JP4721416B2 - 検体検査素子、及び検体検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を用いて検体の物性分析などを行って検体の情報を得る検体検査素子、検体情報取得方法、及び検体検査装置に関するものである。

近年、ミリ波からテラヘルツ波領域（30GHz〜30THz）のうちの任意の帯域を有する高周波電磁波（以下、テラヘルツ波とも呼ぶ）を用いた非破壊な検査技術が開発されている。テラヘルツ波の周波数領域には、生体分子をはじめとして、様々な物質の吸収線が存在することが知られている。そのため、この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線に替わる安全な透視検査装置に適用してイメージングを行う技術がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて、分子の結合状態を調べる分光技術がある。また、生体分子の解析技術、キャリヤ濃度や移動度を評価する技術等が期待される。

テラヘルツ波を用いた物体の検査装置として、図10の様な構成が開示されている（特許文献1参照）。この検査装置は、物体4に空間を伝搬するテラヘルツ波を照射し、物体4からの透過波の伝搬状態変化より、物体4の構成材料を測定する装置である。ここにおいて、物体を2次元に走査することによって、物体内部の透過イメージング像が得られる。

上記技術では、テラヘルツ波の伝搬は空間を介しているが、テラヘルツ波は、多くの高周波電磁波信号の伝搬に用いられる伝送経路上も伝搬することが一般的に知られている。そのため、テラヘルツ波も、他の高周波電磁波信号と同じ様に、信号の伝搬状態を制御することが可能である。その手法の一つとして、図11の様に、伝送経路を構成する誘電体基板の一部に、誘電率の異なる誘電体を周期的に配置する方法が提案されている（特許文献2参照）。ここでは、誘電率を周期的に変化させることにより、フォトニックバンドギャップが形成され、伝送経路に一種の共振構造を付加できて、伝送経路を伝搬する高周波電磁波の信号成分の一部をフィルタリングできる。

また、図12に示すデバイスは、伝送経路上にテラヘルツ波を結合させ、DNAセンサとして応用したものである（非特許文献1参照）。ここでは、伝送経路を伝搬するテラヘルツ波の伝搬状態の変化より、DNAの螺旋構造の結合状態を検出している。
特開平8−320254 特開2004−120260 Appl.Phys.Lett.,Vol.80,No.1,p154-p156,2002

一般にテラヘルツ波は、水分に対して強い吸収を受ける。特許文献1では、検体の物性を検出することを目的として、検体からの透過テラヘルツ波を検出する構成を開示する。しかし、この様にテラヘルツ波を大気中に伝搬させると、大気中の水分による吸収によってテラヘルツ波は大きく減衰する。この大気の影響を軽減するためには、少なくとも、テラヘルツ波の伝搬経路を取り囲む領域に関して、雰囲気を調整するといった手法が必要になる。この場合、この雰囲気を調整する手段のために、装置構成が大きくなる。また、検体自体がテラヘルツ波に対して強い吸収特性を持つ場合、検体による吸収のために透過テラヘルツ波の出力が弱くなる。これを避けるためには、例えば、検体自体を薄膜化するなどして、実効的に、検体に吸収されるテラヘルツ波の量を少なくする手法がある。しかし、この場合、検体と相互作用する領域（透過方向の検体量）も減るために、検出感度が低くなる。また、検体自体を処理するための工程も増える。

特許文献2の様な伝送経路の場合、伝送経路の形態にもよるが、伝送経路を伝搬する高周波電磁波は、伝送経路を構成する誘電体基板内に集中する。したがって、これをテラヘルツ波の伝送に応用した場合、テラヘルツ波は基板内に集中するため、大気による信号の減衰を抑制できる可能性がある。しかし、現在のところ、特許文献2の様に、バンドギャップを用いて、伝送経路中のテラヘルツ波の伝搬状態を制御し、検体の検査に転用する手法は開示されていない。

また、非特許文献1に開示されているDNAセンサは、伝送経路としてマイクロストリップラインを用いている。そして、検体として用いるDNAは、マイクロストリップラインを構成する導体上に滴下している。伝送経路を伝搬するテラヘルツ波は、マイクロストリップラインを構成する2つの導体に挟まれた誘電体基板内に集中する。そのため、検体のセンシングに用いられるテラヘルツ波は、導体付近に漏れ出した、わずかな電磁波で行う結果となる。つまり、検出に用いるテラヘルツ波の利用効率が低い。

