使用电磁波的检测方法以及检测装置的制作方法

专利名称：使用电磁波的检测方法以及检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用从0. lTHz至10THz的频率范围中选择的电磁波(在 本说明书中称为太赫兹波)，进行物质(待检物)信息的取得的检测方 法以及装置的技术。
背景技术：
近年，利用太赫兹波的技术开发日盛。特别是太赫兹波的光子能量 与分子骨架振动和分子间相互作用的能量拟合，用分光学的方法得到的 波语被用于物质的分析。
对于这种技术，提出了照射与和食品的构成要素的结构对应的固有 振动频率相等的太赫兹波，根据其吸收波谱鉴定物质的检测方法(专利 文献1:特开2005-172775号公报)。列举作为食品的构成要素的DNA 和蛋白质、细菌、病毒等，记载了能够迅速并且简便地检查它们的结构 差异、有无变性、有无毒素等的要点。
通常已知太赫兹波具有物质固有的振动频率，可根据其波诿信息知 道物质的存在和状态。
但是，在高分子材料和水合物中，多数是在太赫兹波的区域中难以 判别固有振动波谱的材料，存在不一定能用上述方法检查的物质。其原 因如下。这是因为在太赫兹波的频带中的高分子固有振动数有无数个， 所以作为叠加的结果，难以分离特征性的峰加以观察的缘故。此外，是 因为由分子间力引起的固有振动数由于变成非结晶状态和溶液、水合状 态而消失的缘故。这种情况下，就要使用红外分光等以往方法。在红外 分光中有傅立叶变换红外分光法(FT-IR)和拉曼分光法等，与太赫兹 波相比，其能够使针对高能量一方的分子键的波镨数据被数据库化，可 简便地进行物质的评价。
另一方面，例如在进行蛋白质分析的情况下，作为使用了抗原-抗
体反应的方法，有ELIZA法(非专利文献1: Immunochemistry， vol. 8， pp. 871-874， PergamonPress 1971) 、 Western印迹法(非专利文献2: Analytical Biochemistry, vol.112, pp. 195-203， (1981))等，可 以进行高灵敏度的测定。此外，作为通过计量测定物质的结晶结构、相 变现象、声子、沖撞緩和现象等来观察物质内部的状态变化、在广意上 的变性状态的方法，有使用X射线、光等电磁波、磁性、超声波等的方 法。

发明内容
如上所述，以往没有提出过在太赫兹波的频带(0. 1至lOTHz左右) 中用固有的振动波镨不能判别时，使用太赫兹波进行有效检测的方法。 因而，例如，透射频波谱的频率依赖性的变化幅度当相对噪声的基线的 起伏不足够大的情况下，不能进行物质的鉴定。此外，在使用太赫兹时 域分光法(THz-TDS)测定的相位差波镨中，只是线性的变化，在明确 的拐点和极值点、不连续点难以检测的情况下，也不能进行物质的鉴定。
另一方面，在以往使用的红外分光中，在FT-IR中观察某几个振动 波谦。但是，作为问题可以例举因为在能量方面中不包含高分子固有 的骨架振动和分子间相互作用的能量的区域，所以在物质的鉴定这一点 上有局限；定量分析困难。此外，因为需要在真空腔中保管待检物，所 以在具有生物分子功能那样的液体样品和水合物的状态下测定是困难 的。此外，在拉曼分光中，因为用高能量的激光激发来观察波长的位移 量，所以存在软材料的损伤的问题。进而，在太赫兹波的区域中因为与 激发波长接近而分离困难，所以在精度上存在问题。
此外，在采用ELIZA法和Western印迹法等的生物化学方法中，对
于特定的分子灵敏度非常高。但是，因为是破坏整体结构使之成为多肽 状态，根据蛋白质的一部分的氨基酸序列的差异来推定的方法，所以仍 然存在诊断精度的问题。其原因是即使序列正确，蛋白质也不一定能够 正常地发挥功能。因此寻求直接评价三维高级构象(conformation)的
方法。
