JP6086152B2 - 被測定物の測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、被測定物の測定方法に関する。より詳しくは、空隙部を有する空隙配置構造体に被測定物を保持し、該空隙配置構造体に電磁波を照射して、空隙配置構造体で散乱した電磁波の特性を検出することにより、被測定物の有無または量を測定する測定方法に関する。
従来から、物質の特性を分析するために、空隙配置構造体に被測定物を保持して、その被測定物が保持された空隙配置構造体に電磁波を照射し、その透過スペクトル等を解析して被測定物の有無または量を検出する測定方法が用いられている。具体的には、例えば、金属メッシュフィルタに付着したタンパク質などの被測定物に、テラヘルツ波を照射して透過スペクトルを解析する手法が挙げられる。
このような電磁波を用いた透過スペクトルの解析手法の従来技術として、特許文献１（特開２００８−１８５５５２号公報）には、被測定物が保持された空隙領域を有する空隙配置構造体（具体的には、メッシュ状の導体板）に向かって、空隙配置構造体の主面に垂直な方向に対して斜めの方向から電磁波を照射して、空隙配置構造体を透過した電磁波を測定し、測定値の周波数特性に生じたディップ波形の位置が、被測定物の存在により移動することに基づいて被測定物の特性を検出する測定方法が開示されている。
従来、検体中に含まれる被測定物をかかる測定方法を用いて測定する場合は、通常、まず被測定物を検体中から抽出した後に、抽出された被測定物を空隙配置構造体に保持した状態で電磁波による測定を行っていた。このため、測定の前に別途の被測定物の抽出工程が必要であり、測定のための作業工程が増えてしまうという問題があった。
また、例えば、メンブレンフィルター等を用いて液体や気体などの検体中から被測定物をろ過抽出する場合、抽出した被測定物を転写などにより空隙配置構造体に乗せ換える工程が必要になるが、抽出した被測定物を全て空隙配置構造体に移動させるのは難しいため、測定結果が大きくばらついてしまう場合があった。
特開２００８−１８５５５２号公報
本発明は上記の事情に鑑み、検体から被測定物を抽出する必要がある場合における作業工程の増加や、測定結果のばらつきといった問題を解消し、検体中に含まれる被測定物を簡便な工程で高精度に測定することのできる、被測定物の測定方法を提供することを目的とする。
本発明は、混合物からなる検体中に含まれる少なくとも１種の被測定物の有無または量を測定する方法であって、
互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有する第１の空隙配置構造体を用いて、前記被測定物の１種である第１の被測定物を前記第１の空隙配置構造体に捕捉する第１の捕捉工程と、
互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有し、前記第１の空隙配置構造体とは空隙部の大きさおよび表面の修飾状態の少なくともいずれかが異なる、第２の空隙配置構造体を用いて、前記検体中に含まれる前記被測定物以外の夾雑物、または、前記第１の被測定物と異なる種類の被測定物である第２の被測定物を捕捉する第２の捕捉工程と、
前記第１の捕捉工程および前記第２の捕捉工程の後に、前記第１の空隙配置構造体、または、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体に、電磁波を照射して、前記第１の空隙配置構造体、または、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体で散乱された電磁波の特性を検出する測定工程とを含むことを特徴とする、測定方法である。
前記第１の空隙配置構造体の空隙部の大きさは、前記第１の被測定物が通過できないか、または通過し難い大きさであることが好ましい。また、前記第１の空隙配置構造体の表面は、前記第１の被測定物が吸着しやすいように修飾されていることが好ましい。
前記第１の捕捉工程は前記第２の捕捉工程の後に実施されることが好ましい。
前記第２の空隙配置構造体の空隙部の大きさは、前記夾雑物または前記第２の被測定物が通過できないか、または通過し難い大きさであり、かつ、前記第１の被測定物が通過できる大きさであることが好ましい。また、前記第２の空隙配置構造体の表面は、前記夾雑物または前記第２の被測定物が吸着しやすく、かつ、前記第１の被測定物が吸着し難いように修飾されていることが好ましい。
前記第１の捕捉工程および前記第２の捕捉工程は、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体を直列に配置し、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体を通過するように前記検体を前記第２の空隙配置構造体側から流すことで実施されることが好ましい。