上記課題に鑑み、本発明の検体検査素子は、伝送経路を伝搬する電磁波の伝搬状態が検体の存在によって変化することを利用して検体の情報を取得する検体検査素子である。そして、伝搬する電磁波が存在する伝送経路内の領域の少なくとも一部に、検体を保持可能な保持部がほぼ所定の規則性をもって複数設けられていることを特徴とする。代表的には、伝送経路は、1つまたは複数の導体と誘電体を有し、保持部は誘電体に形成され、導体は、少なくとも保持部に電磁界を閉じ込める様に、誘電体に密着して形成される。また、複数の保持部は、例えば、誘電体において、屈折率が変調された複数の空隙として形成される。本発明において、対象とする電磁波の周波数領域は、導体と誘電体を有する構成の伝送経路の場合は、典型的にはテラヘルツ波などの数THz程度以下のものであるが、誘電体の周波数特性、伝送経路の構成などによっては、それ以外の領域の周波数の電磁波を対象とすることもできる。

また、上記課題に鑑み、本発明の物性情報取得方法は、伝送経路を伝搬する電磁波の伝搬状態が検体の存在によって変化することを利用して検体の情報を取得する検体情報取得方法である。そして、伝送経路内に、検体を保持可能な保持部をほぼ所定の規則性をもって複数設け、複数の保持部がある伝送経路の領域を少なくとも含んで電磁波を伝搬させてこれを検出することで検体の情報を取得することを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の検体検査装置は、上記の検体検査素子と、複数の保持部に検体を充填する検体充填手段と、伝送経路に電磁波を伝搬させる電磁波発生手段と、伝送経路を伝搬した電磁波を検出する電磁波検出手段とを有することを特徴とする。ここにおいて、検体の情報を保持しておくデータベースと、データベースの情報と電磁波検出手段によって検出された電磁波情報を照合して検体の情報を取得する比較部とをさらに有してもよい。また、所得情報を提示する提示部をさらに有してもよい。

本発明による検体検査素子、検体情報取得方法、及び検体検査素子を用いた検体検査装置によれば、検体検査素子を構成する伝送経路を伝搬する電磁波が存在する伝送経路内の領域に、検体を保持可能な保持部がほぼ所定の規則性をもって複数設けられる。そして、その保持部に検体を保持し、このとき検体検査素子に結合した電磁波の伝搬状態が変化することを利用して、検体の物理特性などの情報を検出する。したがって、検体を保持する複数の保持部のほぼ規則性を持つ配置による波長選択性、共振特性などに起因する特異な現象を利用して検体の情報を取得することができる。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。尚、図中の同一要素に関しては、同符号を用いる。また、以下の説明ではテラヘルツ波を用いているが、伝送経路の誘電体の周波数特性、各部の構成、材料などによっては、それ以外の領域の周波数の電磁波を対象とすることもできる。

図1は、本発明による検体検査装置の一実施形態の構成を示す概略構成図である。図1の様に、本実施形態の検体検査装置は、テラヘルツ波を用いて検出を行う検体検査素子101、検出に用いるテラヘルツ波の制御を行う電磁波発生手段102、検体検査素子101に検体を充填するための検体充填手段103を有する。そして更に、検体検査素子101から出力されるテラヘルツ波を検出する電磁波検出手段104、検体に関する物理情報などの情報が格納されるデータベース105を有する。比較部106は、電磁波検出手段104の出力とデータベース105の情報を比較し、提示部107は比較部106における比較結果を提示する。

検体検査素子101の構成を図2に示す。図2の様に、図1における検体検査素子101は、屈折率が変調された空隙（保持部）を有する検体保持体201と導体で構成される伝送経路形状型の検査素子に、結合手段204が接続された構成を有する。検体保持体201は、伝搬する電磁波が存在する伝送経路内の領域の少なくとも一部に、検体を保持可能な保持部がほぼ所定の規則性をもって複数設けられたものであるが、保持部は、必ずしも、屈折率が変調された空隙である必要はない。例えば、保持部に検体が充填された結果、屈折率が変調される構造になっていても良い。

