や寸法、ギャップ部37の容量等に依存して決まる特定の周波数で共振する。ギャップ部37a、37cの容量は、測定対象注入流路32に液体試料が注入されているか否かに応じて変化する。また、ギャップ部37a、37cの容量は、液体試料の内容(液体の種類や、液体に含まれる成分等)に応じて変化する。その結果、測定対象注入流路32に液体試料が注入されているか否かに応じて、テラヘルツ波Tの共振周波数が変化する(シフトする)。また、液体試料の内容に応じて、テラヘルツ波Tの共振周波数が変化する(シフトする)。換言すると、測定対象注入流路32に液体試料が注入されているか否かに応じて、テラヘルツ波Tの周波数スペクトルが変化する。また、液体試料の内容に応じて、テラヘルツ波Tの周波数スペクトルが変化する。
なお、分割リング共振器36の縦横の幅、及びギャップ部37の幅は、分割リング共振器36がテラヘルツ波Tを共振させ得る限り特に限定されない。換言すると、分割リング共振器36の縦横の幅は、テラヘルツ波Tの波長よりも小さい限り特に限定されない。典型的には、分割リング共振器36の縦幅は、40μm以上100μm以下であり、分割リング共振器36の横幅は40μm以上100μm以下であり、ギャップ部37の幅は5μm以上10μm以下である。ギャップ部37a、37cの幅は、測定対象注入流路32の幅と等しくてもよいし、測定対象注入流路32の幅と異なっていてもよい。各ギャップ部37a~37cの幅は等しくてもよいし、異なっていてもよい。
分割リング共振器36を繰り返し配置する位置の周期(図2参照)は、テラヘルツ波Tの波長よりも小さいことが好ましい。これにより、テラヘルツ波Tに顕著な共振が現れる。また、分割リング共振器36を繰り返し配置する位置の周期が小さい程、より顕著な共振がテラヘルツ波Tに現れる傾向がある。以下、分割リング共振器36を繰り返し配置する位置の周期を、「分割リング共振器36の周期」と記載する。典型的には、分割リング共振器36の周期は、50μm以上200μm以下である。
以上説明した実施形態1によれば、測定用デバイス10に含まれるテラヘルツ波発生素子(GaAs基板31)から局所的にテラヘルツ波Tを発生させることができる。したがって、1つの分割リング共振器36にテラヘルツ波Tを直接照射することが可能となる。メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36のうちの1つにテラヘルツ波Tを照射することにより、テラヘルツ波Tを共振させることが可能となる。
また、実施形態1によれば、測定対象注入流路32に液体試料が注入されているか否かに応じて、ギャップ部37a、37cの容量が変化する。また、テラヘルツ波Tが照射される分割リング共振器36のギャップ部37a、37cに測定対象注入流路32が対向する。その結果、測定対象注入流路32に液体試料が注入されているか否かに応じて、テラヘルツ波Tの共振周波数がシフトする。更に、液体試料の内容に応じて、テラヘルツ波Tの共振周波数がシフトする。よって、例えば、測定対象注入流路32に液体試料が注入されていない状態で取得される共振周波数と、測定対象注入流路32に液体試料が注入された状態で取得される共振周波数とを比較することにより、共振周波数のシフト量を解析することができる。更に、共振周波数のシフト量に基づいて液体試料の複素誘電率等の電気的特性を測定することができる。したがって、液体試料(特に水溶液試料)の定性分析を高感度で行うことが可能となる。
また、実施形態1によれば、測定対象注入流路32に注入された液体試料の測定を行うことができる。よって、液体試料(特に水溶液試料)の定量分析を高感度で行うことが可能となる。更に、第1ポート33と第2ポート34とにそれぞれ異なる種類の液体試料を滴下し、それらを測定対象注入流路32内で混合させることができる。よって、2種類の液体試料の反応(混合液の時間的変化)を追跡することが可能となる。
なお、実施形態1では、メタマテリアル35が25個の分割リング共振器36を有する形態について説明したが、分割リング共振器36の個数は特に限定されない。但し、n2個(nは整数)の分割リング共振器36を縦横方向に周期的に配列する場合、分割リング共振器36の個数が多い程、共振が増強される傾向がある。即ち、テラヘルツ波Tに顕著な共振が現れる。よって、n2個の分割リング共振器36を縦横方向に周期的に配列するとともに、分割リング共振器36の個数を可能な限り増加させることが好ましい。
また、実施形態1では、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射される形態について説明したが、テラヘルツ波Tが照射される分割リング共振器36は、測定対象注入流路32に対向する分割リング共振器36であればよく、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36に限定されない。但し、n2個の分割リング共振器36を縦横方向に周期的に配列する場合、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36にテラヘルツ波Tを照射することにより、テラヘルツ波Tに顕著な共振が現れる。換言すると、共振の増強効果を効率よく得ることができる。
また、実施形態1では、測定対象注入流路32が、メタマテリアル35の中央に配列されている5つの分割リング共振器36に対向する形態について説明したが、測定対象注入流路32と対向する分割リング共振器36は特に限定されない。但し、n2個の分割リング共振器36を縦横方向に周期的に配列する場合、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36にテラヘルツ波Tを照射することにより、テラヘルツ波Tに顕著な共振が現れる。よって、測定対象注入流路32は、メタマテリアル35の中央に配列されている分割リング共振器36に対向することが好ましい。換言すると、測定対象注入流路32は、メタマテリアル配置領域31aの中央を貫通することが好ましい。
また、実施形態1では、テラヘルツ波Tが、測定対象注入流路32に対向するギャップ部37のうちの1つに照射される形態について説明したが、テラヘルツ波Tが照射される位置は、測定対象注入流路32に対向するギャップ部37のうちの1つに限定されない。テラヘルツ波Tは、照射対象の分割リング共振器36のギャップ部37a、37b付近に照射され得る。換言すると、テラヘルツ波Tは、照射対象の分割リング共振器36のうちの任意の部分に照射され得る。例えば、テラヘルツ波Tは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分に照射されてもよい。
また、実施形態1では、測定対象注入部が測定対象注入流路32である形態について説明したが、測定対象注入部は測定対象注入流路32に限定されない。図4は、測定用デバイス10の第1変形例を示す平面図である。
図4に示すように、測定用デバイス10は、測定対象注入部として、有底の測定対象注入穴32aを有してもよい。第1変形例に係る測定用デバイス10は、9個の分割リング共振器36を備える。9個の分割リング共振器36は、縦横方向に周期的に配列されている。測定対象注入穴32aは、9個の分割リング共振器36のうちの中心の分割リング共振器36に含まれるギャップ部37に対向する。以下、メタマテリアル35の中心に位置する分割リング共振器36を、「中心の分割リング共振器36」と記載する。
測定対象注入穴32aの直径は、分割リング共振器36の寸法に応じて予め決定すればよく、典型的には、5μm以上10μm以下の範囲から選択し得る。また、測定対象注入穴32aの深さは、典型的には、5μm以上30μm以下の範囲から選択し得る。測定対象注入部が測定対象注入穴32aである場合、図2を参照して説明した第1ポート33及び第2ポート34は不要となる。なお、ギャップ部37の幅は、測定対象注入穴32aの直径と等しくてもよいし、測定対象注入穴32aの直径と異なっていてもよい。
また、実施形態1では、測定対象注入流路32(測定対象注入部)がGaAs基板31に形成される形態について説明したが、測定対象注入流路32(測定対象注入部)は別のデバイス(例えば、別の基板)に形成されてもよい。図5(a)は、測定用デバイス10の第2変形例を示す平面図であり、図5(b)は、測定用デバイス10の第2変形例を示す断面図である。詳しくは、図5(b)は、図5(a)に示すVB-VB線に沿った断面を示す。
図5(a)及び図5(b)に示すように、第2変形例に係る測定用デバイス10は、測定対象配置用デバイス38を更に備える。測定対象配置用デバイス38は、例えば、樹脂製又はガラス製であり得る。
測定対象配置用デバイス38には、測定対象注入流路32(測定対象注入部)と、第1ポート33と、第2ポート34とが形成されている。測定対象注入流路32は、測定対象配置用デバイス38の内部に設けられている。測定対象配置用デバイス38は、メタマテリアル35の上方に配置される。
