(57)【要約】【課題】  本発明は、テラヘルツ分光測定において、流体中の含有物質を高い検出感度で検出・定量する測定装置および方法を提供するものである。【解決手段】  本発明はテラヘルツ波分光測定装置に関し、テラヘルツ測定用流体セル１に披測定流体を導入し、その含有成分を濾過フィルタ２で分離し、ここに周波数可変の照射テラヘルツ波４を照射し、その透過テラヘルツ波５あるいは反射テラヘルツ波あるいは散乱テラヘルツ波を検出して、テラヘルツスペクトルを得る装置を提供するものであり、その結果を解析することにより、極微量含有物の検出や定量が可能となる。【選択図】  図２
2006145512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を用いた測定に関し、範囲を限定することもできるテラヘルツ波周波数掃引、または少なくとも一つ以上の任意の単一周波数を指定したテラヘルツ波を照射する機能を有し、少なくとも流体中の含有物を選択分離する構造と、分離された含有物に照射したテラヘルツ波の少なくとも透過波強度から、物性同定あるいは物質定量あるいは組成分析を行うことを特徴とする測定装置および方法。
【請求項２】
請求項１における流体中の含有物の選択分離が、物質間の粒子の大きさ、あるいは質量、あるいは静電引力、あるいは拡散速度、あるいは蒸気圧、あるいは相変化の差による分離であることを特徴とする測定装置および方法。
【請求項３】
請求項１または２において、流体中の含有物を、少なくとも局在させない構造を有することを特徴とする測定装置および方法。
【請求項４】
請求項１または２または３において、照射テラヘルツ波の少なくとも散乱波を、集光する構造を持つことを特徴とする測定装置および方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はテラヘルツ電磁波利用にかかわる。
【背景技術】
【０００２】  液体や気体のような流体中の含有物質を同定・定量するための従来方法としては、主にＧＣ−ＭＳ（ガスクロマトグラフ質量分析装置）、ＬＣ−ＭＳ（液体クロマトグラフ質量分析計）、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）などが用いられる。【０００３】  しかしながら、これらは対象物質の重量や分極特性などの物性に起因する本質的な原因、あるいは共存物質による検出阻害などによる原因により、その測定法ごとに測定可能な物質が制限される。また微量の物質を高感度に測定するためには、測定試料を適当な形状あるいは状態にするための煩雑な前処理が必要であり、測定に時間を要するという欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  例えば近赤外線や中赤外線を用いるＦＴ−ＩＲで水中に含まれる物質の検出を行う場合、水自身による吸収が大きいために、その測定は難しい。本発明は従来法では同定・定量できなかった流体中の物質の検出を、高感度に行う手法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  生体を構成する分子や大気中に含まれるガス分子など、各種分子の固有振動周波数はテラヘルツ帯に存在する。このテラヘルツ領域での吸収スペクトルを測定すれば、物質の同定や組成分析に用いることができる。テラヘルツ波の透過率あるいは反射率強度の波長依存性から物質の特定を行うテラヘルツ分光測定が行われている。テラヘルツ波は紙やプラスチックなど可視光や赤外光では透過できない多くの材料物質も透過可能であり、このようなテラヘルツ波発生装置を用いた分光計測装置は非破壊測定で、任意の測定対象を高分解能、かつ広い周波数帯域に渡って吸収スペクトルを得ることができる。【０００６】  波長可変テラヘルツ分光光源として、例えば半導体ＧａＰ結晶内のポラリトンモードを利用したテラヘルツ波発生装置が知られている。すなわち、ＧａＰ結晶にポンプ光およびシグナル光を、角度位相整合条件を満たすように微小角度をつけて入射し、差周波発生によりコヒーレントなテラヘルツ波を発生する。ポンプ光およびシグナル光をインジェクションシーディング技術、あるいはエタロン挿入などによって線幅を狭くすることにより、得られるテラヘルツ波の線幅も狭く、更に大出力が得られ、分光装置に適する光源となる。【０００７】  この光源を分光装置に用いれば、近距離から遠距離まで任意の位置にある物質の計測や、長い距離に連続的に存在する物質の計測、非常に薄い密度で存在する物質の検出などに有効である。