鉴于上述问题，使用从0. lTHz至10THz的频率范围中选择的电磁 波检测物质状态变化的本发明的检测方法的特征在于，具有以下的第1 至第5步骤。在第1步骤中，将物质配置在待检物保持部上。在第2步 骤中，向上述物质照射上述电磁波。在第3步骤中，检测从上述物质透 射或者反射来的电磁波。在第4步骤中，根据上述检测到的电磁波和上 述照射的电磁波的信息，求得针对上述照射的电磁波的上述物质的性质 的频率依赖性，算出上述物质的性质的频率依赖性的、直线拟合时的直 线斜率或直线斜率。在第5步骤中，对预先求得的基准物质的上述物质 的性质的频率依赖性的直线斜率和在上述第4步骤中算出的上述物质的 直线斜率进行比较，评价上述物质状态的变化。作为上述物质的性质的 频率依赖性，可以从透过率、吸收率、反射率、相位差中至少选择l个。 此外，特别是求得上述物质的性质的频率依赖性的直线斜率时的频率范 围从0. 2THz至2. 5THz的范围中选择。
此外，鉴于上述课题，使用从0. lTHz至10THz的频率范围中选择 的电磁波检测物质状态的变化的本发明的检测装置的特征在于具有保 持物质的待检物保持部；照射部件、检测部件、计算部件、评价部件。 上述照射部件向保持在上述待检物保持部上的物质照射上述电磁波。上 述检测部件检测从上述物质中透射或者反射来的电磁波。上述计算部件 根据上述检测到的电磁波和上述照射的电磁波的信息，求得针对上述照 射的电磁波的上述物质的性质的频率依赖性，算出上述物质的性质的频 率依赖性的、直线拟合时的直线斜率或者直线斜率。上述评价部件将预
先求得的基准状态的上述物质的性质的频率依赖性的直线斜率和在上 述计算部件中计算出的上述物质的直线斜率进行比较，评价上述物质状
态的变化。
如果采用本发明，能够不管是否可以观测太赫兹波的频带的固有振 动波镨，都使用太赫兹波以非接触、非破坏、无标识地检测物质状态的 变化。这样，能够在用于医疗的病理诊断、用于工业材料的开发/步骤 检查等中提高检查效率。
通过下述的例示性的实施例的描述和参照所附附图可以更清楚本 发明的特点。


图l是表示本发明的实施例l等的检测装置的构成图。
图2是表示待检物的保持构件的例子的侧视图。
图3A、 3B、 3C是表示蛋白质(BSA)的透射波谱、相位差波语，以
及时间波形的例子的图。
图4A、 4B、 4C、 4D是说明蛋白质的立体结构以及状态的变化的图。
图5是表示蛋白质(抗生素物素蛋白)的透射波镨的例子的图。
图6A、 6B是表示核酸碱基类(dC HC1 )的透射波谱以及相位差波
谱的例子的曲线图。
图7是表示DNA的透射波谱的例子的图。
图8是表示无机结晶(MgF)的吸收波镨的例子的曲线图。
图9是表示本发明的其他实施例的检测装置的构成图。
图IO是表示使用了传送线路型传感器的实施例的侧视图。
图ll是包含图10的传感器的检测装置的光学配置图。
图12A、 12B、 12C是表示由包含传送线路型传感器的检测装置产生
的相位差波镨的例子的曲线图。
图13A、图13B、图13C是说明本发明的其他的实施例的反射测定
系统的检测装置的构成图。
图14是表示蛋白质(BSA)的透射波谱的其他测定例子的图。 图15是表示激素的透射波谱的其他测定例子的图。 图16是表示神经递质的透射波镨的其他测定例子的图。 图17是表示食品添加物的透射波谦的其他测定例子的图。
具体实施例方式
以下，说明本发明的检测方法以及检测装置的实施方式。本发明是 检测物质状态的变化的发明，代表性地是检测物质由从正常状态下结构 变化引起的变性程度。这种情况下，所谓在作为对象的待检物中检测出
的变性程度定义为物质的主要构成元素没有大变化，因微量的元素的 增减、构成元素内的结合状态的变化等，物质的整体的或者一部分的结 构发生了变化的变性状态的程度。
例如，如果是蛋白质、DNA等核酸类、糖类等的生物相关性分子， 由于结合状态的改变，整体的立体结构(如果是DNA还包含1条链，2 条链的差异)变化。这例如是因加热和光照射等引起的。这是因为在人 体之中，如果有某种异常产生或者先天性地存在该变性了的分子的话， 因为与疾病的发现、诊断等有关联，所以在应用上是非常重要的。例如， 已知发现癌症、BSE (疯牛病)、黑色素肿瘤、ALS (肌肉萎缩性侧索硬 化症)等疾病有特定的变性蛋白，重要的是能够用简便的方法检测它们。