第2変形例では、GaAs基板31から局所的に発生したテラヘルツ波Tは、まず、メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36のうちの1つに照射される。典型的には、テラヘルツ波Tは、中心の分割リング共振器36に照射される。テラヘルツ波Tは、1つの分割リング共振器36を介して、測定対象注入流路32(測定対象注入部)に照射される。メタマテリアル35(分割リング共振器36)と測定対象注入流路32(測定対象注入部)との間の距離は、回折前のテラヘルツ波Tが測定対象注入流路32(測定対象注入部)に照射され得る距離である限り、特に限定されるものではい。典型的には、メタマテリアル35(分割リング共振器36)と測定対象注入流路32(測定対象注入部)との間の距離は、50μm以下である。
また、実施形態1では、メタマテリアル35がGaAs基板31上に形成される形態について説明したが、メタマテリアル35は別のデバイス(例えば、別の基板)に形成されてもよい。図6(a)は、測定用デバイス10の第3変形例を示す平面図であり、図6(b)は、測定用デバイス10の第3変形例を示す断面図である。詳しくは、図6(b)は、図6(a)に示すVIB-VIB線に沿った断面を示す。
図6(a)及び図6(b)に示すように、第3変形例に係る測定用デバイス10は、メタマテリアル配置用デバイス39と、スペーサー40とを備える。メタマテリアル配置用デバイス39は、例えば、高抵抗シリコン基板であり得る。
第3変形例では、メタマテリアル配置用デバイス39上にメタマテリアル35(分割リング共振器36)が形成されている。メタマテリアル配置用デバイス39は、GaAs基板31の上方にスペーサー40を介して配置される。詳しくは、メタマテリアル配置用デバイス39は、メタマテリアル35がメタマテリアル配置用デバイス39とGaAs基板31とによって挟まれるように設けられる。
第3変形例では、図2を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、GaAs基板31から局所的に発生したテラヘルツ波Tは、まず、測定対象注入流路32(測定対象注入部)に照射される。テラヘルツ波Tは、測定対象注入流路32を介して、メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36のうちの1つに照射される。典型的には、テラヘルツ波Tは、中心の分割リング共振器36に照射される。メタマテリアル35(分割リング共振器36)と測定対象注入流路32(測定対象注入部)との間の距離は、回折前のテラヘルツ波Tがメタマテリアル35(分割リング共振器36)に照射され得る距離である限り、特に限定されるものではい。典型的には、メタマテリアル35(分割リング共振器36)と測定対象注入流路32(測定対象注入部)との間の距離は、50μm以下である。
図7(a)は、測定用デバイス10の第4変形例を示す平面図であり、図7(b)は、測定用デバイス10の第4変形例を示す断面図である。詳しくは、図7(b)は、図7(a)に示すVIIB-VIIB線に沿った断面を示す。
図7(a)及び図7(b)に示すように、第4変形例に係る測定用デバイス10は、測定対象注入流路32(溝)を覆うカバー部41を備える。カバー部41は、例えば、樹脂製又はガラス製であり得る。カバー部41は、排出路42を含む。排出路42は、マイクロ流路であり、排出路42の一方端は、測定対象注入流路32の中央位置において測定対象注入流路32に連通する。また、排出路42の他方端は、カバー部本体(排出路42が形成されている部分)の長手方向の側面において開口している。第4変形例では、排出路42の他方端は、カバー部本体の第2ポート34側の側面において開口している。換言すると、排出路42の他方端は、第2ポート34の上方で開口している。カバー部41は更に、受け皿部46を有する。受け皿部46は、カバー部本体の側面から突出する。第4変形例において、受け皿部46は、カバー部本体の第2ポート34側の側面から突出する。詳しくは、受け皿部46は、排出路42の他方端(開口)の下方の位置から、第2ポート34を部分的に覆うように突出する。
第4変形例に係る測定用デバイス10によれば、第1ポート33と第2ポート34とに液体試料を滴下した場合に、測定対象注入流路32内に収容できなかった余剰量の液体試料が、毛細管現象を駆動力として排出路42に注入される。また、排出路42内にも収容できなかった余剰量の液体試料が、受け皿部46へ排出される。なお、第1ポート33と第2ポート34とに滴下する液体試料は、種類が異なる液体試料であってもよいし、同じ種類の液体試料であってもよい。
なお、排出路42の他方端が開口する位置は、第2ポート34の上方に限定されない。例えば、排出路42の他方端は、第1ポート33の上方で開口してもよい。この場合、受け皿部46は、排出路42の他方端(開口)の下方の位置から、第1ポート33を部分的に覆うように突出する。あるいは、排出路42の他方端は、カバー部本体の、第1ポート33側の側面及び第2ポート34側の側面とは異なる面において開口してもよい。この場合、受け皿部46は省略することができる。
また、実施形態1では、各分割リング共振器36が1つ又は3つのギャップ部37を含む形態について説明したが、各分割リング共振器36に含まれるギャップ部37の数は、メタマテリアル35がテラヘルツ波Tを共振させ得る限り特に限定されない。図8は、測定用デバイス10の第5変形例を示す平面図である。
図8に示すように、第5変形例に係る測定用デバイス10の各分割リング共振器36は、ギャップ部37を2つ含む。2つのギャップ部37は、各分割リング共振器36において、対向する2つの辺に設けられており、各分割リング共振器36は、ギャップ部37の向きを揃えて、縦横方向に等間隔に(周期的に)配列されている。詳しくは、各分割リング共振器36の2つのギャップ部37は、測定対象注入流路32に沿った方向において互い対向しており、測定対象注入流路32は、メタマテリアル35の中央に配列されている5つの分割リング共振器36に含まれるギャップ部37の下方を通過する。
また、実施形態1では、GaAs基板31が直線状の測定対象注入流路32を有する形態について説明したが、測定対象注入流路32の形状は特に限定されない。図9は、測定用デバイス10の第6変形例を示す平面図である。
図9に示すように、第6変形例に係る測定用デバイス10は、Y字状の測定対象注入流路32を有する。詳しくは、測定対象注入流路32は、第1流路321、第2流路322、及び第3流路323を含み、第1流路321、第2流路322、及び第3流路323の基端同士が接続(合流)している。換言すると、測定対象注入流路32は、2本の流路に分岐している。また、第6変形例に係る測定用デバイス10は、2つの第1ポート33と1つの第2ポート34とを備える。2つの第1ポート33、及び1つの第2ポート34は、GaAs基板31に形成されている。2つの第1ポート33は、第1流路321及び第2流路322の先端にそれぞれ接続しており、第2ポート34は第3流路323の先端に接続している。
第6変形例に係る測定用デバイス10では、第3流路323がメタマテリアル35の下方を通過している。換言すると、メタマテリアル35は、測定用デバイス10を平面視したとき、第1流路321、第2流路322、及び第3流路323の基端同士が合流する位置と、第2ポート34との間に配設される。
第6変形例に係る測定用デバイス10によれば、2つの第1ポート33にそれぞれ異なる種類の液体試料を滴下して、それらを第3流路323内で混合させることができる。したがって、2種類の液体試料を混合させた混合試料を測定対象にする場合、2種類の液体試料を2つの第1ポート33にそれぞれ滴下するだけで、所期の混合試料の測定を実行することができる。換言すると、所期の混合試料の調製と測定とを、1つの測定用デバイス10を用いて同時に行うことができる。よって、所期の混合試料の調製を事前に行う手間(労力)を削減できる。
なお、第6変形例では、測定対象注入流路32は2本の流路に分岐したが、測定対象注入流路32が分岐する数は特に限定されない。測定対象注入流路32は、3本以上の流路に分岐してもよい。
[実施形態2]
続いて、実施形態2に係る測定装置1について説明する。但し、実施形態1と異なる事項を主に説明し、実施形態1と重複する説明は適宜割愛する。実施形態2に係る測定装置1は、実施形態1と異なり、液体試料に含まれる成分を電気泳動させることができる。
続いて、実施形態2に係る測定装置1について説明する。但し、実施形態1と異なる事項を主に説明し、実施形態1と重複する説明は適宜割愛する。実施形態2に係る測定装置1は、実施形態1と異なり、液体試料に含まれる成分を電気泳動させることができる。