【発明の効果】
【０００８】  液体や気体あるいは超臨界等の流体中に含まれる微量含有物を、その構成体の大きさあるいは化学結合の性質によって分離・凝縮し、分子判別の指紋領域であるテラヘルツ吸収を調べることによって、高感度に検出あるいは定量することができる。この方法は共存物の影響を少なくでき、物質を判別するのに適している。
【実施例１】
【０００９】  一般に血液検査によって、疾患の有無を検査するのに広く使われている。例えば、コレステロール・中性脂肪量から動脈硬化を、空腹時血糖から糖尿病を診断するほか、細菌感染症、貧血、黄疽などを検査することができる。また、血性反応によりウィルス性肝炎、梅毒などを検査している。しかしながら、検査対象となる血液中に含まれるたんぱく質やウイルス、糖などはそれぞれおおよそ１〜１０００ｐｐｍ程度（例＞ヘモグロビン標準値：１１〜１７ｇ／ｄｌ）と微量である。また、薬物中毒やドーピング検査のためには、血液あるいは尿中の薬物を高感度に検出する必要がある。【００１０】  図１は分級法の一例としての膜分離の種類による分離可能な大きさの目安と、生体分子や微生物の大きさの例を示した。このグラフからわかるように、限外濾過、精密濾過などの膜分離で、血液中のたんぱく質とウイルス、糖をそれぞれ分離することができる。図２（ａ）に示すような濾過フィルタ２を含むテラヘルツ測定用流体セル１で、濾過フィルタ２の孔径を１μｍ程度に設定すれば、血液を流した場合にそれぞれ大きさが７〜８μｍ、６〜２５μｍ程度の赤血球や白血球６は透過できずに、濾過フィルタ２に蓄積する。これに対して大きさが１〜１００ｎｍ程度の大きさの糖やたんぱく質は透過する。よって、この濾過フィルタをポリエチレンやテフロンなどのテラヘルツ透過率の高い材質で作成し、この濾過フィルタ２に対しテラヘルツ透過あるいは反射測定を行えば、赤血球・白血球などの積算量が高感度に、かつリアルタイム計測可能になる。また赤血球・白血球の分子状態がテラヘルツ吸収分光スペクトルに現れるので、血球の構造異常も同時に診断可能である。【００１１】  このとき膜分離に用いた濾過フィルタ２を血液流路から取出したのちに、その濾過フィルタ２上で濃縮された成分について、テラヘルツ分光スペクトルから、その物質の特定および定量することも可能である。流路より取出した濾過フィルタ２は自然乾燥、真空乾燥、真空加熱乾燥あるいは冷凍乾燥法により乾燥させてもよい。そのほか、濾過フィルタ２の種類を適当に選択することにより、グルコース、コレステロール、ウイルス抗原、ウイルス抗体、尿酸などを分離し、これらを定量的に且つ高感度に計測できる。【００１２】  流体中の微量物質が濾過フィルタ２において濾過されずに凝集するとき、均一に凝集せずに局在すると検出の失敗、あるいは定量を誤る可能性がある。これを避けるために、図２（ｂ）に示すように、流体（血液）流路方向３は濾過フィルタ２に対して垂直でありながら、照射テラヘルツ波４照射方向と４５°ずらす構成とすれば、透過テラヘルツ波５あるいは反射テラヘルツ波７の強度の周波数依存性から微量物質の分析が可能となる。流体中の微量物質を濾過フィルタ２において均一に凝集するために、濾過直前に攪拌器を設置してもよい。
【実施例２】
【００１３】  実施例１と同様に尿検査においても、テラヘルツ分光の高感度検出を用いることができる。一般的に尿に対する検査項目としては、肝機能障害検出の指標となる「尿蛋白質」、腎機能障害検出の指標となる「尿クレアチニン」や糖尿病の指標となる「尿糖」定量検出などの診断があり、これらの値は標準でおおよそ１０〜２００ｐｐｍ程度である。また、薬物中毒やドーピング検査のためには、血液あるいは尿中の薬物を高感度に検出する必要がある。【００１４】  尿検査では、時間の経過と共に細菌の繁殖や塩類の析出の問題があるので、採尿後速やかに検査される必要がある。このために便器の排水に設置されていれば、排尿時に毎回リアルタイムで検査することができる。図３のように、便器１０につながる排水配管に多段に濾過フィルタ１２を含むテラヘルツ測定用流体セル１１を設け、各段の濾過フィルタ１２で分子の大きさごとに濾過されるようにすれば、ここを尿が通過するときに尿蛋白質１６、尿クレアチニン１７、尿糖１８などに分離・凝集することができる。この濾過フィルタ２を、その分離・凝集物と共にテラヘルツ分光測定で、透過テラヘルツ波１５を検出することにより、高感度に含有物を検出・定量することができる。特に入射テラヘルツ波１４を濾過フィルタ１２の面に対し垂直に入射すれば、光路上の被測定物質の量を多くすることができるので、より高感度の測定が可能となる。