前記検体は液体または気体であることが好ましい。また、前記被測定物は、液体中の微生物もしくは細胞、または、気体中の無機物、有機物もしくはそれらの複合物であることが好ましい。
本発明においては、空隙配置構造体が捕捉デバイスと測定デバイスとを兼ねていることにより、検体中に含まれる被測定物を簡便な工程で高精度で測定することができる。また、複数種類の空隙配置構造体を用いることにより、複数の被測定物を同時に測定したり、夾雑物を含む検体についても被測定物を選択的に測定することができる。
本発明で用いる空隙配置構造体の構造を説明するための模式図である。 本発明における測定工程の一例の概要を説明するための模式図である。 実施形態１の測定方法を説明するための模式図である。 実施形態２の測定方法を説明するための模式図である。 実施例２の測定方法を説明するための模式図である。 実施例１の測定結果を示すグラフである。 実施例１の測定結果と実測値の回帰直線を示す図である。 実施例１における空隙配置構造体のＳＥＭ撮影像である。 比較例１における空隙配置構造体のＳＥＭ撮影像である。 実施例１および比較例１に関する説明のための断面模式図である。 実施例１および比較例１の透過率スペクトルを示す図である。 実施例２における空隙配置構造体の表面修飾を説明するための模式図である。 実施例２の測定結果を示すグラフである。
本発明の測定方法は、混合物からなる検体中に含まれる少なくとも１種の被測定物の有無または量を測定する方法である。
ここで、「混合物からなる検体」とは、例えば、複数種の被測定物を含む検体や、少なくとも１種の被測定物と少なくとも１種の夾雑物とを含む検体である。
また、「被測定物の有無または量を測定する」とは、液体や気体などの検体中に含まれる被測定物となる化合物の定量を行うことであり、例えば、溶液中等の微量の被測定物の含有量を測定する場合や、被測定物の同定を行う場合などが挙げられる。検体は液体または気体であることが好ましい。また、被測定物は、液体中の微生物もしくは細胞、または、気体中の無機物、有機物もしくはそれらの複合物であることが好ましい。気体中の無機物、有機物もしくはそれらの複合物としては、例えば、大気中のＰＭ２．５や、ＳＰＭ、ＰＭ１０、花粉などが挙げられる。
なお、ＰＭ（Particle Matter）２．５とは、大気中に浮遊する粒子状物質であり、粒子径が概ね２．５μｍ以下のものであるが、厳密には、粒子径が２．５μｍの粒子を５０％の割合で捕集できる分粒装置を透過する微粒子である。ＰＭ２．５は、呼吸器疾患、循環器疾患および肺がんの疾患に影響を与えると考えられている。また、ＳＰＭ（Suspended Particulate Matter）は、粒子径が７μｍの粒子を５０％の割合で捕集できる分粒装置を透過する微粒子である。また、ＰＭ１０は、粒子径が１０μｍの粒子を５０％の割合で捕集できる分粒装置を透過する微粒子である。
本発明の測定方法は、基本的に、
互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有する第１の空隙配置構造体を用いて、前記被測定物の１種である第１の被測定物を前記第１の空隙配置構造体に捕捉する第１の捕捉工程と、
互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有し、前記第１の空隙配置構造体とは空隙部の大きさおよび表面の修飾状態の少なくともいずれかが異なる、第２の空隙配置構造体を用いて、前記検体中に含まれる前記被測定物以外の夾雑物、または、前記第１の被測定物と異なる種類の被測定物である第２の被測定物を捕捉する第２の捕捉工程と、
前記第１の捕捉工程および前記第２の捕捉工程の後に、前記第１の空隙配置構造体、または、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体に、電磁波を照射して、前記第１の空隙配置構造体、または、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体で散乱された電磁波の特性を検出する測定工程と
を含むことを特徴とする。
第１の捕捉工程において、第１の被測定物を「捕捉する」とは、例えば、第１の空隙配置構造体をろ過フィルタとして用いて、第１の空隙配置構造体の空隙部内に第１の被測定物を保持することや、第１の被測定物が吸着しやすいように修飾された第１の空隙配置構造体の表面に直接的または間接的に第１の被測定物を付着させることをいう。第２の捕捉工程において、夾雑物または第２の被測定物を「捕捉する」場合も同様である。
なお、本発明においては、さらに、第１工程および第２工程の前、第１工程と第２工程の間、ならびに、第１工程および第２工程の後のいずれかにおいて、第１の空隙配置構造体および第２の空隙配置構造体とは空隙部の大きさおよび表面の修飾状態の少なくともいずれかが異なる他の空隙配置構造体を用いて、検体に含まれる被測定物以外の夾雑物、または、第１の被測定物および第２の被測定物と異なる他の被測定物を捕捉する工程（第３の捕捉工程など）を、少なくとも１つ含んでいてもよい。