本実施形態では、検体検査素子101は、マイクロストリップ線路型の検査素子として説明する。そのため、検査素子の構成は、図2の様に、第1導体202と第2導体203で検体保持体201を挟み込むマイクロストリップ線路型となる。ただし、伝送経路の形状は、マイクロストリップ線路構造に限るものではない。例えば、図5に示す様に、グランド付コプレーナウェーブガイド構造(a)、コプレーナウェーブガイド構造(b)、平行平板導波路構造(c)、ストリップ線路構造(d)、導波管構造(e)の様な構造でも良い。これらは、検体保持体201に対して、一つないし複数の導体が密着した構造であり、その構造体に電磁波を閉じ込め、電磁波を伝搬できる様な形状を有する。導波管構造(e)の様な構造の場合、検体保持体201の部分以外の内部が空洞になっている様な構成も可能である。

ここでは、検体保持体201は、検体を保持するための、屈折率が変調された空隙を複数有している。しかし、空隙は、空隙でなくても、検体を浸潤させることが可能な物質で構成されていてもよい。また、検体保持体201を構成する構造には、検体が吸着されやすい微小構造があってもよいし、適当な表面処理、例えば、検体が親水性の場合、構造の表面が親水性に表面処理され、検体が確実に空隙に充填される様な構成であってもよい。また、検体保持体201を構成する物質が、検体を浸潤するか、もしくは、検体と反応して物性が変化する物質で構成されていてもよい。つまり、検体保持体201は、検体によって、屈折率の変調具合が変化する構成であればよい。

検体保持体201の空隙は、検査に用いる電磁波の波長オーダであってもよい。この様な空隙を複数有することによって、例えば、特定の周波数帯域の電磁波を伝搬させないといった、バンドギャップに起因する特異な現象を得ることができる。また、この空隙は、検査に用いる電磁波の波長に対して、自己相似的に変化していてもよい。この様な空隙を有することによって、例えば、特定の電磁波を検体保持体201に局在させる様な現象を得ることができる。また、この空隙の配置は、2次元的であってもよいし、3次元的であってもよい。少なくとも、検体保持体201を伝搬する電磁波に対して、検体保持体201の物理的特性（例えば誘電率）が、ある規則性をもって変化する様な構成であればよい。この様な検体保持体201を、伝送経路の基板として用いることによって、伝送経路に波長選択性や共振特性などの機能を付加することができる。また、場合によっては、空隙を検体保持体201の物質やその他の物質で埋めたり、新たに空隙を挿入したりするなどして、屈折率の変調規則性を乱す様な構造が挿入されていてもよい。この様に、検体を保持可能な保持部は、ほぼ所定の規則性をもって複数設けられていれば良い。

また、本実施形態では、図2に示す様に、検査素子構造の伝送経路は、結合手段204を備えている。結合手段204は、テラヘルツ波を検査素子構造に結合させ、伝搬させる。上記した様に、本実施形態では、検査素子の構造はマイクロストリップ線路型であるので、結合手段204は、検体保持体201、第1導体202、第2導体203で構成されるマイクロストリップ線路型の検査素子に、テラヘルツ波を結合させる働きを有する。本実施形態の結合手段204は、外部から飛来するテラヘルツ波を、マイクロストリップ線路型の検査素子に結合する機能の他に、結合手段204内部で発生したテラヘルツ波を、マイクロストリップ線路型の検査素子に結合する機能を有していてもよい。

図3に、テラヘルツ波を検査素子に結合させるこれらの結合手段204の構成例を示す。本実施形態では、検体検査素子101は、マイクロストリップ線路型の検査素子であるので、結合手段204は、マイクロストリップ線路型であることが望ましい。ただし、結合手段204の構成はこの線路構成に限るものではなく、図5に示した様な、使用する検査素子101の構成に応じて、結合手段204の構成も変化する。また、結合手段204の構成は、図3に示す構成に限るものではなく、検査素子101にテラヘルツ波を結合、伝搬できる構成であればよい。

例えば、外部から飛来するテラヘルツ波を検査素子に結合する場合、図3 (c)の様にアンテナ構造303を用いる構成や、図3 (d)の様にグレーティング構造304を用いる構成が適する。アンテナ構造303は、少なくとも、外部より飛来するテラヘルツ波を検出できる周波数特性を有していればよい。そのため、図3(c)では、共振型のパッチアンテナ構造であるが、この構造に限るものではなく、周知のアンテナを使用することもできる。グレーティング構造304は、外部より飛来するテラヘルツ波の波長に応じて、結合手段204を構成する導体に周期的な凹凸を作製することで得られる。この様なグレーティング構造304を設けることで、凹凸の周期に応じて、テラヘルツ波の波長を選択的に検査素子101に結合することができる。結合手段204をこの様に構成する場合、図1における電磁波発生手段102は、検体検査素子101に照射するテラヘルツ波源として機能する。電磁波発生手段102の構成は、テラヘルツ波を発生させる様な既知の手段で構成することができる。

