(57)【要約】【課題】  分析の専門家の手によらず、医師もしくは医療関係者が迅速かつ的確にバクテリアやウィルス等の種類を同定できる細菌又は毒性物質の同定装置を提供する。を提供する。【解決手段】０．1〜10THzの電磁波にほぼ透明な材料によって構成され、少なくとも細菌又は毒性物質を含む試料３を密封する密閉型セルと、試料３の少なくとも一部に電磁波を照射する可変波長電磁波発生装置１と、試料３を透過あるいは試料３から反射した電磁波を検出する検出器４とを備え、検出器４の出力から細菌又は毒性物質の種類を同定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．1〜10THzの電磁波にほぼ透明な材料によって構成され、少なくとも細菌又は毒性物質を含む試料を密封する密閉型セルと、
前記電磁波を前記試料の少なくとも一部に照射する可変波長電磁波発生装置と、
前記試料を透過あるいは前記試料から反射した前記電磁波を検出する検出器
とを備え、前記検出器の出力から前記細菌又は毒性物質の種類を同定することを特徴とする細菌又は毒性物質の同定装置。
【請求項２】
前記密閉型セルが、
前記試料を収納する凹部と、
前記試料を覆うキャップ
を有する平面型セル構造であることを特徴とする請求項１に記載の細菌又は毒性物質の同定装置。
【請求項３】
前記密閉型セルが、パイプ状をなし、前記密閉型セルの両端に前記試料を覆うキャップを有する導波路型セル構造であることを特徴とする請求項１に記載の細菌又は毒性物質の同定装置。
【請求項４】
前記密閉型セルの内面に金属をコーティングしたことを特徴とする、請求項３に記載の細菌又は毒性物質の同定装置。
【請求項５】
前記可変波長電磁波発生装置が、ＧａＰ結晶若しくはＬｉＮｂＯ３結晶を用いた差周波テラヘルツ波発生装置、ガンダイオード、タンネットダイオード、ｐ型ゲルマニウムレーザ及び量子カスケードレーザのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の細菌又は毒性物質の同定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の同定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、その応用が注目されているテラヘルツ電磁波（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）は、光の周波数と電波の周波数の境界に当たる。光の周波数はおよそ３０−１０００ＴＨｚであるのに対して、マイクロ波やミリ波などの電波の周波数は０．１ＴＨｚ以下の周波数を持っている。
【０００３】
この周波数のギャップを埋めるのがＴＨｚ波帯である。テラヘルツ発生においては、その原理的方法に基づきテラヘルツ時間領域分光法（THz Time-Domain Spectroscopy;ＴＨｚ−ＴＤＳ）、テラヘルツパラメトリック発振器（THz Parametric Oscillator;ＴＨｚ−ＴＰＯ）、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生（THz Different Frequency Generation；ＴＨｚ−ＤＦＧ）、あるいはｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどの半導体デバイスを用いたテラヘルツ電磁波発生方法が実現されている。
【０００４】
特に、ＧａＰを用いた差周波発生では０．１５〜７ＴＨｚという他に類を見ない広範囲において波長可変で高出力のテラヘルツ電磁波の発生が実現されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００５】
細菌、すなわちバクテリアやウィルスは、その存在により食物の腐敗や変質が生じ、ある種のバクテリアやウィルスが生体内で異常増殖した場合には、人体にさまざまな病気が引き起こされる。
【０００６】
このような感染症を引き起こす細菌としては、ブドウ球菌属、レンサ球菌属、レジオネラ菌属、ビブリオ科、嫌気性細菌、スピロヘータ、リケッチア、クラミジア等多種多様である。これらの微生物は宿主の組織に寄生し、増殖しながら毒素を生産するので人体に炎症を引き起こすことになる。昨今では、病原体コロナウイルスの増殖によって引き起こされる、新型肺炎ＳＡＲＳ（重症急性呼吸器症候群）が流行し社会問題となっている。
【０００７】
また貝毒などに代表されるように、海水中の毒素を持ったプランクトンが貝に蓄積され、これを摂取する人間が中毒を起こすという２次的な事例も多く発生している。
【０００８】
さらに昨今では、テロリズムが凶悪化し、いわゆるバイオテロと呼ばれる生物化学兵器が用いられる事例が発生しており、百万分の１グラム以下の量で５〜７日間以内に致死率１００％に達するアントラックス（炭疽）や、呼吸筋をマヒさせて３６時間以内に死にいたらしめることのできるボツリヌス毒素等が含まれている。
【０００９】