（空隙配置構造体）
本発明で用いられる空隙配置構造体は、互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有している。例えば、複数の該空隙部は、空隙配置構造体の主面上の少なくとも一方向に周期的に配置されている。ただし、空隙部は、その全てが周期的に配置されていてもよく、本発明の効果を損なわない範囲で、一部の空隙部が周期的に配置され、他の空隙部が非周期的に配置されていてもよい。
空隙配置構造体は、好ましくは準周期構造体や周期構造体である。準周期構造体とは、並進対称性は持たないが配列には秩序性が保たれている構造体のことである。準周期構造体としては、例えば、１次元準周期構造体としてフィボナッチ構造、２次元準周期構造体としてペンローズ構造が挙げられる。周期構造体とは、並進対称性に代表される様な空間対称性を持つ構造体のことであり、その対称の次元に応じて１次元周期構造体、２次元周期構造体、３次元周期構造体に分類される。１次元周期構造体は、例えば、ワイヤーグリッド構造、１次元回折格子などが挙げられる。２次元周期構造体は、例えば、メッシュフィルタ、２次元回折格子などが挙げられる。これらの周期構造体のうちでも、２次元周期構造体が好適に用いられる。
２次元周期構造体としては、例えば、図１に示すようなマトリックス状に一定の間隔で空隙部が配置された板状構造体（格子状構造体）が挙げられる。図１（ａ）に示す空隙配置構造体１は、その主面１０ａ側からみて正方形の空隙部１１が、該正方形の各辺と平行な２つの配列方向（図中の縦方向と横方向）に等しい間隔で設けられた板状構造体である。
上記第１の空隙配置構造体の空隙部の大きさは、第１の被測定物が通過できないか、または通過し難い大きさであることが好ましい。また、上記第２の空隙配置構造体の空隙部の大きさは、夾雑物または第２の被測定物が通過できないか、または通過し難い大きさであり、かつ、第１の被測定物が通過できる大きさであることが好ましい。
なお、測定に用いる電磁波の波長は、このような開口サイズの１０分の１以上、１０倍以下に設定されることが好ましい。これにより、散乱する電磁波の強度がより強くなり、信号をより検出しやすくなる。
また、空隙部が図１（ａ）に示すように縦横に規則的に配置された空隙配置構造体１において、図１（ｂ）にｓで示される空隙部の格子間隔（ピッチ）は、測定に用いる電磁波の波長の１０分の１以上、１０倍以下であることが好ましい。このようにすることで、散乱がより生じやすくなる。
また、空隙配置構造体の厚みは、特に制限されないが、測定に用いる電磁波の波長の５倍以下であることが好ましい。このようにすることで、散乱する電磁波の強度がより強くなって信号を検出しやすくなる。
空隙配置構造体の全体の寸法は、特に制限されず、照射される電磁波のビームスポットの面積等に応じて決定される。
空隙配置構造体は、少なくともその表面の一部が導体で形成されていることが好ましい。空隙配置構造体１の表面とは、図１（ａ）に示す主面１０ａ、側面１０ｂおよび空隙部の内壁１１ａの表面である。なお、空隙配置構造体の全体が導体で形成されていてもよい。
ここで、導体とは、電気を通す物体（物質）のことであり、金属だけでなく半導体も含まれる。金属としては、ヒドロキシ基、チオール基、カルボキシル基などの官能基を有する化合物の官能基と結合することのできる金属や、ヒドロキシ基、アミノ基などの官能基を表面にコーティングできる金属、ならびに、これらの金属の合金を挙げることができる。具体的には、金、銀、銅、鉄、ニッケル、クロム、シリコン、ゲルマニウムなどが挙げられ、好ましくは金、銀、銅、ニッケル、クロムであり、さらに好ましくは金、ニッケルである。金、ニッケルを用いた場合、特にホスト分子がチオール基（−ＳＨ基）を有する場合に該チオール基を用いてホスト分子を空隙配置構造体の表面に結合させることができるため有利である。また、ニッケルを用いた場合、特にホスト分子がアルコキシシラン基を有する場合、該アルコキシシラン基を用いてホスト分子を空隙配置構造体の表面に結合させることができるため有利である。また、半導体としては、例えば、ＩＶ族半導体（Ｓｉ、Ｇｅなど）や、ＩＩ−ＶＩ族半導体（ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなど）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなど）、ＩＶ族化合物半導体（ＳｉＣ、ＳｉＧｅなど）、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体（ＣｕＩｎＳｅ２など）などの化合物半導体、有機半導体が挙げられる。