また、結合手段204内部でテラヘルツ波を発生させ、検査素子に結合する場合、図3において、(a)の様に光スイッチ301を用いる構成や、(b)の様に利得物質302を用いる構成があり得る。光スイッチ301は、図3(a)の様に、導体の一部にスリットを設け、そのスリットに、キャリヤ移動度の高くキャリヤのライフタイムが短い半導体（例えば、低温成長ガリウムヒ素：LT-GaAs）を密着させた構成である。光スイッチ301の動作は、導体のスリット部分に電界を印加した状態で、超短パルスレーザ光を用いて外部より光学的にゲートすることで、テラヘルツ波を発生する。ここで、検体検査素子101は、マイクロストリップ線路型であるため、発生したテラヘルツ波は、検査素子構造に結合し、伝搬する。結合手段204として、光スイッチ301を使用する場合、図1における電磁波発生手段102は、上記の光スイッチ301のスリット部に電界を印加する手段と、超短パルスレーザ光を外部より照射する手段（不図示）で構成される。

結合手段204として、図3(b)の様に利得物質302を用いる場合、利得物質302は、例えば、共鳴トンネルダイオード（RTD）やガンダイオードなどで代表される電磁波利得を得られる半導体素子である。図3(b)の様に、利得物質302は、検査素子を構成する導体にスリットを設け、そのスリット部分に接続されている。または、図示していないが、検査素子を構成する二つの導体（図2における第1導体202と第2導体203）間に接続されている構成であってもよい。この利得物質302は、テラヘルツ波のうち、所望の周波数帯で利得を得る様に設計されている。そのため、利得物質302の両端に電界を印加することで、テラヘルツ波を発生する。ここで、検体検査素子101は、マイクロストリップ線路型であるため、発生したテラヘルツ波は、検査素子構造に結合し、伝搬する。結合手段204として、利得物質302を使用する場合、図1における電磁波発生手段102は、上記の利得物質302に電界を印加する手段で構成される。

また、図3では、結合手段204は、検体保持体201上に形成されており、図2における検査素子構造と一体化されて、検体検査素子101を構成している。しかし、検体検査素子101の構造はこれに限るものではない。例えば、図4の様に、中継用伝送経路（線路）401を用いて、結合手段204（ここでは例として光スイッチ301を用いている）と、検体保持体201部分に形成される検査素子を切り分ける構成もあり得る。この様な構成にした場合、検体保持体201を、検体を検査する場所にのみ作り込めばよいので、検体検査素子101の作製プロセスの簡略化が期待できる。また、検体を検査部分にのみ存在させることができるので、検体の物理的特性による他の外部回路402（例えば、結合手段204を動作させるための電磁波発生手段102など）への影響を軽減でき、より安定に検査を行うことができる。また、各素子のレイアウトの自由度が上がるという効果がある。また、検査部分のみ取り替え可能な構造にすることで、検査素子自体のコストダウンを図ることが可能である。

再び図1に戻って、本実施形態における検体検査装置の説明を行う。電磁波発生手段102は、上述した様に、結合手段204を制御して、検査素子101にテラヘルツ波を結合させ、伝搬させるための外部回路である。上述した様に、電磁波発生手段102の構成は、結合手段204の構成に依存する。

検体充填手段103は、検体検査素子101を構成する検体保持体201の空隙部分に、検査対象である検体を充填する機能を有していればよい。例えば、検体量や検体を充填する位置を制御するために、アクチュエータなどによって制御された機構で、プローブの先端より検体を滴下し、検体を検体保持体201に浸潤させる構成が使用できる。また、アクチュエータによって、インクジェットの様に、検体を一定量噴射する様な構成でもよい。また、検体の状態を変性させる様な物質を、検体に添加する機構を有していてもよい。