本发明的检测方法以及检测装置此外还可以在产业利用上适用到 重要的构成材料等的状态变化的检测。作为有机材料，有有机发光材 料、有机半导体、色素、颜料、染料、调色剂等，考虑应用于因结构变 化引起劣化的状态检测、掺杂状态的检测、色味的检测等中。另一方面， 即使在无机材料中也一样，可以应用到发光材料、半导体、电介体材料、 液晶、色素、颜料、染料、调色剂等的状态变化的检测中，能够在材料 开发和制造步骤中的检查等中应用。
此处，说明应用于蛋白质的检查中的实施方式。其中，虽然与物质 相应地使用适宜的装置，但对于在0. 1至10THz的太赫兹波带中检测物 质状态变化的检测方法及装置对于各种物质是共用的。
首先，用图l说明使用太赫兹波的检测装置的一种实施方式。该装 置利用通过将飞秒激光照射在半导体材料上产生的小于等于皮秒的脉 沖幅度的太赫兹波脉沖。
在图1的构成中，将从具有1000飞秒(fsec)的脉冲幅度的光纤 型飞秒激光器l射出的波长？80nm、平均功率40mW的激光光用半透半反镜10分支为2路。 一方照射在电磁波发生侧的光传导元件6上，另一 方通过使用多个反射镜ll(同样功能的反射镜省略标号)，经由时间延 迟台16照射在接收侧的光传导元件7上。作为光传导元件6、 7使用形 成了在LT-GaAs上具有间隙部的偶极天线的一般的元件。其中对此并没 有特别限定。作为激光光如果将脉冲幅度设置成更窄的10飞秒，能够 拉长用太赫兹波分光时的频带。此外，除了光纤激光器以外，也可以使 用钛蓝宝石等固体激光器。进而，在太赫兹波的发生、检测中不将半导 体表面用作天线，也可以使用ZnTe结晶那样的电光学结晶。此处，在 成为发生侧的光传导元件6的上述间隙部上用电源2施压适宜的偏压。
所发生的太赫兹波用抛物面反射镜12形成平行光束，用抛物面反 射镜13照射在保持于待检物保持部上的待检物(被检查的物质)8。在 本实施方式中，光纤型飞秒激光器l、光传导元件6等构成照射部件。
透射了待检物8的太赫兹波再次靠抛物面反射镜14、 15的作用被 光传导元件7接收。在本实施方式中，用光纤型飞秒激光器l、时间延 迟台16、光传导元件7等构成检测部件。
此时，为了能够测定待检物8的多个位置，也可以使待检物8在同 一平面内可以移动。用光传导元件7接收到的太赫兹波信号在用放大器 5放大后用锁定放大器3作为时间波形取得。而后在用包含计算部件的 PC (个人计算机)4进行傅立叶变换等的信号处理后，能够算出待检物 8的透射波语、相位差波镨等。为了用锁定放大器3取得，用振荡器9 的信号调制施加在发生侧的光传导元件6的间隙上的来自电源2的偏压 (振幅5V 30V)。通过由此进行同步检波来提高S/N。以上说明的检 测方法一般称为太赫兹时域分光法(THz-TDS)。
待检物8如果是固体状则只要直接配置在保持部的位置上即可。如 果是液体状的物质也可以渗入到微型膜滤器(例如，日本保罗公司的商 品名思宝爱)等中进行测定。图2表示用于保持这种情况下的待检物的 构件。向用于避免待检物之间的干涉的隔壁(孔)20内注入待检物，固 定在微型膜滤器22上。在图2中，21是用树脂等构成隔壁21的构件， 23是为了遮断太赫兹波光的杂散光和噪声光而使用的金属构件。将微型
膜滤器22夹在构件21和金属构件23之间。
用这种方式调查蛋白质BSA (bovine serum albumin)的太赫兹波 吸收波语。由此，得到因图3A至3C所示那样的蛋白质的量和变性状态 而不同的频率依赖性[(a)透射波谱、(b)相位差波谱、(c)时间波 形]。在图3A和图3B中，实线表示在保持构件没有待检物的参照状态 的结果，白色三角的线表示计算出渗入了浓度20mg/ml的正常状态的待 检物的相对参照状态的变化量的结果，白色方形的线表示计算了渗入浓 度20mg/ml的变性状态待检物的相对参照状态的变化量的结果，黑色三 角形的线表示计算了渗入浓度1 Omg/ml的变性状态待检物的相对参照状 态的变化量的结果，黑色四边形的线表示计算了渗入浓度10mg/ml的变 性状态的待检物的相对参照状态的变换量的结果。在图3C中，实线表 示在保持部件中没有待检物的参照状态的结果，白色圆圏的线表示计算 了渗入了浓度20mg/ml的变性状态待检物的相对参照状态的变化量的结 果，黑色圆圏的线表示计算了渗入浓度20mg/ml的正常状态待检物的相 对参照状态的变化量的结果。