以下、実施形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施形態１）
本実施形態の測定方法では、まず、図３（ａ）に示されるように、空隙部の開口サイズが大きい空隙配置構造体１ａ（第２の空隙配置構造体）と、開口サイズが中程度の空隙配置構造体１ｂ（第３の空隙配置構造体）と、開口サイズが小さい空隙配置構造体１ｃ（第１の空隙配置構造体）とが流路内に直列に配置される。
空隙配置構造体１ａ（第２の空隙配置構造体）の空隙部の大きさは、ゴミや埃（夾雑物）が通過できないか、または通過し難い大きさであり、かつ、ＰＭ２．５（第１の被測定物）および花粉（第２の被測定物）が通過できる大きさである。空隙配置構造体１ａ（第２の空隙配置構造体）について、具体的には、例えば、空隙部が図１（ａ）に示すように縦横に規則的に配置された空隙配置構造体１において、図１（ｂ）にｄで示される空隙部の開口サイズは、ゴミや埃（夾雑物）の大きさ（例えば、夾雑物の表面上の２点間を結ぶ直線のうち最長のものの長さ）以下であることが好ましく、空隙部の開口サイズとゴミや埃の大きさとが同程度であることが最も好ましい。
また、空隙配置構造体１ｂ（第３の空隙配置構造体）の空隙部の大きさは、花粉（第２の被測定物）が通過できないか、または通過し難い大きさであり、かつ、ＰＭ２．５（第１の被測定物）が通過できる大きさである。空隙配置構造体１ｂ（第３の空隙配置構造体）体について、具体的には、例えば、空隙部が図１（ａ）に示すように縦横に規則的に配置された空隙配置構造体１において、図１（ｂ）にｄで示される空隙部の開口サイズは、花粉（第２の被測定物）の大きさ（例えば、被測定物の表面上の２点間を結ぶ直線のうち最長のものの長さ）以下であることが好ましく、空隙部の開口サイズと花粉の大きさとが同程度であることが最も好ましい。
また、空隙配置構造体１ｃ（第１の空隙配置構造体）の空隙部の大きさは、ＰＭ２．５（第１の被測定物）が通過できないか、または通過し難い大きさである。空隙配置構造体１ｃ（第１の空隙配置構造体）について、具体的には、例えば、空隙部が図１（ａ）に示すように縦横に規則的に配置された空隙配置構造体１において、図１（ｂ）にｄで示される空隙部の開口サイズは、ＰＭ２．５（第１の被測定物）の大きさ（例えば、被測定物の表面上の２点間を結ぶ直線のうち最長のものの長さ）以下であることが好ましく、空隙部の開口サイズと被測定物の大きさとが同程度であることが最も好ましい。
そして、空隙配置構造体１ａ，１ｂおよび１ｃを通過するように、検体（大気）を空隙配置構造体側１ａ側から流すことにより、図３（ｂ）に示されるように、まず、空隙配置構造体１ａによりゴミや埃などの大きな粒子が捕捉され（第２の捕捉工程）、次に、空隙配置構造体１ｂにより花粉などの中程度の粒子が捕捉され（第３の捕捉工程）、次に、空隙配置構造体１ｃによりＰＭ２．５などが捕捉される（第１の捕捉工程）。
（測定工程）
本発明における測定工程の一例の概略を図２を用いて説明する。図２は、測定工程に用いられる測定装置の一例の全体構造を模式的に示す図である。この測定装置は、レーザ２（例えば、短光パルスレーザ）から照射されるレーザ光を半導体材料に照射することで発生する電磁波（例えば、２０ＧＨｚ〜１２０ＴＨｚの周波数を有するテラヘルツ波）パルスを利用するものである。
図２の構成において、レーザ２から出射したレーザ光を、ハーフミラー２０で２つの経路に分岐する。一方は、電磁波発生側の光伝導素子７１に照射され、もう一方は、複数のミラー２１（同様の機能のものは付番を省略）を用いることで、時間遅延ステージ２６を経て受信側の光伝導素子７２に照射される。光伝導素子７１、７２としては、ＬＴ−ＧａＡｓ（低温成長ＧａＡｓ）にギャップ部をもつダイポールアンテナを形成した一般的なものを用いることができる。また、レーザ２としては、ファイバー型レーザやチタンサファイアなどの固体を用いたレーザなどを使用できる。さらに、電磁波の発生、検出には、半導体表面をアンテナなしで用いたり、ＺｎＴｅ結晶の様な電気光学結晶を用いたりしてもよい。ここで、発生側となる光伝導素子７１のギャップ部には、電源３により適切なバイアス電圧が印加されている。
発生した電磁波は放物面ミラー２２で平行ビームにされ、放物面ミラー２３によって、空隙配置構造体１に照射される。空隙配置構造体１を透過したテラヘルツ波は、放物面ミラー２４，２５によって光伝導素子７２で受信される。光伝導素子７２で受信された電磁波信号は、アンプ６で増幅されたのちロックインアンプ４で時間波形として取得される。そして、算出手段を含むＰＣ（パーソナルコンピュータ）５でフーリエ変換などの信号処理された後に、空隙配置構造体１の透過率スペクトルなどが算出される。ロックインアンプ４で取得するために、発振器８の信号で発生側の光伝導素子７１のギャップに印加する電源３からのバイアス電圧を変調（振幅５Ｖ〜３０Ｖ）している。これにより同期検波を行うことでＳ／Ｎ比を向上させることができる。