図10は、実施形態2に係る測定装置1の主要部を示す図である。図10に示すように、実施形態2に係る測定装置1は、直流電源装置25と、正電極43と、負電極44とを更に備える。実施形態2では、正電極43が第1ポート33に配置され、負電極44が第2ポート34に配置される。直流電源装置25の正極は、電線45を介して正電極43に電気的に接続し、直流電源装置25の負極は、電線45を介して負電極44に電気的に接続する。電気泳動の実行時には、液体試料が測定対象注入流路32、第1ポート33及び第2ポート34に充填されるように、第1ポート33及び第2ポート34のうちの少なくとも一方に液体試料を滴下する。
直流電源装置25は、測定対象注入流路32の両端間(第1ポート33と第2ポート34との間)に直流電圧を印加する。その結果、液体試料に含まれる各成分が溶媒中を泳動(移動)して分離する。
以上説明した実施形態2によれば、電気泳動実行前の共振周波数と、電気泳動実行後の共振周波数とを比較することができる。したがって、電気泳動実行前の共振周波数と、電気泳動実行後の共振周波数とを比較することにより、生体試料(例えば、タンパク質、アミノ酸、脂肪、糖)の複素誘電率等の電気的特性を測定することが可能となる。また、共振周波数の測定を、電気泳動によって各成分(生体試料)が分離する場で行うことができる。
なお、図5を参照して説明したように、測定対象注入流路32は別のデバイス(例えば、別の基板)に形成されてもよい。図11は、実施形態2に係る測定用デバイス10の変形例を示す平面図である。図11に示す測定用デバイス10は、図5を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、測定対象配置用デバイス38を備える。測定対象配置用デバイス38には、測定対象注入流路32、第1ポート33及び第2ポート34が形成されている。また、図11に示す測定用デバイス10は、正電極43及び負電極44を備える。正電極43及び負電極44は、測定対象配置用デバイス38の第1ポート33及び第2ポート34にそれぞれ配置される。
[実施形態3]
続いて、実施形態3に係る測定装置1について説明する。但し、実施形態1及び実施形態2と異なる事項を主に説明し、実施形態1及び実施形態2と重複する説明は適宜割愛する。実施形態3に係る測定装置1は、実施形態1と異なり、ポンプ光が走査される。
続いて、実施形態3に係る測定装置1について説明する。但し、実施形態1及び実施形態2と異なる事項を主に説明し、実施形態1及び実施形態2と重複する説明は適宜割愛する。実施形態3に係る測定装置1は、実施形態1と異なり、ポンプ光が走査される。
図12は、実施形態3に係る測定装置1の光学的構成を示す図である。図12に示すように、実施形態3に係る測定装置1は、パルスレーザー発生源2と、偏光ビームスプリッタ4と、音響光学素子6と、測定用デバイス10と、一対の軸外し放物面ミラー11、12と、Siレンズ13と、検出器14と、遅延ステージ17と、第2高調波発生素子21と、集光レンズ9、22と、第1ガルバノミラー26aと、第2ガルバノミラー26bと、ビームエキスパンダ27と、8枚の反射ミラー28とを備える。なお、図示しないが、実施形態3に係る測定装置1は、第1ガルバノミラー26aを駆動する第1ステッピングモーターと、第2ガルバノミラー26bを駆動する第2ステッピングモーターとを備える。更に、実施形態3に係る測定装置1は、図1を参照して説明した測定装置1と同様に、遅延ステージ駆動機構23と、演算装置24とを備える。
実施形態3に係る測定装置1は、第1ガルバノミラー26a(第1ステッピングモーター)の動作、及び第2ガルバノミラー26b(第2ステッピングモーター)の動作を演算装置24により制御することができる。詳しくは、実施形態3に係る測定装置1は、GaAs基板31の背面上でポンプ光(パルスレーザー)のスポットが2次元的に走査されるように、第1ガルバノミラー26a(第1ステッピングモーター)の動作、及び第2ガルバノミラー26b(第2ステッピングモーター)の動作を制御することが可能である。
図13は、実施形態3に係る測定用デバイス10を示す平面図である。図13に示すように、実施形態3に係る測定用デバイス10は、4つのメタマテリアル35を有する。4つのメタマテリアル35は、縦横方向に周期的に配列される。また、実施形態3に係る測定用デバイス10は、4つのメタマテリアル35の各々に対して設けられた測定対象注入穴32aを有する。詳しくは、各測定対象注入穴32aは、対応するメタマテリアル35の中心の分割リング共振器36のギャップ部37に対向する。
図12を参照して説明した測定装置1は、各メタマテリアル35の中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが順次照射されるように、第1ガルバノミラー26a及び第2ガルバノミラー26bを動作させる。なお、隣接するメタマテリアル35間の距離D(図13参照)は、各メタマテリアル35を透過する各テラヘルツ波Tの共振周波数に対して、各メタマテリアル35が互いに影響を与えない距離に決定する。典型的には、隣接するメタマテリアル35間の距離Dは、300μm以上である。
以上説明した実施形態3によれば、例えば、測定用デバイス10を交換することなく、4種類の液体試料の測定を実施することができる。よって、測定の効率化を図ることができる。
なお、実施形態3では、測定装置1が、ポンプ光のスポットを走査させる機構として、ガルバノミラーを用いた機構、所謂ガルバノスキャナーを備える形態について説明したが、ポンプ光のスポットを走査させる機構は、ガルバノスキャナーに限定されるものではない。ポンプ光のスポットを走査させる機構(走査機構)は、少なくとも1枚のミラーと、そのミラーを駆動する駆動機構とを含む機構であればよい。例えば、ポンプ光のスポットを走査させる機構として、ジャイロスキャナーが使用されてもよい。
また、実施形態3では、4つのメタマテリアル35を縦横方向に周期的に配列する形態について説明したが、メタマテリアル35の数やメタマテリアル35の配列は特に限定されるものではない。図14は、実施形態3に係る測定用デバイス10の第1変形例を示す平面図である。図14に示す測定用デバイス10は、3つのメタマテリアル35を有し、3つのメタマテリアル35は、縦方向に周期的に配列される。
また、実施形態3では、各メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36の外形が同形(正方形)である形態について説明したが、各メタマテリアル35間で、分割リング共振器36の外形(形状又は寸法)は異なってもよい。図15は、実施形態3に係る測定用デバイス10の第2変形例を示す平面図である。図15に示す測定用デバイス10は、3種類のメタマテリアル35を備える。詳しくは、図15に示す測定用デバイス10は、第1メタマテリアル35a、第2メタマテリアル35b、及び第3メタマテリアル35cを備える。第1メタマテリアル35aに含まれる分割リング共振器36の外形は、円形である。第2メタマテリアル35bに含まれる分割リング共振器36の外形は、正方形である。第3メタマテリアル35cに含まれる分割リング共振器36の外形は、長方形である。
テラヘルツ波Tの共振周波数は、メタマテリアル35の構造や液体試料に依存して決まり、メタマテリアル35の構造と液体試料との組み合わせによっては、テラヘルツ波Tに顕著な共振が現れない可能性がある。これに対し、図15に示す測定用デバイス10を用いることにより、測定用デバイス10を交換することなく、同一の液体試料を、互いに異なる構造を有する第1メタマテリアル35a~第3メタマテリアル35cの各々を介して測定することが可能となる。したがって、測定用デバイス10を交換することなく取得した3種類の測定結果のうちから、より顕著な共振が現れた結果を選択することができる。したがって、測定の効率化を図ることができる。
また、実施形態3では、測定用デバイス10が、測定対象注入部として測定対象注入穴32aを有する形態について説明したが、測定対象注入部は測定対象注入流路32であってもよい。図16は、実施形態3に係る測定用デバイス10の第3変形例を示す平面図である。図16に示す測定用デバイス10は、測定対象注入部として測定対象注入流路32を有する。更に、図16に示す測定用デバイス10は、第1共通ポート33aと第2共通ポート34aとを備える。第1共通ポート33aと第2共通ポート34aとはGaAs基板31に形成されている。第1共通ポート33aには、各測定対象注入流路32の一方の端が接続し、第2共通ポート34aには、各測定対象注入流路32の他方の端が接続する。斯かる構成によれば、例えば、第1共通ポート33a又は第2共通ポート34aに液体試料を滴下することができる。第1共通ポート33a又は第2共通ポート34aに液体試料を滴下した場合、3つの測定対象注入流路32に液体試料を注入することができる。よって、測定の効率化を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明した。本発明の実施形態によれば、微量な量の液体試料の測定が可能となる。本発明の実施形態に係る測定装置1及び測定用デバイス10の検出感度は、測定対象注入部(測定対象注入流路32及び測定対象注入穴32a)の体積に依存する。詳しくは、測定対象注入部の体積をより小さくすることにより、検出感度の向上を図ることができる。なお、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。