一般には、これらの感染症は発熱や嘔吐、腹痛、あるいは呼吸困難などの副次的に生じる人体の影響によって判断されることが多く、例えばＳＡＲＳでは空港において旅客の発熱を熱画像（サーモグラフィー）を用いて発熱者を検出した例は記憶に新しい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T.Tanabe, K.Suto, J.Nishizawa, T.Kimura, K.Saito, Journal of Applied Physics 93, 4610 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したような感染症に関する検査は、スクリーニング検査（免疫生化学検査）およびさらに詳細な確認検査（免疫組織化学検査）などが行われるために結果がでるまでに数日かかる。これらの検査は時間を要するため、あるいは専門家・資格者による熟練と種々の試薬を取り扱える環境が常に要求されることから、遠隔地に試料を送り検査結果を待つという方法以外に手はなかった。以上の問題を鑑み、分析の専門家の手によらず、医師もしくは医療関係者が迅速かつ的確にバクテリアやウィルスの検出を感染者に接しながら（遠隔地へ試料を送付せずに）行う必要がある。
【００１２】
本発明は、上記の従来技術の欠点を除くためになされたものであって、バクテリアやウィルスにテラヘルツ電磁波を照射し、バクテリアやウィルスに特有の吸収スペクトラム情報を得ることにより、既存のスペクトル情報を基にパターン認識を行い該バクテリアやウィルスの種類を同定する細菌又は毒性物質の同定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題を解決するために、本発明の特徴は、細菌又は毒性物質のＤＮＡ構造、あるいは細菌による生成毒素や細菌の寄生によってもたらされた蛋白質変性等に特有の０．１〜１０ＴＨｚにおける固有振動数に等しい周波数のテラヘルツ電磁波を照射するための可変波長電磁波発生装置を具備し、試料を透過あるいは反射するテラヘルツ電磁波の強度を前記周波数帯に感度をもつ検出器を用い測定し、スペクトル情報を得る。このスペクトルはいわゆる被測定物質の指紋情報であり、予め測定された標準サンプルのスペクトル情報を基にパターン認識され、細菌の同定が行われる。  
また本発明では、対象となるものが細菌や毒性物質であり、大気中あるいは環境への拡散を防ぐことを考慮した試料閉じ込め方式のセル構造を提案する。この方法によって例えば水分を含む生体サンプルでは、テラヘルツ電磁波の減衰が問題になることに着目し、任意の厚さ（例えば１０μｍ程度）に薄くした状態で測定するための試料薄膜化セル構造を持つ。さらに極微量の試料分析を実現するため、パイプ状試料閉じ込め方式の導波管型セルを用いることを特徴とする。  
細菌又は毒性物質の固有振動周波数帯はほぼ０．１〜１０ＴＨｚにあり、それぞれバクテリアやウィルスの種類、すなわち構造因子に関連した特徴的異なる指紋スペクトラムを有する。しかし、この帯域はこれまで細菌又は毒性物質の検査に用いられたことは無かった。本発明はこの帯域を利用することにより新たな検出方法および装置を実現でき、簡便かつ迅速な検査が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の同定装置は、細菌や毒性物質のＤＮＡ構造、変性蛋白質、あるいは食品等で増殖するバクテリアやウィルスの構造に対応する固有振動数に等しい周波数の電磁波を照射し、その吸収特性から物質を同定することができるので、バクテリアやウィルスの検出および毒素の検出が迅速かつ簡便に行うことが可能になる。さらに、炭疽菌やボツリヌス毒素等の検出にも対応できるので、バイオテロ対策にも有効な細菌又は毒性物質の同定装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電磁波の透過を利用した細菌又は毒性物質の同定装置を示す図である。
【図２】試料閉じ込め方式のセル構造、（１）平面型セル構造、（２）導波路型セル構造を示す図である。
【図３】電磁波の反射を利用した細菌又は毒性物質の同定装置を示す図である。
【図４】平面型セル構造の試作行程を示す図である。
【図５】導波路型セル構造の試作行程を示す図である。
【図６】細菌の培養を含む電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の同定装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２に示すような被測定試料中にバクテリア、ウィルスおよび毒性物質を封入し、図１に示すような装置により、所定周波数のテラヘルツ電磁波を照射し、その吸収特性からバクテリア、ウィルスおよび毒性物質の種類を同定することができる。
【実施例１】
【００１７】
本発明による電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の測定システムの概略図を図１に示した。可変波長電磁波発生装置１としては、ＧａＰ結晶を用いた差周波テラヘルツ波発生装置が用いられる。またＧａＰ結晶に代わりＬｉＮｂＯ３結晶を用いると、差周波発生やパラメトリックオシレーションにより０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波を得ることができる。さらには、可変波長電磁波発生装置１として、ガンダイオード、タンネットダイオード、あるいはｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどの電子デバイスを用いることもできる。