以上に説明した測定方法は、一般にテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）と呼ばれる方法である。
図２では、散乱が透過である場合、すなわち電磁波の透過率を測定する場合を示している。本発明において「散乱」とは、前方散乱の一形態である透過や、後方散乱の一形態である反射などを含む広義の概念を意味し、好ましくは透過や反射である。さらに好ましくは、０次方向の透過や０次方向の反射である。
なお、一般的に、回折格子の格子間隔をｓ、入射角をｉ、回折角をθ、波長をλとしたとき、回折格子によって回折されたスペクトルは、
ｓ（ｓｉｎ ｉ −ｓｉｎ θ）＝ｎλ …（１）
と表すことができる。上記「０次方向」の０次とは、上記式（１）のｎが０の場合を指す。ｓおよびλは０となり得ないため、ｎ＝０が成立するのは、ｓｉｎ ｉ− ｓｉｎ θ＝０の場合のみである。従って、上記「０次方向」とは、入射角と回折角が等しいとき、つまり電磁波の進行方向が変わらないような方向を意味する。
本発明で用いられる電磁波は、空隙配置構造体の構造に応じて散乱を生じさせることのできる電磁波であれば特に限定されず、電波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線等のいずれも使用することができ、その周波数も特に限定されるものではないが、好ましくは１ＧＨｚ〜１ＰＨｚであり、さらに好ましくは２０ＧＨｚ〜２００ＴＨｚの周波数を有するテラヘルツ波である。
電磁波としては、例えば、所定の偏波方向を有する直線偏光の電磁波（直線偏波）や無偏光の電磁波（無偏波）を用いることができる。直線偏光の電磁波としては、例えば、短光パルスレーザを光源としてＺｎＴｅ等の電気光学結晶の光整流効果により発生するテラヘルツ波や、半導体レーザから出射される可視光や、光伝導アンテナから放射される電磁波等が挙げられる。無偏光の電磁波としては、高圧水銀ランプやセラミックランプから放射される赤外光等が挙げられる。
測定工程においては、上述のようにして求められる空隙配置構造体において散乱した電磁波の周波数特性に関する少なくとも１つのパラメータに基づいて、被測定物の特性が測定される。例えば、空隙配置構造体１において前方散乱（透過）した電磁波の周波数特性に生じたディップ波形や、後方散乱（反射）した電磁波の周波数特性に生じたピーク波形などが、被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定することができる。
ここで、ディップ波形とは、照射した電磁波に対する検出した電磁波の比率（例えば、電磁波の透過率）が相対的に大きくなる周波数範囲において、空隙配置構造体の周波数特性（例えば、透過率スペクトル）に部分的に見られる谷型（下に凸）の部分の波形である。また、ピーク波形とは、照射した電磁波に対する検出した電磁波の比率（例えば、電磁波の反射率）が相対的に小さくなる周波数範囲において、空隙配置構造体の周波数特性（例えば、反射率スペクトル）に部分的に見られる山型（上に凸）の波形である。
なお、測定工程は、第１の捕捉工程および第２の捕捉工程とは別途の工程であってもよく、一連の工程であってもよい。具体的には、例えば、第１の捕捉工程や第２の捕捉工程により、被測定物が保持された空隙配置構造体を別途設置された測定機器に移動させてから測定工程を実施してもよく、被測定物が保持された空隙配置構造体を移動等せずに、そのままの状態で電磁波を照射し、測定工程を実施してもよい。
（実施形態２）
本実施形態は、第１の空隙配置構造体の表面が、第１の被測定物が吸着しやすいように修飾されており、また、第２の空隙配置構造体の表面が、前記夾雑物または前記第２の被測定物が吸着しやすく、かつ、前記第１の被測定物が吸着し難いように修飾されている点で、実施形態１とは異なる。それ以外の実施形態１と重複する点については、ここでは説明を省略する。
被測定物が吸着しやすいような修飾とは、例えば、被測定物と親和性の高い物質によるコーティングが挙げられる。他にも、空隙配置構造体の表面にホスト分子を結合する修飾を施し、該ホスト分子に被測定物が結合されるようにしてもよい。ここで、ホスト分子とは、被測定物を特異的に結合させることのできる分子などであり、ホスト分子と被測定物の組み合わせとしては、例えば、抗原と抗体、糖鎖とタンパク質、脂質とタンパク質、低分子化合物（リガンド）とタンパク質、タンパク質とタンパク質、一本鎖ＤＮＡと一本鎖ＤＮＡなどが挙げられる。
具体的には、まず、図４（ａ）に示されるように、白血球（夾雑物）が特異的に吸着するように表面修飾された空隙配置構造体１ｄ（第２の空隙配置構造体）と、浮遊細胞（第１の被測定物）が特異的に吸着するように表面修飾された空隙配置構造体１ｅ（第１の空隙配置構造体）とが流路内に直列に配置される。