例えば、本発明による実施形態では、GaAs基板31の背面(テラヘルツ波Tが出射する面とは反対側の面)にポンプ光を照射する形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されない。ポンプ光を照射する位置は、測定対象注入部(測定対象注入流路32又は測定対象注入穴32a)と分割リング共振器36とを透過するテラヘルツ波Tを局所的に発生させることが可能な限り、特に限定されない。
また、本発明による実施形態では、共振周波数のシフト量に基づいて液体試料の複素誘電率等の電気的特性を測定する形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されない。例えば、測定対象注入部に液体試料が注入されていない状態で取得される周波数スペクトルと、測定対象注入部に液体試料が注入された状態で取得される周波数スペクトルとを比較して、つまり周波数スペクトルの変化に基づいて、複素誘電率等の電気的特性を測定することも可能である。
また、本発明による実施形態では、分割リング共振器36の外形が矩形状(正方形又は長方形)である場合、局所的に発生したテラヘルツ波T(テラヘルツ電磁波パルス)の電場E及び磁場Hの向き(方向)に、テラヘルツ波Tが照射される分割リング共振器36の各辺が揃うように、メタマテリアル35を配置しているが、メタマテリアル35の向きは、この向きに限定されない。メタマテリアル35の向きは、テラヘルツ波Tに顕著な共振が現れる向きに調整され得る。換言すると、メタマテリアル35の向きは、テラヘルツ波Tが照射される分割リング共振器36の各辺がテラヘルツ波Tの電場E及び磁場Hの向きに揃う向きから傾いていてもよい。なお、この場合、テラヘルツ波Tが照射される分割リング共振器36のギャップ部37に測定対象注入部が対向するように、メタマテリアル35の向きに合わせて測定対象注入部を配置する。
また、本発明による実施形態では、ポンプ光を高速変調する素子に音響光学素子6を用いる形態について説明したが、ポンプ光を高速変調する素子は、光の周波数を変調可能な素子であればよく、音響光学素子6に限定されない。例えば、ポンプ光を高速変調する素子として、光学チョッパーを使用し得る。
また、本発明による実施形態では、ポンプ光を測定用デバイス10の予め定められた位置へ集光するレンズに集光レンズ9が使用されたが、ポンプ光を測定用デバイス10へ向けて集光するレンズは集光レンズ9に限定されない。例えば、集光レンズ9に替えてf-θレンズが使用されてもよい。測定装置1が、ポンプ光のスポットを走査させる場合、f-θレンズを使用することにより、ポンプ光の集光強度の均一性を保つことができる。
また、本発明による実施形態では、測定用デバイス10が測定対象注入流路32と測定対象注入穴32aとのうちの一方を有したが、測定用デバイス10は測定対象注入流路32と測定対象注入穴32aとの両者を有してもよい。
また、本発明による実施形態で説明した各事項は、適宜、組み合わせることができる。例えば、図16を参照して説明した測定用デバイス10において、実施形態2で説明したように、第1共通ポート33aと第2共通ポート34aとの間に電圧を印加して、液体試料に含まれる成分を電気泳動させてもよい。
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下で説明する実施例に限定されるものではない。
[実施例1~3]
図17(a)は実施例1に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図であり、図17(b)は実施例2に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図であり、図17(c)は実施例3に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図である。
図17(a)は実施例1に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図であり、図17(b)は実施例2に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図であり、図17(c)は実施例3に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図である。
実施例1では、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより図17(a)に示す構造を有するメタマテリアル35を形成したデバイスを用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。即ち、実施例1では、分割リング共振器36を1つだけ作製した。作製した分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
実施例2では、分割リング共振器36の周期が異なる4種類のデバイスを用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。各デバイスは、図17(b)に示す構造を有するメタマテリアル35をGaAs<110>基板上に形成することにより作製した。即ち、9個の分割リング共振器36を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器36の周期には、100μm、120μm、180μm、240μmを採用した。メタマテリアル35(9個の分割リング共振器36)は、金スパッタにより作製した。作製した各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
実施例3では、分割リング共振器36の周期が異なる4種類のデバイスを用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。各デバイスは、図17(c)に示す構造を有するメタマテリアル35をGaAs<110>基板上に形成することにより作製した。即ち、25個の分割リング共振器36を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器36の周期には、100μm、120μm、180μm、240μmを採用した。メタマテリアル35(25個の分割リング共振器36)は、金スパッタにより作製した。作製した各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
本実施例では、図12を参照して説明した構成を有する測定装置1を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。パルスレーザー発生源2には、フェムト秒ファイバーレーザー(TOPTICA社製、λ=1.56μm、繰返周波数80MHz、パルス幅110fs、平均出力350mW)を用いた。検出器14には、LT-GaAs光伝導スイッチを用いた。第2高調波発生素子21には、PPLN結晶を用いた。GaAs基板上でのパルスレーザー(ポンプ光)の集光スポットサイズは約20μm程度であった。よって、GaAs基板から局所的に発生した回折前のテラヘルツ波Tは、約20μm程度のスポットサイズに高密度に集光されている。実施例2及び3では、中心の分割リング共振器36のギャップ部37にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板に集光した。図18~図21に測定結果を示す。
具体的には、図18は、分割リング共振器36の個数が1個のデバイス(実施例1)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が9個であって、分割リング共振器36の周期が100μmのデバイス(実施例2)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が25個であって、分割リング共振器36の周期が100μmのデバイス(実施例3)を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。