【００１８】
特に、ＧａＰを用いた差周波発生では０．１５〜７ＴＨｚという他に類を見ない広範囲において波長可変で高出力のテラヘルツ電磁波の発生が実現されている。この方法では、第１のポンプ光に波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い、第２のポンプ光源すなわち波長可変光源としてインジェクションシーディング装置を具備したオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）を用いる。
【００１９】
このようなＯＰＯはＹＡＧレーザの第３高調波すなわち波長３５５ｎｍ光で励起されることにより波長縮退を避けることができ、さらにインジェクションシーディングの効果によりＯＰＯの線幅を狭くすることができる。このため、差周波として発生するテラヘルツ電磁波の線幅も同様に狭くなる。
【００２０】
また第２の方法として、ポンプ光としてＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ（Ｃｒ添加カンラン石）レーザを用いることもできる。このレーザはＣｒの準位を用いているためにインジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べて線幅が極めて狭い。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザは波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い励起されるが、ｚ前述のＯＰＯのように第３高調波を用いないので効率が高い。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザの波長可変範囲は、１．１５μｍから１．３５μｍまでの範囲であり、二つのＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源として用い、インジェクションシーディングなしで差周波発生させることができる。
【００２１】
可変波長電磁波発生装置１より発生したテラヘルツ電磁波は、自由空間に放射され、レンズ２等によって集光系が構成される。レンズの材質としては、テラヘルツ電磁波が透過する材料である必要があり、石英、ポリエチレン、あるいはテラヘルツ電磁波透過性のシクロオレフィンポリマー系樹脂材料が用いられる。試料３は通常、パウダー状に粉砕され乾燥後テフロン（登録商標）あるいはポリエチレンのパウダーと混合しペレット状に加工される。ペレットの大きさは、約１０ｍｍφであり、厚さは０．１ｍｍ〜５ｍｍである。試料３はｘおよびｙ軸上の移動・調整により分析点が決定される。検出器４としては、広い波長感度特性をもつ焦電検知器や、ボロメータなどが用いられる。また検出器で検知された信号は信号処理部５によってスペクトル情報として処理・記憶される。
【実施例２】
【００２２】
図１における試料３は細菌又は毒性物質によって構成されるため、大気中あるいは環境への拡散を防ぐことを考慮した試料閉じ込め方式のセル構造が不可欠である。
【００２３】
図２に試料閉じ込め方式のセル構造を示した。（１）は平面型セル構造を有しており、（２）は導波路型セル構造を有している。平面型セル構造は平面型セル３２と試料３１およびキャップ３３によって構成され、平面型セル３２およびキャップは石英、テフロン（登録商標）、ポリエチレンあるいは樹脂などのテラヘルツ電磁波に対して透明な材料が用いられる。この方法によって例えば水分を含む生体サンプルでは、テラヘルツ電磁波の減衰が問題になるが、試料厚さを例えば１０μｍ程度に薄くした状態では水分が存在しても透過特性を測定できる。
【００２４】
さらに極微量の試料分析を実現するため、パイプ状試料閉じ込め方式の導波管型セルを用いることを特徴とする。図２の（２）に示すように微量の試料６１は導波路型セル６２中に図のように置かれている。導波路型セル６２は、例えば石英管内径０．１ｍｍ〜１ｍｍφで長さ１ｃｍ程度のチューブで内面に金をコーティングしたものを用いる。導波路型セルの一方から照射されたテラヘルツ電磁波はチューブ内で多重反射することで、微量の試料６１に効率的に照射されることから高感度分析が可能となる。さらに本構造では試料（例えば粉末）の大気中あるいは環境への拡散を防ぐためにキャップ６３を設けている。
【実施例３】
【００２５】
図３に示したのは被測定試料の反射を検出することを特徴とする、電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の測定システムの概略図である。この方法は試料３のテラヘルツ電磁波透過性が悪い場合に用いられ、透過でスペクトラムが得られにくい場合に有効である。可変波長電磁波発生装置１より発生したテラヘルツ電磁波は、自由空間に放射され、レンズ２等によって集光系が構成される。ミラー６を通過したテラヘルツ電磁波は試料３の表面に照射され反射したテラヘルツ電磁波は、ミラー６で反射し検出器４で検出される。反射したテラヘルツ電磁波は試料３の表面近傍の構造に特有の吸収特性を保持しているので、透過特性の場合（図１に示した）と同様に物質の同定が可能である。試料３はｘおよびｙ軸上の移動・調整により分析点が決定される。