なお、例えば、空隙配置構造体１ｄ（第２の空隙配置構造体）の空隙部の大きさは、浮遊細胞の大きさ以下の成分が通過できる大きさであり、空隙配置構造体１ｅ（第１の空隙配置構造体）の空隙部の大きさは、赤血球の大きさ以下の成分が通過できる大きさである。
そして、空隙配置構造体１ｄおよび１ｅ通過するように、検体（血液）を空隙配置構造体側１ｄ側から流すことにより、図４（ｂ）に示されるように、まず、空隙配置構造体１ｄにより白血球が捕捉され（第２の捕捉工程）、次に、空隙配置構造体１ｅにより浮遊細胞が捕捉される（第１の捕捉工程）。そして、赤血球を含む検体（白血球および浮遊細胞が除去された血液）は下流側に排出される。
本実施形態の測定方法を、例えば、血液検査に応用すれば、表面修飾され、開口サイズが調整された複数の空隙配置構造体により、赤血球や白血球などの夾雑物を排して、血中の癌細胞等の浮遊細胞を検出することが可能となる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
まず、図５に示すような上側に広がるテーパー状の開口を有する治具１２に、空隙配置構造体１Ａ（第２の空隙配置構造体）および空隙配置構造体１Ｂ（第１の空隙配置構造体）を設置した。この空隙配置構造体１Ａおよび１Ｂが設置された治具１２を屋外に設置し、ダイアグラムポンプ（吸引速度：１１Ｌ／ｍｉｎ）を用いて、検体（大気）を（図５の下方側へ）１０分間吸引して空隙配置構造体１Ａおよび１Ｂを通過させることにより、空隙配置構造体１ＡでＰＭ２．５以外の夾雑物を捕捉し、空隙配置構造体１ＢでＰＭ２．５（第１の被測定物）を捕捉した。
ここで、空隙配置構造体１Ａおよび１Ｂとしては、図１に示されるように正方形の空隙が主面方向に正方格子状に配置されたＮｉ製の平板状構造体で、厚みが１〜２μｍであるものを用いた。なお、平板状構造体の全体は円盤状であり、その外径は６ｍｍである。空隙配置構造体１Ａにおいて、ピッチ（図１（ｂ）のＳ）は７．１μｍであり、開口サイズ（図１（ｂ）のｄ）は４．２μｍである。一方、空隙配置構造体１Ｂにおいて、ピッチは２．６μｍであり、開口サイズは１．８μｍである。
その後、ＰＭ２．５が付着した空隙配置構造体１Ｂを治具１２から取り出して、電磁波を照射することで透過率スペクトルを測定し、大気を吸引する前の（何も付着していない）空隙配置構造体１Ｂに対するディップ波形のピーク周波数の変動量（Δｆ）を求めた。
このようにして、２０１３年４月６日〜１９日の間の毎日１回、ピーク周波数の変動量を求めた。結果を、空隙配置構造体の測定を行った場所から約2km離れた場所にある公的測定ポイントにおける環境庁の重量濃度測定法（フィルター法）によるＰＭ２．５濃度の測定結果と併せて、図６に示す（ただし、１７日は、透過率スペクトルにおけるディップ波形の消失により求めることができなかった。また、８日１０時〜９日１７時においては、環境庁の測定機の点検のためにＰＭ２．５濃度の測定値が欠落していたので、８日および９日のデータは示していない。）。図６に示されるように、本実施例で求めたピーク周波数の変動量（Δｆ）は、環境庁によるＰＭ２．５濃度の測定値と同じような傾向の増減を示した。
また、図６に示される本実施例で求めたピーク周波数の変動量（Δｆ）と環境庁によるＰＭ２．５濃度の測定値との結果から求めた回帰直線を図７に示す。ここで、決定係数Ｒ２（相関係数の二乗）は０．８６１６であり、本実施例で求めたピーク周波数の変動量は、環境庁によるＰＭ２．５濃度の測定値と相関性を有していると考えられる。
また、図８に、実施例１における吸引ろ過後の空隙配置構造体１Ａ（左列）および空隙配置構造体１Ｂ（右列）のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）撮影像を示す。なお、上側の像は下側の像の拡大像である。この結果から、本実施例では、図１０（ａ）に示すように、空隙部の大きさ（開口サイズ）の異なる２種類の空隙配置構造体１Ａおよび１Ｂを用いて検体（大気）をろ過することで、夾雑物である大きな粒子は空隙配置構造体１Ｂに捕捉され、空隙配置構造体１Ａには、このような大きな粒子は付着せず、小さな粒子のみが付着していることが確認できた。
（比較例１）
治具１２に空隙配置構造体１Ａを設置せず、空隙配置構造体１Ｂのみを設置した点以外は、実施例１と同様にして、２０１３年４月１６日午後２時頃に、検体（大気）を吸引して空隙配置構造体１Ｂを通過させた後に、空隙配置構造体１Ｂの透過率スペクトルを測定し、何も付着していない空隙配置構造体１Ｂに対するディップ波形のピーク周波数の変動量を求めた。
図９に、比較例１における吸引ろ過後の空隙配置構造体１ＢのＳＥＭ撮影像を示す。なお、上側の像は下側の像の拡大像である。この結果から、比較例１では、図１０（ｂ）に示すように、１種類の空隙配置構造体１Ｂのみを用いて検体（大気）をろ過しており、夾雑物である大きな粒子も空隙配置構造体１Ｂに捕捉されてしまうため、測定ノイズが大きくなると考えられる。