図19は、分割リング共振器36の個数が1個のデバイス(実施例1)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が9個であって、分割リング共振器36の周期が120μmのデバイス(実施例2)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が25個であって、分割リング共振器36の周期が120μmのデバイス(実施例3)を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。
図20は、分割リング共振器36の個数が1個のデバイス(実施例1)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が9個であって、分割リング共振器36の周期が180μmのデバイス(実施例2)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が25個であって、分割リング共振器36の周期が180μmのデバイス(実施例3)を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。
図21は、分割リング共振器36の個数が1個のデバイス(実施例1)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が9個であって、分割リング共振器36の周期が240μmのデバイス(実施例2)を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器36の個数が25個であって、分割リング共振器36の周期が240μmのデバイス(実施例3)を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。
また、図18~図21は、比較例1として、FDTD法(Finite-difference time-domain method;FDTD method)により、分割リング共振器36の個数が無限個である場合に発生する周波数スペクトルをシミュレーションした結果を併せて示す。
図18~図21において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz(×1012Hz)]を示す。また、図18~図21に示す各グラフにおいて、透過率の谷(ディップ)が発生している周波数が、共振周波数を示す。図18~図21に示すように、分割リング共振器36の周期が減少する程、ディップが顕著になった。即ち、顕著な共振が現れた。また、分割リング共振器36の個数が増加する程、ディップが顕著になった。
[実施例4]
図22(a)は実施例4の測定結果を示すグラフであり、図22(b)は図22(a)のグラフの一部を拡大して示す図である。実施例4では、図2を参照して説明した構成を有する測定用デバイス10を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。メタマテリアル35は、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより作製した。分割リング共振器36の周期には、100μmを採用した。作製した各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。また、測定対象注入流路32は、光リソグラフィー法によってGaAs基板31の表面に形成した。測定対象注入流路32の幅は20μmであり、測定対象注入流路32の深さは20μmであった。測定装置には、実施例1~3と同じ測定装置を用いた。また、中心の分割リング共振器36のギャップ部37a及びギャップ部37cの一方にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。更に、実施例4では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路32の上方(メタマテリアル35上)に厚さ500μmの石英カバーを配置して、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。また、条件を合わせるために、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で測定を行う際にも、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。
図22(a)は実施例4の測定結果を示すグラフであり、図22(b)は図22(a)のグラフの一部を拡大して示す図である。実施例4では、図2を参照して説明した構成を有する測定用デバイス10を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。メタマテリアル35は、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより作製した。分割リング共振器36の周期には、100μmを採用した。作製した各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。また、測定対象注入流路32は、光リソグラフィー法によってGaAs基板31の表面に形成した。測定対象注入流路32の幅は20μmであり、測定対象注入流路32の深さは20μmであった。測定装置には、実施例1~3と同じ測定装置を用いた。また、中心の分割リング共振器36のギャップ部37a及びギャップ部37cの一方にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。更に、実施例4では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路32の上方(メタマテリアル35上)に厚さ500μmの石英カバーを配置して、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。また、条件を合わせるために、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で測定を行う際にも、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。
図22(a)及び図22(b)において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。また、図22(a)及び図22(b)において、実線のグラフは、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で測定した測定結果を示し、破線のグラフは、測定対象注入流路32に液体試料として蒸留水(純水)を注入した状態で測定した測定結果を示す。また、1点鎖線のグラフは、蒸留水とエタノールとを1:1の割合(濃度比)で混合した液体試料(50%エタノール水溶液)を測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。測定の結果、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態では、共振周波数は約0.20[THz]となった。また、測定対象注入流路32に蒸留水を注入した状態では、共振周波数は約0.11[THz]となり、蒸留水とエタノールとの混合試料を測定対象注入流路32に注入した状態では、共振周波数は約0.15[THz]となった。以上のように、本実施例によれば、蒸留水とエタノールとの混合試料と、蒸留水との間で、共振周波数が変化(シフト)することを確認できた。つまり、液体試料の内容によって共振周波数がシフトすることを確認できた。
[実施例5]
図23は、実施例5に係るデバイスの構成を示す平面図である。実施例5に係るデバイスは、図6(a)及び図6(b)を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、GaAs基板31の上方にメタマテリアル配置用デバイス39が配置された構成を有する。メタマテリアル配置用デバイス39は、高抵抗シリコン基板上に1個の分割リング共振器36(メタマテリアル)を形成することにより作製した。分割リング共振器36は、金スパッタにより作製した。作製した分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有している。また、作製した分割リング共振器36は、対向する2つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
図23は、実施例5に係るデバイスの構成を示す平面図である。実施例5に係るデバイスは、図6(a)及び図6(b)を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、GaAs基板31の上方にメタマテリアル配置用デバイス39が配置された構成を有する。メタマテリアル配置用デバイス39は、高抵抗シリコン基板上に1個の分割リング共振器36(メタマテリアル)を形成することにより作製した。分割リング共振器36は、金スパッタにより作製した。作製した分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有している。また、作製した分割リング共振器36は、対向する2つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