对于测定条件和待检物状态，虽然如图3A的透射波谱所示那样， 固有振动光语不能清楚地判别，但可在透射波谱中看到显著的差别。对 此在后述的实施例也有说明。在图3A中，在曲线图中的曲线上看到的 起伏是因为在微型膜滤器22的上下两端面上的干涉而出现的，和固有 振动波谱无关。此处，特别是如果在0. 2THz至2. 5THz的区域上以直线 拟合进行斜率比较，可知在变性状态和正常状态有很大的差异。进而， 即使在图3B的相位差波i普、图3C的时间波形位移中也分别可以比较， 能够同样地在检测变性状态中使用。而且，图3A的透射波谱和图3B的 相位差波谱是在作为用THz-TDS测量的原始数据的图3C的时间波形上 实施傅立叶变换等的处理求得的。
在本实施方式中，对于适当的浓度和总摩尔数的大于等于1个的基 准状态的物质来说，将上述特性作为校准曲线存储在数据库中。而后， 根据进行针对这些频率的变化的比例(斜率)、相对在上述PC4中的计 算部件中算出的实际的测定样品的频率的变化的比例(斜率)的比较，用上述PC4的评价部件能够评价在测定样品中变性物质以何种程度掺杂 其中。
此处虽然表示了透射率测定的情况，但也可以算出吸收率(这是从 透射率算出的)、或进行反射率测定(这是通过检测来自待检物的反射 波进行的)。此外，不言自明地，吸收比测定结果可以替代(或组合) 透射率或吸收率。此外，作为其他的实施方式，也有利用使用在后述实 施例中说明的全反射光学系统和利用在传送路上的太赫兹波的传播进 4亍检测的方法。
此外，本实施方式是使用了以用THz-TDS的太赫兹波脉冲测量的部 件的例子。但是，在检测中，使用许多单一频率的太赫兹波光源，例如， 使用多个后行波管、量子级联激光器、共振隧道二极管，可以根据在各 自的频率点上的透射率、吸收率、反射率、相位差等将变化的比例作为 斜率计算。图9表示该测定系统的例子。从作为照射部件的振荡器90 发生的太赫兹波用未图示的光学系统照射在被保持构件92支撑的待检 物91上。透射了待检物91的太赫兹波用检测器93检测，求得待检物 91的透射率。
此外，使用参量振荡器等的波长可变太赫兹波光源等，求得在多个 频率点上的透射率等，可算出上述直线斜率。进而，在傅立叶变换红外 发光计(FT-IR)中大概能够在lTHz 数百THz的宽范围中取得透射波 谱。因而，FT-IR可以在对THz测定装置而言为S/N比不充分的频带， 例如在3~ 10THz中有效地测定。
如从上述说明可知的那样，本发明的检测方法因为是观察频率波镨 的整体变化，所以还能够应用到物质的固有振动波谱不能特定的情况。 当然即使在有固有振动波谱的情况下，不是用峰的变化检测，如果检测 对除去存在峰的不连续点或者极值点的单调变化的部分的曲线进行直 线拟合时的斜率，则可以同样应用本发明的检测方法。
如上所述，用本实施方式，用筒便的测定系统能够实现用太赫兹波 检测物质状态变化(例如，变性的程度)的检测方法以及装置。
以下，说明更具体的实施例。
(实施例l)
说明本发明的实施例1。在实施例1中，使用上述图1的THz-TDS 装置，调查正常以及热变性过的BSA蛋白质的太赫兹波透射波i普。在其 中在用孔20划分图2那样的微型膜滤器22构成的膜器件上滴下BSA蛋 白质进行了调查。作为热变性的条件，以72至75。C进行3分钟。此外， 滴下的蛋白质是在纯水中使之分别为10mg/ml、 20mg/ml的浓度地溶解 了正常以及热变性过的BSA蛋白质液体。前者(10mg/ml )提供60 m 1、 后者(20mg/ml)提供30jil的体积，分别使之为相同摩尔数地进行比 较。
其结果，如在图3A所看到的那样，在频率0. 2THz至3THz的区域 中的蛋白质的透射波中，在任何浓度的情况下，对正常以及热变性BSA 进行比较，发现了显著的差。而且，记入到曲线图中的"天然的(native)" 表示正常，"变性的(denatured)"表示变性，"参照(ref ernce ) 或者REF"表示只滴下了在溶液制作中使用的纯水的结果。