電磁波検出手段104は、検体検査素子101を伝搬するテラヘルツ波を検出する機能を有する。その構成は、既知のテラヘルツ波検出方法で構成可能である。例えば、検体検査素子101を構成する伝送経路内に、図3の光スイッチ301を設け、超短パルスレーザ光を用いて光スイッチ301をゲートし、テラヘルツ波をサンプリングする方法がある。また、テラヘルツ波に対して非線形光学効果を有する物質を用いて、テラヘルツ波による光の偏光の変化を取得する方法がある。また、他の高周波技術にみられる様に、利得物質302を用いてテラヘルツ波を検出する構成もあり得る。また、図3のアンテナ構造303やグレーティング構造304を用いて、検体検査素子101を伝搬するテラヘルツ波を一度外部に取り出し、上記した様な方法を用いて、別途テラヘルツ波を検出する方法もある。また、当然、これらの検出方法に限るものではなく、テラヘルツ波を取得するという目的を達成する方法であればよい。

データベース105は、検査対象である検体の物理情報を格納している記憶媒体である。このデータベース105は、予め検体の物理情報を記憶していてもよいし、測定結果の情報を記憶する機能を有していてもよい。また、このデータベース105には、可能な限り多くの物質の物理情報などの情報が格納されていることが望ましい。

比較部106は、電磁波検出手段104によって検出されたテラヘルツ波を、必要に応じて、所望の形に変換して、データベース105の情報と比較する演算処理部分である。比較部106における物理情報の比較方法は、全ての作業を情報処理によって行ってもよいし、一部または全部を回路的に行う構成であってもよい。

提示部107は、比較部106における検体の物理情報の比較結果を外部に提示する部分である。提示方法としては、ディスプレイなどの表示装置に比較結果を表示する形態がある。ただし、これに限るものではなく、表示結果を発光素子の点灯状態の変化によって知らせるといった様に、何らかの形で知らせる形態を有していればよい。提示部107は、適宜、検体検査装置に着脱可能に接続される形態でも良い。

次に、本実施形態における、検体検査装置の動作を説明する。検体検査素子101は、少なくとも検体検査素子101の一部に検体保持体201を有している。この検体保持体201は、物理特性が異なる2つの物質（例えば、検体保持体201を構成する物質と空気）で構成されている。こうして物理特性が変調される様に、異なる物質が配置される場合、この検体保持体201は、検体保持体201を伝搬する電磁波に対して波長選択性や共振特性を発現する。ここでは、使用するテラヘルツ波に対して、バンドギャップに起因する波長選択性が生じているとする。この検体保持体201は、これまで述べてきた様に、伝送経路（上記してきた様に、ここではマイクロストリップ線路型である）を構成する基板である。この伝送経路を構成する基板が波長選択性を持つということは、伝送経路の伝搬特性自体にも波長選択性が発現することを意味する。

この検体検査素子101に対して、検体充填手段103を用いて、検体を空隙に充填した場合、次の様なことが起こる。これまで、検体保持体201を構成する物質と空気の物性の配置関係によって決められていた波長選択性が、検体保持体201を構成する物質と検体の物性の関係によって決められる波長選択性に変化する。また、この波長選択性は、空隙における検体の有無だけではなく、検体の構造自体の差異、例えば、DNAの1本鎖と2本鎖の違いによっても、変化する。これらの変化は、具体的には、波長選択性の位置がシフトするといった様に、周波数特性が変化する。この様な変化を、テラヘルツ波の伝搬状態の変化によって検知することで、検体の物理情報などの情報を取得するものである。

この様な手法を用いる場合、予め、検体が存在しない場合のテラヘルツ波の伝搬状態を知っていることが望ましい。すなわち、検体が存在しない場合の伝搬状態を、例えば、比較部106やデータベース105にリファレンスとして保存しておき、このリファレンスからの変化の情報より検体の物理情報などを取得する方法が採用され得る。ただし、この方法に限るものではない。例えば、検査作業の直前に、検体が存在しない場合のテラヘルツ波の伝搬状態を測定し、比較部106またはデータベース105に記憶させ、これをリファレンスとして用いる方法もあり得る。

また、検査対象となる検体自体も固定されている場合、データベース105は必ずしも必要でなく、波長選択性の変化によるテラヘルツ波の伝搬の有無や強度変化（例えば、ある閾値を設けて検体の存在を判断する）より、検査作業を行うことができる。また、検体の構造自体の差異を検出する場合、一方の構造に対する伝搬状態をリファレンスとし、他方の構造の伝搬状態と比較することで、構造の違いを検出することができる。同様に、ある条件下での伝搬状態をリファレンスとし、外部の刺激（雰囲気、光、温度など）や反応（化学反応など）によって変化する検体での電磁波伝搬状態と比較することで、検体の特性変化を検出することもできる。この様に、バイオセンサや化学センサなどの様に、検体の物性情報より、検体の分析、同定等を行うことができる。