【実施例３】
【００１５】  環境中に存在する微量物質（有機化合物粒子、大気イオンクラスター、溶液中の微量物質など）の計測は、有害物質のモニタリングや未規制物質の同定のために重要な技術である。例えば、大気中に含まれる排気ガス成分ＣＯｘ、ＳＯｘ、ＮＯｘなどの高感度検出は環境汚染調査のために望まれている。これらの気体分子や浮遊粒子状物質は、基準濃度が例えば「１日平均値０．０４ｐｐｍ以下」のような基準表記法となっており、実際の計測では更にそれ以下の濃度検出が必要となっている。また例えば、シックハウス症候群の原因とされる揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）であるホルムアルデヒドガスや、タバコ煙中に多く含まれるアセトアルデヒドガス、アンモニアガス、硫化水素ガス等は、住環境調査のためその高感度な検出や除去方法の開発が望まれている。更に燃焼ガスや臭気物質、クリーンルーム中の有機物など、微量有機ガスの高感度な分析の要求も強く、これまではほとんど問題にならないレベルであったものをより感度よく正確に同定・定量することが望まれるようになってきている。【００１６】  ガス分子の回転振動はテラヘルツ周波数領域に存在するので、テラヘルツ吸収スペクトルを測定すると急峻で周期的な吸収線が明瞭に検出されることになる。流体が気体であっても実施例１のような１段あるいは実施例２のような多段構造で、膜分離することができる。すなわちガス分子の大きさによって、ふるいわけが可能である。【００１７】  例えば、高分子膜を熱分解することによってピンホールのない緻密な分子ふるい炭素膜ができ、高い選択透過性が得られる。ポリイミドフィルムを１０００℃で熱処理することによって、４Å前後の超微細孔を有する炭素膜が得られ、この炭素膜の気体透過特性はＨ２やＣＯ２分子がより大きなＮ２分子の各々１０００倍、１００倍以上速く透過することが知られている。このような微孔炭素膜２２を使い、図４のようなテラヘルツ測定用大気測定セル２１を構成し、測定対象大気２３を流することにより、ＣＯ２やその他の大気中微量物質２６の分子は、大気の成分であるＮ２やＯ２から分離することができ、ここにテラヘルツ分光測定を適用すれば、高感度な物質の検出・定量が可能となる。テフロンやポリエチレンなどのテラヘルツ波透過性の高い材質で作成されたフィルタあるいは流路管などによって、流体中の物質を分級・凝集し、この構造体ごとテラヘルツ分光測定することにより、微量ガスの定量感度を上げることが可能となり、かつ容易で測定時間を短くすることができる。【００１８】  分級法として膜分離のほかに、静電場内での帯電粒子の電気移動度がその粒径と帯電数により異なることを利用した静電分級法や、拡散速度の差を利用した透析やクロマトグラフィーやイオン交換、蒸気圧差を利用した蒸留や、相変化を利用した凍結濃縮や、溶解度差を利用した吸収・溶媒抽出や、質量差を利用した遠心分離などの方法を用いてもよい。また測定対象がＨ２やＯ２など対称性が高い分子の場合、このままでは赤外活性にならない。そこで、プラズマを用いて活性化し、ラジカル水素と水素の組合せの分子を形成することにより赤外活性な構造ができ、これを計測することで微量検出・定量が行うことができる。
【実施例４】
【００１９】  図５（ａ）に示すように流体流路管３０中に気体冷却用バッフル３２を設置し、測定対象流体３１を流す。含有成分の融点がバッフル温度以下であればそこで液化し、分離・凝集されることになる。更に凝固点以下のバッフル温度であれば固化する。これらの吸着された流体中微量物質３３をテラヘルツ分光測定することにより、気体中含有物を高感度に検出・定量することができる。この方法では、必ずしも気相あるいは液相でテラヘルツ帯に吸収がある必要がなく、固相で吸収が見られればよい。【００２０】  バッフル３２の材質が金属である場合、入射テラヘルツ波３４に対する反射テラヘルツ波３５を測定すればよい。【００２１】  気体中の含有物が、固体結晶状態での格子振動のみがテラヘルツ帯に吸収があるような場合には、冷却バッフル温度を冷却装置３６で調整し、ガス流速を適当に選択することで、結晶性よく結晶成長させればよい。この方法では、測定終了後に再びバッフル３２を加熱し、凝集した液体あるいは固体分子を蒸発・脱離させれば、何度でも再使用も可能である。【００２２】  表面積の拡大で収率を高めることができる。図５（ｂ）に示すように表面に多数のフィンをつける、あるいは冷却部を多数の毛細管構造としてもよい。