此外，在滴下了变性蛋白质和正常蛋白质的膜透射后的THz波时间 波形的峰位置上产生时间差(参照图3C)。和表示它的参照物的相位差 光谱也示于图3B中。可知相位差光谱相对频率单调增加，其斜率因有 无变性、浓度而具有显著的差异。此外，知道在任何浓度的情况下，与 正常相比变性BSA—方透射率都高，相位差的变化率小。此外，随着浓 度的上升，看到透射率增大、相位差降低。当混合了正常和变性的BSA 的情况下，分别表示中间的位置的透射波谱、相位差波谱。
在图3A、 3B中虽然在大于等于2. 7THz中在特性上看到离散，但这 是因为S/N比下降的缘故。为了提高该区域的测定精度，只要提高太赫 兹波的功率，或更多地进行平均化处理即可。此外，对于遍及整体的透 射波镨上观测到以lTHz左右的宽间隔的起伏，这是厚度为140jam的膜 器件的两端面中的法布里珀罗标准具的效果。因而，在算出斜率时在对 其加以补正后进行。
这样，若知道浓度和供给的量，如果对太赫兹波产生的透射率进行比较就能够检测BSA那样的蛋白质的变性程度。作为该检测方法，当以 透射率角度来看的情况下，在选择的频率范围例如，在显著看到变化的 0. 2THz至2. 5THz的范围中，只要以用最小二乘法等进行了 1次拟合的 直线斜率进行比较即可。此外，从相位差波谱角度来看的情况下，只要 与线性变化相同以0. 2THz至2. 5THz的范围的直线斜率进行比较即可。 这些频率范围可以根据待检物适宜地选择斜率出现显著差异的容易判 别的范围。
另 一 方面当进 一 步在宽频带中测定频率波镨的情况下，只要使用 FT-IR装置即可。虽然如上面说明的THz-TDS法那样求得相位特性困难， 此外测定需要时间，但是当想得到直至更高频率的数据的情况下是有效 的方法。
图14表示用FT-IR装置测定和上述相同的样品的结果。如2THz lOTHz的数据所表示的，和THz-TDS的情况一样，变性的蛋白质一方透 射率增高。例如因为在大于等于5THz变成平坦的特性，所以可知能够 通过取出在2~ 5THz中直线拟合的斜率进行比较来判别正常/变性。
而且因为在FT-IR装置中，在THz-TDS装置所擅长的3THz以下S/N 比变差，根据需要可以相互补充。
如果预先把浓度以及所提供的总摩尔数作为参数将尽可能多的校 准曲线进行数据库化并存储在存储部件中，则通过对针对这样的透射率 的频率的变化的比例(斜率)、针对相位差的频率的斜率进行比较，能 够检测变性程度。因为这样的透射波谱、相位差波谱、时间特性全部相 互关联，所以作为检测方法可以对透射波谱或者相位差波谱进行比较， 也可以通过2个或者2个以上的组合进行判別。
如上所述，由于热变性而透射率上升的原因被认为是利用热变性的 蛋白质的构象的变化，进行分子间的能量再分配，变化波及到蛋白质分 子间的介质响应以及分子集团的振动模式的缘故。图4A至图4D表示了 它们的形态。图4A表示正常状态的蛋白质，此处，例如，通过硫的SS 键40保持立体结构。图4C表示整体性的形态。如果因某种原因SS键 打开，则能形成2个SH键41，立体结构破坏，但认为SH键在和其它的
分子的SH键之间，通过再结合能够形成SS键，由此分子之间凝聚。在 图4D中表示这样形成的变性分子43和正常分子42。其结果，在图4C 的状态和图4D的状态之间，认为在针对太赫兹波的吸收系数以及折射 率中产生差别。附带说明这是因为即使在正常状态下也由于浓度而在透 射率中存在差别。即，如果浓度稀，因为分子均匀地分散，所以和太赫 兹波的相互作用的剖面积增大而透射率减小，但在高浓度下有某种程度 凝聚，在同样摩尔数中，反倒是浓度高的一方的透射率上升。实际上， 认为是通过复合了其他的主要原因而表现出的。在该检测方法中，不仅 检测因变性引起的异常蛋白质，而且在蛋白质中还能够观测到维生素和 激素那样的配体分子，和通过蛋白质之间的结合产生的构象的变化。该 方法提供了简便的蛋白质结构判别法，能够作为临床利用中的有用的工 具使用。
用不同种类的蛋白质的抗生物素蛋白进行了同样的实验。图5表示 以20mg/ml提供了 45 p 1时的透射波谱。在热变性(在72。C下3分钟) 后的蛋白质(用黑色方形表示。白色方形表示正常的状态)中，同样地 透射率上升，但其上升的程度和BSA不同。可知根据蛋白质的种类，变 性引起的透射率和相位移量的变化的比例不同。