本実施形態においては、検体検査素子を構成する基板内に、例えば、テラヘルツ波の波長オーダの屈折率等が変調された空隙を複数設け、空隙部分に検体を保持し、検体検査素子に結合したテラヘルツ波の伝搬状態の変化より、検体の物理特性などを検出するものである。そのため、伝送経路の外部に漏れ出したテラヘルツ波ではなく、検体検査素子に結合したテラヘルツ波を、検出に用いることができる。したがって、大気中の水分に代表される様な、外部の雰囲気の影響を受けにくい検体検査素子を提供できる。また、検体検査素子に結合したテラヘルツ波を用いているため、検出に関与するテラヘルツ波が、外部に漏れ出すテラヘルツ波を用いる検査素子に比べて、多く見積もることができ、検出感度が向上するという効果がある。

また、テラヘルツ波の波長オーダの屈折率等が変調された構造に検体を保持する場合、検体を保持する機構が共振器として機能し、検出部分にテラヘルツ波を局在させることができるため、検出感度が向上するという効果がある。同時に、検出感度が向上するため、テラヘルツ波の波長程度の周期的な構造に、検体を保持することにより、より微量な検体の検出が可能になる。また、テラヘルツ波に対して強い吸収をもつ検体の場合、検体を保持する構造によって検体が仕切られているため、テラヘルツ波の伝搬経路中において、テラヘルツ波と検体が相互作用する領域を確保しつつ、テラヘルツ波が接触する検体量を少なくできる。そのため、テラヘルツ波に対して強い吸収をもつ様な検体であっても、容易に感度良く検出できるという効果がある。

以下に、より具体的な実施例について、図面を参照して説明する。

（実施例1）
実施例1では、検体保持体201として、検体保持体201を構成する材料中に空隙が単調な周期性によって並んでいる構造体を用いる。この様な構造体として、例えば、図6に示す様な、単純立法格子型の検体保持体201がある。本実施例では、この単純立法格子型の検体保持体201を用いるが、この構造体に限るものではない。上述した様に、この様な周期性を有する構造体は、フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性を有するといった特徴を有する。

検体保持体201を形成する材料の特性としては、空隙部分の材料特性と大きな差異があり、かつテラヘルツ波に対して透明であることが望ましい。なぜなら、例えば、材料特性として物質の誘電率を考える場合、空隙部分の材料特性に対して、十分大きいまたは十分小さい場合、フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性が顕著に現われるからである。また、検体保持体201を構成する材料の透明性ついては、次の如き理由からである。例えば、材料中に、テラヘルツ波に対して自由に動けるキャリヤが多く存在する場合、テラヘルツ波の伝搬に対して、このキャリヤがゆらぎ、ノイズの原因となったり、テラヘルツ波の分散によって、十分な信号強度が得られなかったりする。そして、結果として、波長選択性も十分に得られないといった問題を生じる可能性があるからである。

本実施例では、検体保持体201を形成する材料として、高抵抗シリコン（SI-Si、誘電率11.4、導電率0.01S/m）を用いる。この材料は、テラヘルツ波に対して十分透明であることが知られている。本実施例では、この高抵抗シリコンに対して、格子定数0.4μm、空隙の一片0.11μmの単純立法格子を作り込む。検体保持体201の作製は、既知のMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）で作製可能である。例えば、高抵抗シリコン基板に対して、フォトリソグラフィー技術を用いて、検体保持体201の厚み方向に対する1周期分の周期構造基板を作製し、これらの周期構造基板を、所望の周期分だけ貼り合わせによって積層していく手法が採用され得る。本実施例では10周期分、すなわち上記周期構造基板を10層積層させ、単純立法格子を作製する。

この様に作製した検体保持体201の空隙部分に検体が存在すると、検体保持体201を形成する材料に対する、空隙部分の材料特性の関係（本実施例の場合、空気と検体）が変化するため、波長選択性が変化する。図8に、検体保持体201に対する、Γ−Ｚ方向のテラヘルツ波の伝搬特性の計算結果を示す。ここでは、検体としてDNA（誘電率4.0、誘電正接tanδ0.01）を用いている。図8をみると、空隙部分に検体が存在しない場合、260GHzを中心としたフォトニックバンドギャップが存在している。この空隙部分に検体を挿入した場合、フォトニックバンドギャップは、低域側に、およそ40GHz程度シフトしており、透過率も減少している様子が分かる。例えば、この様な周波数シフトと信号の減衰特性より、検体の材料を特定することが可能である。