【実施例５】
【００２３】  図６のように、ステンレスや銅などの金属製あるいは内面金属コーティング流体流路管４１中に濾過フィルタ４２を配置した構造とする。ここに測定対象流体４３を流し、分子量の差から選択的に分級し、被測定対象微量物質４７を捕獲する。ここに入射テラヘルツ波４４を配管中に導入すると、テラヘルツ波は発散することなく配管中を管壁で反射しつつ進み、濾過フィルタ４２及び被測定対象微量物質４７を透過した後、管路端面から出力されるので、検出器を出力端面に密接してテラヘルツ波出力を全て受光するようにすれば、高感度な測定が可能となる。特に対象物質の粒子がテラヘルツ波波長と同程度である場合には散乱テラヘルツ波４６の影響が現れてくるが、この構成では配管がテラヘルツ波の導波路の役割も兼ねて集光するためにテラヘルツ波の損失が少なく、よりいっそうの高感度が得られる。もちろんこのときフィルタは多段であってもかまわない。
【実施例６】
【００２４】  金属やガラスなどの基板あるいはその他の固体粒子や粉末などの表面に気体を流すと、その表面で特定の物質の吸着が起こる。例えば、シリカゲルの吸湿作用はシリカゲル表面に多く存在する水酸基（−ＯＨ基）が水分子を水素結合で吸着することによることは広く知られている。水素結合などの比較的弱い結合は、テラヘルツ帯に振動となる。測定対象含有物質そのものではなく、その物質が基板等のある物質の間で結合する水素結合や吸着の分子間力を検出することで、その物質の検出が可能となる。図７に示すように、吸着させる基板５１に対し、水素結合５３で結合している被測定対象分子５２の吸着前後で、透過テラヘルツ分光測定あるいは反射テラヘルツ分光測定を適用することにより、対象分子そのもののテラヘルツ波吸収や、対象分子の吸着状態によるテラヘルツ波吸収スペクトルから、対象物質の検出・同定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】  膜分離の種類による分離可能な大きさの目安と生体分子や微生物の大きさの例を示す図である。
【図２】  膜分離による血液成分分離テラヘルツ分光測定を示す図である。
【図３】  膜分離を用いたテラヘルツ分光測定の尿検査への応用を示す図である。
【図４】  膜分離による大気中微量成分のテラヘルツ分光測定を示す図である。
【図５】  冷却バッフルを用いて流体中微量物質を凝集させるテラヘルツ分光測定を示す図である。
【図６】  導波管中で散乱テラヘルツ波を集光するテラヘルツ分光測定を示す図である。
【図７】  表面分子吸着の結合に対するテラヘルツ分光測定を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】１…テラヘルツ測定用流体セル
２…濾過フィルタ
３…血液
４…入射テラヘルツ波
５…透過テラヘルツ波
６…赤血球や白血球
７…反射テラヘルツ波
１０…便器
１１…テラヘルツ測定用流体セル
１２…濾過フィルタ
１３…測定対象流体（尿）
１４…入射テラヘルツ波
１５…透過テラヘルツ波
１６…尿蛋白質
１７…尿クレアチニン
１８…尿糖
２１…テラヘルツ測定用大気分析セル
２２…微孔炭素膜
２３…測定対象大気
２４…入射テラヘルツ波
２５…透過テラヘルツ波
２６…大気中微量物質
２７…反射テラヘルツ波
３０…流体流路管
３１…測定対象流体
３２…バッフル
３３…吸着された流体中微量物質
３４…入射テラヘルツ波
３５…反射テラヘルツ波
３６…冷却装置
３７…冷却フィン
４１…金属製あるいは内面金属コーティング流体流路管
４２…濾過フィルタ
４３…測定対象流体
４４…入射テラヘルツ波
４５…透過テラヘルツ波
４６…散乱テラヘルツ波
４７…被測定対象微量物質
５１…基板
５２…被測定対象分子
５３…水素結合
５４…入射テラヘルツ波
５５…透過テラヘルツ波
５６…反射テラヘルツ波
【図１】
2006145512.tif 000003
【図２】
2006145512.tif 000004
【図３】
2006145512.tif 000005
【図４】
2006145512.tif 000006
【図５】
2006145512.tif 000007
【図６】
2006145512.tif 000008
【図７】
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