即使在太赫兹波区域上没有发现显著的固有振动波谱的情况下，只 要知道针对频率而言的蛋白质性质变化的比例，即只要知道在某一频率 范围中的变化的斜率，就能够检测蛋白质的变性程度。
此处涉及对不能判别固有振动波谱的定义。如在图3B中已阐述的 那样，当没有固有振动波谱的情况下，相位差光谱只相对频率单调增加。 另一方面，作为比较例，观测脱氧胞嘧啶盐酸盐(dc . HC1)如图6A所 示那样具有显著的固有振动波谱。并且，如果看图6B的相位差波谱， 可知存在与振动峰相对应有极值点和拐点、不连续点。而且，在本例子 中因为小于等于0. 2THz变成噪声成分，所以在相位差波谱的极值点和 拐点、不连续点的判断中不使用。这样，所谓没有固有振动波谱的情况 能够定义为在相位差波谱中没有极值点和拐点、不连续点。 (实施例2)
本发明的第2实施例将在实施例1中所述那样的蛋白质的变性状态 的检测应用到疾病的诊断。
蛋白质的三维立体结构、即构象在蛋白质的活性中是最重要的，构 象的稍许变化对DNA和配体的结合及蛋白质之间的结合等有重大影响。 这样，不仅影响细胞的稳定性的维持，而且有时对细胞的生存也有影响。 已有报告说来自蛋白质构象的变异即变性的异常蛋白质与包括癌症在 内的、疯牛病、阿尔兹海默病、帕金森氏症等有关系的目前已知的病等 各种疾病相关联。此处，就几种在病理诊断中使用的作为耙子的蛋白质 进行说明。
已知p53基因是代表性的抑癌基因，该基因正常地发挥功能所产生 的p53蛋白质起到抑制癌变的作用。从伴随DNA突发变异和缺失等的变 异p53基因产生失去了正常功能的变异p53蛋白质。即，变异的p53蛋 白质因为失去了正常p53蛋白质的构象，所以不具有活性。报告称在实 际的人类癌症中约一半存在p53蛋白质的结构异常，大致100%的癌症是 因p53途径的某个发生变异而产生的。这可被认为是细胞凋亡中细胞难 以死亡的原因。在癌症的性质诊断中，如果使用实施例1的方法用针对 太赫兹波的频率波谦检测p53蛋白质的变异即变性的有无，则能够预测 对治疗的反应性，或进行治疗方法的选择，或在临床预后的推测中使用。
另一方面，BSE (牛海绵性脑炎)是因异常蛋白质"朊病毒"在脑 内蓄积引起的疾病。因某种原因进入人体的异常的朊病毒和原本在体内 的正常的朊病毒、特别是与神经细胞所包含的很多无害的蛋白质结合， 不断地异常化。变异的朊病毒形成块，破坏神经元，使脑子遍布空洞。 难以研究的原因之一是BSE不属于一般的感染症的分类。在普通的感染 症中，细菌和病毒等侵入人体在体内制作病灶。直到目前，引起BSE疾 病的细菌和病毒还没有发现，因为即使感染免疫系统也没有察觉，所以 难以治疗。在这种疾病的早期诊断中最有利的方法是采用本发明的方法 检测变性蛋白质朊病毒。
此外，恶性黑色素肿瘤是皮肤癌的一种，但有研究报告的结果说， 对于预防、延迟致命性恶性黑色素肿瘤的转移的免疫反应而言，当在患
者的免疫细胞的表面上有特殊的标志物的情况下，寿命延长率增高。患
者的T淋巴细胞(杀伤肿瘤的免疫细胞)如果具有趋化因子受体CXCR3 这一特定的蛋白质，则判明患者的生存率提高50%左右。即，通过诱发 在T细胞表面上的特定的趋化因子受体，可以提高生存率。使用太赫兹 波光，以实施例1的方法进行该蛋白质的诱发的有无和表达量的诊断是 有效的。
此外，有报告说在目前已知的病症之一中，额颞叶萎缩的FTD，和 肌肉逐渐不能动作的肌萎缩侧索硬化症ALS的患者的神经细胞中有共同 的蛋白质的异常。除了期待与新的治疗方法的开发联系起来外，还关注 和阿尔兹海默病等其他的神经疑难病的关联性。在正常的细胞中存在于 核中的蛋白质"TDP-43"在FTD和ALS的患者的大脑的细胞中都在核之 外，可知细胞自身不具有正常的功能。用本发明的检测方法，将上述的 各种异常的变性蛋白质和健康者的正常蛋白质比较，如果能够观察到构 象的变化，则有希望作为新的诊断方法。