また、上述した様に、検体のある／なしでの比較だけでなく、検体自体の構造変化や特性変化を検出することも可能である。また、本実施例では、単純立方格子を用いたが、この様な周期的な構造中に、周期性を乱す様な構造、例えば、欠陥構造を挿入してもよい。この場合、バンドギャップ内に、局所的に電磁波が透過する領域が出現し、この局所的な電磁波の透過特性の変化を測定に用いることも可能である。

本実施例では、この様な検体保持体201に対して、例えば、図2に示した様に、第1導体202と第2導体203を密着させ、マイクロストリップ線路型の検査素子を構成する。また、図2における結合手段204として、図3(a)の光スイッチ301を設けて、検体検査素子101を構成する。光スイッチ301は、検体保持体201上に、例えば、上記LT-GaAsを選択的に貼り付け、このLT-GaAsを検体保持体201とミクロンオーダの間隙を有する第1導体で挟み込む形で構成する。この光スイッチ301に対して、電磁波発生手段102より、電界と超短パルス信号が印加されると、検体検査素子101にはテラヘルツ波が結合し、伝搬する。この検体検査素子101には、フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性が現われている。そのため、例えば、検体充填手段103によって検体を検体検査素子101に滴下し、検体保持体201の空隙部分に検体が充填されている場合、検査素子に結合したテラヘルツ波を検出することで、検体の物性を検出することが可能になる。

（実施例2）
実施例2では、検体保持体201として、検体保持体201を構成する材料中に、空隙における屈折率の変調特性が自己相似的に変化する様に、空隙が複数配置されている構造体（フラクタル構造体）を用いる。この様な構造体として、図7に示す様な、メンジャースポンジ型の検体保持体201がある。本実施例では、このメンジャースポンジ型の検体保持体201を用いるが、上記した様に、この構造体に限るものではない。この様な構造体は、一般にフォトニックフラクタル構造と呼ばれ、波長によって、空隙部分に電界が局在する結果、ノッチフィルタの様な波長選択性が現われる。

本実施例においても、実施例1で述べた様に、検体保持体201を形成する材料の特性は、空隙部分の材料特性と大きな差異があり、かつテラヘルツ波に対して透明であることが望ましい。

本実施例においても、実施例1と同じく、検体保持体201を形成する材料として、高抵抗シリコン（SI-Si、誘電率11.4、導電率0.01S/m）を用いる。本実施例では、この高抵抗シリコンを用いて、1辺が135μmの立法体の体中心及び面中心より、1辺がこの1/3の立法体を取り除き（これを1ステージと呼ぶ）、この作業を3回繰り返した構造体（3ステージのフォトニックフラクタル構造）を得る。検体保持体201の作製は、既知のMEMSで作製可能である。

この様に作製した検体保持体201の空隙部分に検体が存在すると、検体保持体201を形成する材料に対する空隙部分の材料特性の関係（本実施例の場合も、空気と検体）が変化するため、波長選択性が変化する。図9に、検体保持体201に対する、テラヘルツ波の伝搬特性の計算結果を示す。ここでは、検体としてDNA（誘電率4.0、誘電正接tanδ0.01）を用いている。図9をみると、空隙部分に検体が存在しない場合、1.68THz付近の信号を選択的に遮断している様子が分かる。この空隙部分に検体を挿入した場合、この遮断周波数は、低域側に、およそ60GHz程度シフトしており、特性も広がっている。例えば、この様な周波数シフトと遮断周波数の帯域幅の変化より、検体の材料を特定することが可能である。また、上記した様に、検体のある／なしでの比較だけでなく、検体自体の特性変化や構造変化を検出することも可能である。

実施例2でも、実施例1で述べた手法と同様な手法で、検体検査素子101を作製する。この検体検査素子101には、フラクタル構造に特有の波長選択性が現われる。そのため、例えば、検体充填手段103によって検体を検体検査素子101に滴下し、検体保持体201の空隙部分に検体が充填されている場合、検査素子に結合したテラヘルツ波を検出することで、検体の物性等を検出することが可能になる。