実施例5では、メタマテリアル(分割リング共振器36)の向きを、テラヘルツ波Tの電場E及び磁場Hの向きに分割リング共振器36の各辺が揃う向きから傾けて(傾斜角度θ)、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。具体的には、メタマテリアル配置用デバイス39をその中心軸回りに回転させて、GaAs基板31に対するメタマテリアル(分割リング共振器36)の角度(向き)を変化させた。測定装置には、実施例1~4と同じ測定装置を用いた。また、2つのギャップ部37のうちの一方にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。測定結果を図24に示す。なお、傾斜角度θは、時計回りの方向をプラスの角度としている。
図24において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。実施例5では、傾斜角度θを-2°、18°、36°、47°、55°、64°、80°、91°の各角度に変更して周波数スペクトルを測定した。図24に示すように、傾斜角度θを変化させると、周波数スペクトルが変化することを確認できた。詳しくは、共振周波数における透過率の落ち込みが、傾斜角度が増加に応じて鋭くなった。
[実施例6]
図25は、実施例6に係る測定用デバイス10を示す平面図である。実施例6では、図25に示す測定用デバイス10を用いて、ミネラル水及び蒸留水(純水)を測定した。具体的には、測定対象注入流路32にミネラル水を注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。また、測定対象注入流路32に蒸留水を注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。実施例6では、更に、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。
図25は、実施例6に係る測定用デバイス10を示す平面図である。実施例6では、図25に示す測定用デバイス10を用いて、ミネラル水及び蒸留水(純水)を測定した。具体的には、測定対象注入流路32にミネラル水を注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。また、測定対象注入流路32に蒸留水を注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。実施例6では、更に、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。
図25に示すように、実施例6に係る測定用デバイス10は、GaAs基板31と、メタマテリアル35とを備える。実施例6において、GaAs基板31は、GaAs<110>基板である。メタマテリアル35は、121個の分割リング共振器36(11×11個の分割リング共振器36)からなる。メタマテリアル35は、測定対象注入流路32を形成したGaAs<110>基板上に、直接金スパッタにより作製した。
121個の分割リング共振器36は、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器36の周期は、120μmを採用した。各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有する。また、各分割リング共振器36は、図8に示す分割リング共振器36と同様に、対向する2つの辺にギャップ部37を含む。各ギャップ部37のギャップ幅は、10μmである。各分割リング共振器36の2つのギャップ部37は、測定対象注入流路32に沿った方向において互い対向する。測定対象注入流路32は、メタマテリアル35の中央に配列されている11個の分割リング共振器36に含まれるギャップ部37の下方を通過する。測定対象注入流路32は、幅が26.5μm、深さが10μmのマイクロ流路である。測定対象注入流路32の長さは、2.2mmである。
図26~図33、図34(a)、及び図34(b)に測定結果を示す。図26~図33において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。また、図34(a)及び図34(b)において、縦軸は共振周波数[THz]を示し、横軸はミネラル量を示す。詳しくは、図34(a)及び図34(b)の横軸は、モル数[フェムトモル]を示す。モル数は、測定対象注入流路32の体積(流路の体積)、及びミネラル水に含まれるミネラル成分の分子量に基づいて取得した。具体的には、ミネラル成分の分子量として、炭酸カルシウム(CaCO3;100g/mol)の分子量を用いた。測定装置には、実施例1~5と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。また、実施例6では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路32の上方(メタマテリアル35上)に厚さ500μmの石英カバーを配置して、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。測定対象注入流路32に液体試料を注入する際には、第1ポート33又は第2ポート34に、100nL(ナノリットル)以下の液体試料を滴下した。
図26は、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態で測定した測定結果を示す。図27~図31は、1リットル当たりのミネラル成分の含有量が異なるミネラル水A~Eを測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。
具体的には、図27は、ミネラル水Aを測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Aは、1リットル当たり1000mgのミネラル成分を含有する。ミネラル水Aは、市販のミネラル水である。図28は、ミネラル水Bを測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Bは、1リットル当たり600mgのミネラル成分を含有する。図29は、ミネラル水Cを測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Cは、1リットル当たり200mgのミネラル成分を含有する。図30は、ミネラル水Dを測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Dは、1リットル当たり40mgのミネラル成分を含有する。図31は、ミネラル水Eを測定対象注入流路32に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Eは、1リットル当たり10mgのミネラル成分を含有する。ミネラル水B~Eは、ミネラル水A(市販のミネラル水)を蒸留水で希釈することによって調製した。
図32は、測定対象注入流路32に蒸留水を注入した状態で測定した測定結果を示す。図33は、図26~図32の各グラフを重ねて示している。図34(a)及び図34(b)は、異なる日に測定(取得)した共振周波数とミネラル量との関係を示す。共振周波数とミネラル量との関係は、ミネラル水A~Eを測定対象注入流路32に注入して、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定することにより取得した。
図26及び図33に示すように、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない状態では、共振周波数は0.5THz以上0.6THz以下の値となった。一方、図27~図31、図33、図34(a)及び図34(b)に示すように、測定対象注入流路32にミネラル水を注入した場合、共振周波数は0.48THz以上0.5THz未満の値となった。また、図32及び図33に示すように、測定対象注入流路32に蒸留水を注入した場合、共振周波数は0.48THz未満の値となった。したがって、測定対象注入流路32に液体試料(ミネラル水又は蒸留水)を注入することで、共振周波数が変化(シフト)することを確認できた。また、図27~図33、図34(a)及び図34(b)に示すように、ミネラル成分の含有量によっても、共振周波数が変化(シフト)することを確認できた。したがって、共振周波数のシフト量からミネラル成分の含有量を評価できることを確認できた。更に、本実施例で使用した測定装置及び測定用デバイスは、1リットル当たり10mgのミネラル成分を含むミネラル水を100nL以下の微量な量で測定できる検出感度を有することを確認できた。