図１１に、比較例１における空隙配置構造体Ｂの透過率スペクトルを示す。なお、図では、吸引前の透過率スペクトルを点線（細線）で示し、吸引後の透過率スペクトルを実線（細線）で示している。また、実施例１における比較例１と同日（２０１３年４月１６日午後２時頃）の空隙配置構造体１Ｂの透過率スペクトルを図１１に合わせて示す。なお、図では、吸引前の透過率スペクトルを点線（太線）で示し、吸引後の透過率スペクトルを実線（太線）で示している。
図１１の結果から求めた透過率スペクトルにおけるディップ波形のピーク周波数の吸入前後での変動量（Δｆ）は、実施例１では０．５５ＴＨｚ、比較例１では１．０１ＴＨｚであった。すなわち、実施例１のΔｆは比較例１の略半分であった。
一方、環境省の２０１３年４月１６日午後２時における実施例１および比較例１の実施場所での観測値は、ＰＭ２．５濃度が４７μｇ／ｍ３であり、ＳＰＭ濃度が４６μｇ／ｍ３であった（合計：９３μｇ／ｍ３）。すなわち、この日の大気中のＰＭ２．５とＳＰＭの濃度比は約１：１であった。このことから、比較例１ではＳＰＭとＰＭ２．５の両者が空隙配置構造体１Ｂに捕捉されたのに対し、実施例１では、空隙配置構造体１ＡによりＳＰＭ等が捕捉されることで、空隙配置構造体１ＢにはＰＭ２．５のみが捕捉されており、ＰＭ２．５のみの検出が可能であると考えられる。
なお、環境省が行っている重量濃度測定法は、電子天秤で捕集物の重量を測定する方法であるため、検体が大量に必要になる（捕集時間が長くなる）というデメリットがあるのに対し、本発明の測定方法のように空隙配置構造体を用いた測定では、高感度で測定できるため、検体が少量で済む（捕集時間が短くて済む）というメリットがある。
（実施例２）
［空隙配置構造体１Ｂの準備］
空隙配置構造体１Ｂとして、図１に示されるように正方形の空隙が主面方向に正方格子状に配置されたＮｉ製の平板状構造体を用意した。なお、平板状構造体の全体は円盤状であり、その外径は６ｍｍである。該空隙配置構造体の厚みは１．０μｍであり、空隙部のピッチは２．６μｍであり、開口サイズは１．８μｍである。また、該空隙配置構造体の表面には、図１２に示すように、シランカップリング剤導入糖鎖高分子（Ｐｏｌｙ（ＡｃＭａｎ−ＴＭＳ））を表面修飾し、ホスト分子としてマンノースの固定化を行った。なお、初期特性として、マンノース固定化後の（何も付着していない）空隙配置構造体の透過特性（透過率スペクトル）を、ＦＴＩＲにて測定しておいた。
次に、ＯＲＮ１７８と呼ばれる糖鎖（マンノース）認識レセプター（タンパク質）を有する大腸菌と、ＯＲＮ２０８と呼ばれる糖鎖認識レセプターを有しない大腸菌とを用意した。各々の大腸菌について、濃度１０９［ｃｅｌｌ／ｍＬ］の懸濁液を作製し、（透過特性測定済みの）マンノース固定化後の空隙配置構造体を該懸濁液に含浸させ、３７℃で１０分のインキュベートを行った。インキュベート後の空隙配置構造体をよく水洗した後、乾燥を行った。乾燥後の空隙配置構造体の透過特性をＦＴＩＲにて測定し、前述の大腸菌懸濁液に浸漬する前の空隙配置構造体の透過特性と比べたディップ波形のピーク周波数の変動量（Δｆ）を求めた。その結果、ディップ波形のピーク周波数の変動量（ΔＦ）は、ＯＲＮ１７８懸濁液に含浸させた空隙配置構造体で約３ＴＨｚ程度であり、ＯＲＮ２０８懸濁液に含浸させた空隙配置構造体ではほぼゼロであることを確認した。
［測定］
まず、図５に示すような上側に広がるテーパー状の開口を有する治具１２に空隙配置構造体１Ａ（第２の空隙配置構造体）および上述の空隙配置構造体１Ｂ（第１の空隙配置構造体）を設置した。
空隙配置構造体１Ａとしては、ピッチ７．８μｍ、開口サイズ５．４μｍ、厚み２．０μｍのＮｉ製の図１に示すような空隙配置構造体を用いた。なお、空隙配置構造体の全体は円盤状であり、その外径は６ｍｍである。
次に、１０５〜１０９［ｃｅｌｌ／ｍＬ］の濃度範囲内で６種類の濃度のＯＲＮ１７８懸濁液と、同じ６種類の濃度のＯＲＮ２０８懸濁液を調製した。夾雑物のモデル物質として、粒径１０μｍのラテックス粒子を上記の各懸濁液に対し、１００［μｇ／ｍＬ］の濃度になるように混合した。
この夾雑物としてラテックス粒子が混入した上記ＯＲＮ１７８溶液とＯＲＮ２０８溶液を検体溶液として、上述の冶具を用いて空隙配置構造体Ａ側から空隙配置構造体Ｂ側へ（図５の矢印方向に）吸引した。その後、空隙配置構造体１Ａと空隙配置構造体１Ｂを冶具から取り出し、実体顕微鏡にて、空隙配置構造体表面を観察した結果、ラテックス粒子は空隙配置構造体１Ａ上にのみ存在し、空隙配置構造体１Ｂ上には存在しないことを確認した。
吸引後の空隙配置構造体１Ｂをよく水洗して、乾燥した後、空隙配置構造体１Ｂの透過特性をＦＴＩＲにて測定し、上記の初期特性と比較した。図１３に、各液の各濃度におけるディップ波形のピーク周波数の変動量（Δｆ）を示す。この結果から、糖鎖認識レセプターを有するＯＲＮ１７８のみ空隙配置構造体１Ｂに特異吸着が生じ、それによって空隙配置構造体１Ｂの透過特性が変化していることがわかった。