本発明による検体検査装置の実施形態及び実施例の概略構成図である。 図1の検体検査素子の概略構成図である。 検体検査素子の結合手段の幾つかの構成例を示す平面図である。 検体検査素子の構成例を示す平面図である。 検体検査素子を構成する伝送経路構造の幾つかの構成例を示す斜視図である。 実施例1における検体保持体を示す斜視図である。 実施例2における検体保持体を示す斜視図である。 実施例1における検査素子の計算結果を示すグラフである。 実施例2における検査素子の計算結果を示すグラフである。 従来の検査装置の構成例を示す図である。 従来の周期構造部分を有する基板を用いたテラヘルツ波の伝送経路例を示す斜視図である。 従来の伝送経路を用いたDNAセンサの構成例を示す平面図である。

符号の説明

101 検体検査素子
102 電磁波発生手段
103 検体充填手段
104 電磁波検出手段
105 データベース
106 比較部
107 提示部
201 検体保持体（複数の保持部を含む）
202 第1導体
203 第2導体
204 結合手段
301 光スイッチ
302 利得物質
303 アンテナ構造
304 グレーティング構造
401 中継用伝送経路
402 外部回路

Claims (12)

1. テラヘルツ波を伝搬させるための伝送経路を含み構成される検体検査素子であって、
   前記伝送経路は、誘電体と、該誘電体に形成される導体とを有し、
   前記誘電体は、該誘電体物質内に検体を保持するための保持部を含み構成され、
   前記保持部は、
   前記伝送経路を伝搬するテラヘルツ波に対して、該保持部の物理的特性が変化するように構成され、且つ、
   フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性を有する周期的な構造であることを特徴とする検体検査素子。
2. 前記保持部は、立方格子型のシリコン基板であり、且つ該保持部に保持される検体と前記伝送経路を伝搬するテラヘルツ波とが相互作用するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の検体検査素子。
3. テラヘルツ波を伝搬させるための伝送経路を含み構成される検体検査素子であって、
   前記伝送経路は、誘電体と、該誘電体に形成される導体とを有し、
   前記誘電体は、該誘電体物質内に検体を保持するための保持部を含み構成され、
   前記保持部は、
   前記伝送経路を伝搬するテラヘルツ波に対して、該保持部の物理的特性が変化するように構成され、且つ、
   フォトニックフラクタル構造であることを特徴とする検体検査素子。
4. 前記保持部は、メンジャースポンジ型のシリコン基板であり、且つ該保持部に保持される検体と前記伝送経路を伝搬するテラヘルツ波とが相互作用するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の検体検査素子。
5. 前記物理的特性は、誘電率であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検体検査素子。
6. 前記伝送経路にテラヘルツ波を結合させるためのアンテナ構造あるいはグレーティング構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の検体検査素子。
7. 前記テラヘルツ波を発生させるための利得物質あるいは光スイッチを有し、
   前記利得媒質あるいは前記光スイッチは、
   前記伝送経路の導体と、該導体とは別の導体との間に設けられ、且つ前記発生したテラヘルツ波を前記伝送経路に結合するように構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の検体検査素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の検体検査素子を含み構成される検体検査装置であって、
   前記保持部に検体を噴射するための噴射手段を有し、
   前記噴射手段により前記検体を前記保持部に噴射することによって該保持部に該検体を充填可能に構成されることを特徴とする検体検査装置。
9. 前記伝送経路を伝搬したテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
   前記検体の物理情報を保存するためのデータベースと、
   前記検出手段によって検出されたテラヘルツ波を物理情報に変換し、該テラヘルツ波の物理情報と前記データベースに保存された物理情報とを比較するための比較部と、を有することを特徴とする請求項８に記載の検体検査装置。
10. 前記比較部で比較した結果を用いて取得した、前記検出手段により検出されたテラヘルツ波における周波数シフト及び減衰特性から、前記検体の材料を特定可能に構成されることを特徴とする請求項９に記載の検体検査装置。
11. 前記比較部で比較した結果を用いて取得した、前記検出手段により検出されたテラヘルツ波における周波数シフト及び周波数帯域幅の変化から、前記検体の材料を特定可能に構成されることを特徴とする請求項９に記載の検体検査装置。
12. 前記データベースは、検体が存在しない場合のテラヘルツ波の伝搬状態をリファレンスとして保存し、
    前記リファレンスから検体が存在する場合のテラヘルツ波の伝搬状態への変化から前記検体の物理情報を取得可能に構成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に検体検査装置。