【実施例４】
【００２６】
図２の（１）に示した平面型セル構造の試作行程を図４に示した。試料３７は細菌および毒性物質を含むので、大気中あるいは環境への拡散を防ぐことを考慮した工程を用いている。平面型セル３２およびキャップ材料３３はテラヘルツ電磁波に対して透明な材料である石英、ポリエチレン、テフロン（登録商標）あるいは、シクロオレフィンポリマー系の特殊樹脂などが用いられる。平面型セル３２は例えば１０μｍの凹部を持ち、凹部の深さにより被測定試料厚みが決まるように工夫された構造をもっている。（１）前記凹部はエッチング等により所定の深さの凹みが予め形成される。（２）次に試料供給装置３８よりペースト化した液状試料３７を供給するが、凹部を埋める量より過剰に供給する必要がある。ここで、液状試料は粉末であっても同じ工程を取り得る。（３）に示すように清浄で硬質の平板状の刃３９で、表面を一定の力で走査することにより一定厚みの被測定試料を形成でき、最後に（４）に示すようにキャップ３３を設置する。
【００２７】
上記方法により工程を自動化することで、細菌又は毒性物質を大気中あるいは環境への拡散を防ぐことができ、安全な試料作成が可能となる。また薄膜化した試料を作成できるので、水分を多く含む試料などでテラヘルツ電磁波の透過率が極端に落ちる場合も、試料の薄膜化によって物質特有の吸収特性を測定できる。
【００２８】
さらに本試料作成法によれば、試料の厚みを常に一定にできるので定量評価に適している。定量評価に関しては、試料の膜厚に応じてテラヘルツ電磁波の吸収量が変化するので、試料厚みを一定にすることが必要である。
【実施例５】
【００２９】
図２の（２）に示した導波管型セル構造の試作行程を図５に示した。導波管型セル６２は、例えば石英管内径０．１ｍｍ〜１ｍｍφで長さ１ｃｍ程度の内面に金をコーティングしたものを用い、まず、テラヘルツ電磁波透過性のキャップ材料６３’に先端を浸し所定の膜厚のキャップ６３を導波管型セル６２の一端に形成する。キャップ材料６３’は溶融あるいは溶剤を含むペースト状のものが用いられる。次に、導波管型セル６２の内部に液体状の試料材料６１’を封入するため、真空の環境で、一端をキャップ材で封止された導波管型セル６２を試料材料６１’に浸し（真空含浸）、次に環境を窒素の圧力で加圧することで（加圧含浸）、試料６１を導波管型セル６２中に封入する。この後、液切り工程および後処理工程により導波管型セル６２の外側などに付着した試料材料６１’を除去する。試料材料６１’が粉体の場合には真空含浸および加圧含浸を行わなくとも圧着により試料６１を導波管型セル６２中に封入することも可能である。次に、キャップ６３を開放端に前記キャップ形成工程と同様のプロセスにより形成し、洗浄工程を経て導波管型セル構造が完成する。
【００３０】
図６に示したのは、電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の測定システムの概略図であり、培養容器を含んでいることを特徴とする。ある種の細菌はその数が微量である場合には、培養によって細菌の数を増やし、精度よく分析することが有効である。図中７１はテラヘルツ電磁波透過型培養容器であり、石英、ポリエチレン、テフロン（登録商標）あるいは、シクロオレフィンポリマー系の特殊樹脂などの材質からなる。最近を塗布した培養質７２は所定の環境で培養容器７１に封入されている。この培養容器は培養装置７３で所定のプロセス後、測定システムにおいて分析される。各コロニーに対応したスペクトラムの測定と、所定周波数のテラヘルツ電磁波照射時の反射強度から画像情報を得ることもできる。このため検出器４の出力とｘ、ｙ、ｚステージの位置を信号処理部５で処理し、所定の周波数での画像情報を得ることができる。図６に示した測定システムは反射型であるが、検出器４を試料３の下方に設置することにより、透過による測定システムを実現できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上により、本発明によれば細菌又は毒性物質に固有の固有振動数に等しい周波数の電磁波を照射し、その吸収特性から物質を同定することができるので、電磁波の照射を利用した細菌又は毒性物質の同定装置は、バクテリアやウィルスの検出および毒素の検出が迅速かつ簡便に行うことが可能になるので医療や、生体化学の分野で広く応用される可能性が高い。
【符号の説明】
【００３２】
１…可変波長電磁波発生装置
２…レンズ
３…試料
４…検出器
５…信号処理部
６…ミラー
７…ｘ、ｙ、ｚ移動ステージ
３１、６１…試料
３２…平面型セル
３３、６３…キャップ
３７…液状試料
３８…試料供給装置
３９…刃
６１’…試料材料
６３’…キャップ材料
７１…培養容器
７２…培養質
７３…培養装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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