如上所述，尽管异常蛋白质的检测是当务之急，但更简单并且正确 的检测方法非常缺乏，现在常使用的检测方法是在背景技术中说明的 ELISA法和Western印迹法，以及免疫沉淀法等。在该方法中，想检测 的蛋白的抗原性充分考虑用于检测的处理，即因还原、加热处理而损失 的可能性。此外，其他的异常蛋白质的检测方法主要是利用抗体、抗原 的免疫性的方法。即，只不过是利用合成的抗体检测蛋白质的一部分的 氨基酸序列的不同。不能说所使用的抗体不能检测出蛋白质的变异，该 蛋白质就正常起作用。此外，几乎全部这些检测方法最终都需要用荧光 色素检测。荧光色素和DNA与蛋白质的结合的机理不清楚。即，还存有 检测到的蛋白质是否真正再现存活体中的状态这一疑问。最重要的是， 虽然能够用这些方法检测出作为蛋白质的成份的氨基酸的序列的不同， 但存在不能看到动态的蛋白质自身的整体像的缺点。
因而，使用上述实施例1的各种太赫兹波分光，可以有效地对异常 蛋白质的变性不添加前处理和荧光标记等简便地进行检测。此处举出的 病例是病理诊断的一个例子。可以说能够用本发明的检测方法检测与各种疾病有关的蛋白质的异常或者变性，其应用于各种病理诊断。
(实施例3)
本发明的第3实施例的检测方法是应用于DNA检测的方法。对于平 均碱基长为2000个碱基的鲑鱼的DNA进行了和实施例l相同的测定。 在DNA中，有形成2条链结构的ds-DNA状态，和解开2条链结构的结 合成为l条链结构时的(热变性的条件是95。C下5分钟)ss-DNA状态。 对于这些两个状态的DNA,图7表示以10mg/ml提供60 ju 1时的透射波 谱。
仍然在透射波谱中看到显著的差别，可知ss-DNA(用黑色四方形表 示)的一方的透射率高。即，如果用1THz至2THz中的平均变化的比例， 例如用最小二乘法求出的拟合直线的斜率进行比较，能够检测在待检物 样本中的ss-DNA和ds-DNA的比例。
说明将它作为DNA传感器应用的情况。预先准备用于检测某一碱基 序列的有无的探针DNA,提供想检查的DNA的1条链状态的物质，使之 结合形成2条链的情况下，表现待检物变成目标碱基序列。反之如果仍 是1条链的状态则没有那样的序列。利用上述的太赫兹波的透射波谱能 够检测该表现的有无。
本实施例提供通过作为太赫兹波的频率波语特性的透射波谱的斜 率的不同能够简便地检测DNA的结构造上的不同的检测方法以及装置。 此处虽然未图示，但还可以根据实施例1的各种相位差波谱、时间波形 的移位或者它们的组合来检测。
(实施例4)
本发明的第4实施例是表示无机物质状态变化也能够同样用太赫兹 波的频率波谱的形状检测的例子。
图8表示对于作为光学材料的重要的MgF2结晶，在非掺杂的情况下 (用实线80表示)和Co掺杂的情况下(用实线82表示)下针对太赫 兹波的吸收波谱的不同。从O. 5THz至2. 5THz都是大致单调增加，但在 掺杂了 Co中在2. OTHz附近看到了峰值那样的波谱。无论哪种，如果在 从0. 5THz至2. OTHz的区域中用最小二乘法求拟合直线斜率的话，则变成如图8的虚线81、 83那样。
这样通过Co的掺杂出现显著的直线81、 83的斜率的差，能够将掺 杂产生的晶体结构的不同作为掺杂浓度的函数进行检测。
这表示即使掺杂的物质不同，不进行有目的的掺杂而导入杂质，晶 体品质劣化这种情况下，也同样能够用频率波语的斜率检测。此外，作 为晶体，如果针对太赫兹波的衰减并不是特别大则能够应用，在LiNb03、 水晶、蓝宝石等的状态变化的检测中也可以应用本检测方法。不仅能应 用于固体的晶体，也可以应用于液晶等。进而，也可以应用于特富龙(注 册商标)、聚乙烯、聚烯烃等树脂材料的状态变化的检测。
(实施例5 )
本发明的第5实施例是不使用如此前的实施例那样在空间上让待检 物和太赫兹波相互作用的检测方法，而使用图10所示那样的传送线路 器件。
在图10中，100是Si等的保持基板，101是由Ti/Au等金属构成 的接地平面，102是BCB((苯并环丁烯The Dow Chemical公司制造) 的商品名)等的电介质材料，105是由Ti/An等金属图案构成的传送线 路。在本实施例中将微波传输带线路作为传送线路105使用。
进而，对太赫兹波的照射部件、检测部件进行集成，检测部件和照 射部件分别由LT-GaAs薄膜104a、 104b和引出线103a、 103b和电极间 隙部106a、 106b构成。如果在间隙部106b上施加电压照射飞秒激光则 发出太赫兹波，只要用另一方的间隙部106a检测与飞秒激光器的照射 同步的电流成分即可。