なお、図26~図33に示すように、測定対象注入流路32に液体試料(ミネラル水又は蒸留水)を注入した場合、測定対象注入流路32に液体試料を注入していない場合と比べて、Q値が低下(変化)した。また、ミネラル成分の含有量によっても、Q値が変化した。したがって、Q値からミネラル成分の含有量を評価できることを確認できた。また、図34(a)及び図34(b)に示すように、異なる日に測定した場合でも同様の測定結果を得られたことから、本実施例で使用した測定装置及び測定用デバイスに再現性があることを確認できた。
[実施例7]
図35は、実施例7に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図である。実施例7では、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより図35に示す構造を有するメタマテリアル35を形成したデバイスを用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。即ち、実施例7では、121個の分割リング共振器36(11×11個の分割リング共振器36)を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器36の周期は、120μmを採用した。各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
図35は、実施例7に係るメタマテリアル35の構成を示す平面図である。実施例7では、GaAs<110>基板上に直接金スパッタにより図35に示す構造を有するメタマテリアル35を形成したデバイスを用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。即ち、実施例7では、121個の分割リング共振器36(11×11個の分割リング共振器36)を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器36の周期は、120μmを採用した。各分割リング共振器36は、縦幅及び横幅がいずれも84μmの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅10μmのギャップ部37を含む。
図36(a)に実施例7の測定結果を示す。図36(a)において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。測定装置には、実施例1~6と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板に集光した。
図36(b)は比較例2を示すグラフである。図36(b)において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。比較例2では、図35に示すメタマテリアル35を備えたデバイスに対し、遠方場からテラヘルツ波Tを照射した。即ち、図36(a)に示す測定結果が、1つの分割リング共振器36にテラヘルツ波Tを照射することにより得た測定結果であるのに対し、図36(b)に示す測定結果は、複数の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tを照射することにより得た測定結果である。
図36(a)及び図36(b)に示すように、メタマテリアル35に含まれる分割リング共振器36のうちの1つにテラヘルツ波Tを照射することにより、テラヘルツ波Tの周波数スペクトルに顕著な共振が現れることを確認できた。換言すると、1つの分割リング共振器36にテラヘルツ波Tを照射することにより、良好な応答特性を得られることを確認できた。
[実施例8]
図37は実施例8の測定結果を示すグラフである。図37において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。具体的には、実線のグラフが、実施例8の測定結果を示す。実施例8では、図25を参照して説明した構成を有する測定用デバイス10を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。測定装置には、実施例1~7と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。
図37は実施例8の測定結果を示すグラフである。図37において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。具体的には、実線のグラフが、実施例8の測定結果を示す。実施例8では、図25を参照して説明した構成を有する測定用デバイス10を用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。測定装置には、実施例1~7と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。
図37において、破線のグラフは、比較例3を示す。比較例3では、測定対象注入流路32を形成したGaAs<110>基板をデバイスとして用いて、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルを測定した。つまり、比較例3では、メタマテリアル35が設けられていないGaAs<110>基板を用いた。なお、比較例3の測定条件は、デバイスが異なる以外は実施例8と同じ条件である。比較例3では、GaAs<110>基板から局所的にテラヘルツ波Tを発生させて、回折前のテラヘルツ波が測定対象注入流路32の長手方向の中央に照射されるようにした。
図37に示すように、メタマテリアル35を設けることにより、テラヘルツ波Tの周波数スペクトルに顕著な共振が現れることを確認できた。換言すると、メタマテリアル35を設けることにより、良好な応答特性を得られることを確認できた。
[実施例9]
図38は、実施例9に係る測定用デバイス10を示す平面図である。図38に示すように、実施例9に係る測定用デバイス10は、GaAs基板31とメタマテリアル35とを備える。実施例9において、GaAs基板31はGaAs<110>基板であり、GaAs基板31に、図9を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、Y字状の測定対象注入流路32と、2つの第1ポート33と、1つの第2ポート34とが形成されている。測定対象注入流路32は、幅26.5μm、深さ10μmのマイクロ流路である。メタマテリアル35は、実施例6のメタマテリアル35と同じ構成であり、測定対象注入流路32の第3流路323が、メタマテリアル35の中央に配列されている11個の分割リング共振器36に含まれるギャップ部37の下方を通過している。
図38は、実施例9に係る測定用デバイス10を示す平面図である。図38に示すように、実施例9に係る測定用デバイス10は、GaAs基板31とメタマテリアル35とを備える。実施例9において、GaAs基板31はGaAs<110>基板であり、GaAs基板31に、図9を参照して説明した測定用デバイス10と同様に、Y字状の測定対象注入流路32と、2つの第1ポート33と、1つの第2ポート34とが形成されている。測定対象注入流路32は、幅26.5μm、深さ10μmのマイクロ流路である。メタマテリアル35は、実施例6のメタマテリアル35と同じ構成であり、測定対象注入流路32の第3流路323が、メタマテリアル35の中央に配列されている11個の分割リング共振器36に含まれるギャップ部37の下方を通過している。
図39は、実施例9の測定結果を示すグラフである。図39において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数[THz]を示す。実施例9では、4種類の液体試料の測定を行った。具体的には、測定対象注入流路32(第3流路323)に各液体試料を注入した状態で、テラヘルツ波Tの透過率の周波数スペクトルをそれぞれ測定した。図39は、周波数スペクトルのうち、透過率の谷(ディップ)が発生している箇所を拡大して示している。測定装置には、実施例1~8と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器36にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器36の中心部分にテラヘルツ波Tが照射されるように、ポンプ光をGaAs基板31に集光した。また、実施例9では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路32の上方(メタマテリアル35上)に厚さ500μmの石英カバーを配置して、測定対象注入流路32を石英カバーで覆った。