なお、本発明の測定方法によれば、従来よりも簡便な工程で、より微量の被測定物を測定できるようになる。このように、例えば、被測定物が液体検体中に含まれるわずかな大腸菌などの微生物である場合でも、培養などを行わずに、検体から微生物をろ過濃縮して、その場で被測定物を測定することが可能となる。
本実施例では、表面修飾された空隙配置構造体を用いて、特定の大腸菌の検出例を示したが、それに限定されるものではない。例えば、血液検査に応用すれば、孔サイズの調整と表面修飾とを併用した複数の空隙配置構造体を用いることで、赤血球や白血球などの夾雑物を排して、血中の癌細胞（ＣＴＣ：血中浮遊癌細胞）を検出することなどが可能となる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１Ａ，１Ｂ 空隙配置構造体、１０ａ 主面、１０ｂ 側面、１１ 空隙部、１１ａ 内壁、１２ 冶具、２ レーザ、２０ ハーフミラー、２１ ミラー、２２，２３，２４，２５ 放物面ミラー、２６ 時間遅延ステージ、３ 電源、４ ロックインアンプ、５ ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、６ アンプ、７１，７２ 光電導素子、８ 発振器。

Claims (11)

  1. 検体中に含まれる特定の粒子状物質の量を測定する、測定方法であって、
    前記検体は、前記特定の粒子状物質以外の粒子状の夾雑物をさらに含み、
    前記測定方法は、
    互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有する第１の空隙配置構造体を用いて、前記特定の粒子状物質を捕捉する第１の捕捉工程と、
    互いに対向する一対の主面を有し、両主面を貫通する複数の空隙部を有し、前記第１の空隙配置構造体とは空隙部の大きさおよび表面の修飾状態の少なくともいずれかが異なる、第２の空隙配置構造体を用いて、前記粒子状の夾雑物を捕捉する第２の捕捉工程と、
    前記第１の捕捉工程および前記第２の捕捉工程の後に、前記第１の空隙配置構造体に、前記第１の空隙配置構造体の主面と交差するように電磁波を照射して、前記第１の空隙配置構造体で散乱された電磁波の特性を検出する測定工程とを含み、
    前記第１の捕捉工程は前記第２の捕捉工程の後に実施される、測定方法。
  2. 前記第１の空隙配置構造体の空隙部の大きさは、前記特定の粒子状物質が通過できないか、または通過し難い大きさである、請求項１に記載の測定方法。
  3. 前記第１の空隙配置構造体の表面は、前記特定の粒子状物質が吸着しやすいように修飾されている、請求項１または２に記載の測定方法。
  4. 前記第１の捕捉工程は前記第２の捕捉工程の後に実施される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定方法。
  5. 前記第２の空隙配置構造体の空隙部の大きさは、前記粒子状の夾雑物が通過できないか、または通過し難い大きさであり、かつ、前記特定の粒子状物質が通過できる大きさである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定方法。
  6. 前記第２の空隙配置構造体の表面は、前記粒子状の夾雑物が吸着しやすく、かつ、前記特定の粒子状物質が吸着し難いように修飾されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定方法。
  7. 前記第１の捕捉工程および前記第２の捕捉工程は、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体を直列に配置し、前記第１の空隙配置構造体および前記第２の空隙配置構造体を通過するように前記検体を前記第２の空隙配置構造体側から流すことで実施される、請求項４〜６のいずれか１項に記載の測定方法。
  8. 前記検体は液体または気体である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定方法。
  9. 前記特定の粒子状物質は、液体中の微生物もしくは細胞、または、気体中の無機物、有機物もしくはそれらの複合物である、請求項８に記載の測定方法。
  10. 前記特定の粒子状物質はＰＭ２．５である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の測定方法。
  11. 前記粒子状の夾雑物はＳＰＭである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の測定方法。
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