図39において、実線のグラフは、測定対象注入流路32の第3流路323に蒸留水(純水)を注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、2つの第1ポート33のうちの一方に100nL以下の量の蒸留水を滴下して、第3流路323に蒸留水を注入した。
図39において、破線のグラフは、水とエタノールとを1:1の割合(濃度比)で混合した液体試料(50%エタノール水溶液)を測定対象注入流路32の第3流路323に注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、測定前に50%エタノール水溶液を調製した。そして、100nL以下の量の50%エタノール水溶液を2つの第1ポート33のうちの一方に滴下して、第3流路323に50%エタノール水溶液を注入した。
図39において、一点鎖線のグラフは、水とエタノールとを3:1の割合(濃度比)で混合した液体試料(25%エタノール水溶液)を測定対象注入流路32の第3流路323に注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、測定前に25%エタノール水溶液を調製した。そして、100nL以下の量の25%エタノール水溶液を2つの第1ポート33のうちの一方に滴下して、第3流路323に25%エタノール水溶液を注入した。
図39において、二点鎖線のグラフは、50%エタノール水溶液と蒸留水とを混合した混合試料を測定対象注入流路32の第3流路323に注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、100nL以下の量の50%エタノール水溶液を2つの第1ポート33のうちの一方に滴下し、100nL以下の量の蒸留水を2つの第1ポート33のうちの他方に滴下して、第3流路323内で混合試料を調製した。理論的には、第3流路323内で調製された混合試料は、25%エタノール水溶液である。
図39に示すように、Y字状の測定対象注入流路32を用いた場合でも、液体試料の内容に応じて共振周波数が変化(シフト)することを確認できた。また、二点鎖線のグラフは一点鎖線のグラフに近似した。よって、Y字状の測定対象注入流路32を用いて混合試料を調製した場合、有意な測定結果を得られることを確認できた。
本発明は、水溶液の分析や、生体試料の分析に適用できる。
1 測定装置
10 測定用デバイス
31 GaAs基板
32 測定対象注入流路
32a 測定対象注入穴
35 メタマテリアル
35a メタマテリアル
35b メタマテリアル
35c メタマテリアル
36 分割リング共振器
37 ギャップ部
37a ギャップ部
37b ギャップ部
37c ギャップ部
T テラヘルツ波
10 測定用デバイス
31 GaAs基板
32 測定対象注入流路
32a 測定対象注入穴
35 メタマテリアル
35a メタマテリアル
35b メタマテリアル
35c メタマテリアル
36 分割リング共振器
37 ギャップ部
37a ギャップ部
37b ギャップ部
37c ギャップ部
T テラヘルツ波
Claims (15)
- テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波が照射される測定対象注入流路又は有底の測定対象注入穴を含む測定対象注入部と、
前記テラヘルツ波を共振させる分割リング共振器を1つ又は複数有するメタマテリアルと
を備え、
前記分割リング共振器のうちの少なくとも1つは、前記測定対象注入流路の少なくとも一部、又は前記測定対象注入穴の少なくとも一部と対向するギャップ部を含み、
前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波の周波数スペクトルを、前記測定対象注入部に測定対象が注入されているか否かに応じて変化させる、測定用デバイス。 - 前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波発生素子上に形成されている、請求項1に記載の測定用デバイス。
- 前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波発生素子に形成されている、請求項1又は請求項2に記載の測定用デバイス。
- 前記測定対象注入部が形成された測定対象配置用デバイスを更に備える、請求項1又は請求項2に記載の測定用デバイス。
- 前記テラヘルツ波発生素子は、非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生し、
前記分割リング共振器は、矩形状の外形を有し、
前記メタマテリアルの向きが、前記テラヘルツ波の電場及び磁場の向きに前記分割リング共振器の各辺が揃う向きから傾いている、請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定対象注入流路は、溝からなり、
前記測定用デバイスは、前記溝を覆うカバー部を更に備える、請求項1から請求項5のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 前記カバー部は、前記溝に連通する排出路を含み、
前記排出路は、前記溝に注入された前記測定対象を排出する、請求項6に記載の測定用デバイス。 - 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定対象注入流路は、2つ以上に分岐する、請求項1から請求項7のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 複数の前記メタマテリアルと、
前記複数のメタマテリアルの各々に対して設けられた前記測定対象注入部と
を備え、
前記測定対象注入部は、それぞれ、前記測定対象注入流路又は前記測定対象注入穴を含む、請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイス。 - 前記複数のメタマテリアル間で、前記分割リング共振器の形状及び/又は寸法が異なる、請求項9に記載の測定用デバイス。
- 前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定用デバイスは、
前記測定対象注入流路のそれぞれの一方の端が接続する第1共通ポートと、
前記測定対象注入流路のそれぞれの他方の端が接続する第2共通ポートと
を更に備える、請求項9又は請求項10に記載の測定用デバイス。 - 請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイスと、
パルスレーザーを発生するパルスレーザー発生源と、
前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導き、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる光学系と、
前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波を検出する検出器と
を備える、測定装置。 - 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定装置は、前記測定対象注入流路の両端間に電圧を印加する電源部を更に備える、請求項12に記載の測定装置。 - 請求項9から請求項11のうちのいずれか1項に記載の測定用デバイスと、
パルスレーザーを発生するパルスレーザー発生源と、
前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導き、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又はそのギャップ部付近とを前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる光学系と、
前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを透過した後の前記テラヘルツ波をそれぞれ検出する検出器と
を備え、
前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に対して前記パルスレーザーを走査する走査機構を含み、
前記走査機構は、前記複数のメタマテリアルの各々に対して前記パルスレーザーが局所的に集光するように動作する、測定装置。 - 前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、
前記測定装置は、前記測定対象注入流路のそれぞれの両端間に電圧を印加する電源部を更に備える、請求項14に記載の測定装置。
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