待检物如用符号107所示那样涂布在传送线路105的上部。这样， 用和实施例1 一样的THz-TDS系统以透射波谱、相位差波谱、时间波形 的位移量等检测待检物107的状态的不同。检测和图l的例子一样，通 过用锁定放大器113取得对用放大器5放大的太赫兹波信号和振荡器9 的信号进行了混频的信号，然后其输出用PC114进行处理。
图11表示用于评价它的THz-TDS系统。基本上和图1的构成相同。 因此，在同一功能部分上标注和图l相同的符号。此处，使用透镜112
调整来自激光器110的2个激光光使得分别照射在传送线路器件115的 间隙部106a、 106b上。电磁波发生侧的调制此处不使用施加在器件上 的电压而使用以振荡器9的信号驱动的光断续器111进行。
作为待检物107使用了和实施例3相同的DNA。图12A、 12B表示以 0. 5jug/ju 1的浓度进行了 900nl的涂布时的相位差波语的例子。图12A 是ss-DAN的图，图UB是ds-DNA的图。在计算数据时，估算实际上待 检物和电磁波相互作用的区域，将针对涂布量的相互作用的效果标准 化。
从图12A、 12B可知，当是在测定中使用的传输线路105的情况下， 频带直到lTHz附近，因反射的影响等，作为大的细致的频率特性的凹 凸产生波紋(ripple)。但是，将平均的斜率在图12A的1条链中用实 线表示，在图12B的2条链中用虛线表示，能够判别其斜率的不同。此 处，因为在透射波语中也包含以波紋为基础的大的噪声成分，所以使用 了判别更容易的相位差频谱，但也可以使用透射率(即传输)波谱和吸
图12C是容易知道该相位差波语的样子并图像化的图。同样，用实 线表示的是一条链，用虚线表示的是二条链，少量的(A)是120和121， 使量增加的(B)是122和123。 1条链的一方从实施例3的结果中知道 透射率高，在同样量中作为结果相位差波语的斜率会比2条链减小。进 而，根据该相位差波镨的斜率的、因供给量引起的变化的比例也能够对 1条链和2条链进行判别。这用在实施例1中说明的时间波形的峰的位 移量和峰位移的变化率也可以判别(参照图3C)。
在本实施例中，通过将待检物涂布在传送线路附近，具有能够以微 量的待检物进行检测的优点。
(实施例6)
使用图13A至图13C说明本发明的第6实施例。该例子是通过使用 全反射棱镜耦合器202并使用渐逝波，而提高反射波引起的变化的灵敏 度的例子。图13A是该棱镜耦合器的剖面图，图13B是图13A的单点划 线部的剖面图。在图13A至13C中，201是粘贴在半圆筒形的棱镜耦合器202的上面的隔壁构成构件，在其上设置多个孔200。作为棱镜耦合 器202因为针对太赫兹波的损耗和分散等小，所以优选用高阻抗Si材 料制作的棱镜。其中，该材料也可以是氧化镁等的电介质材料、特富龙 (注册商标)等树脂材料。
在上述构成中，如图13B所示如果太赫兹波205向耦合器202入射， 则反射太赫兹波被射出，但在反射面附近发生了渐逝波。因此通过在孔 200上配置膜滤器204并提供待检物，渐逝波和待检物相互作用能够进 行灵敏度高的测定。这种情况下，例如以各种频率检测敏感地反映待检 物的状态的反射太赫兹波，将其结果作为在许多频率中的反射率作图。 由此，得到反射波谱，能够据此算出上述直线斜率。
隔壁构成构件201是为了按在实施例1中说明的那样如图13A所示 地排列提供多个待检物的孔200并高速测定而设置的构件。此处，为了 使待检物和渐逝波效率良好地相互作用，希望将膜滤器204设置成50 jum左右的厚度。作为待检物，即使不使用膜滤器，也可以配置液体单 元，或也可以直接设置粉末或者固体。
此处，作为取得校准曲线的数据库时的整体测定系统，也可以与在 实施例1中说明过的图l所示的系统一样。当实际检测样品时，只要将 发生单一频率振荡的振荡器208和检测反射波的检测器207配置成图 13B所示那样即可，为了调查在频率波谱中的直线斜率，只要准备多个 单一频率振荡器即可。在图13B中表示1个光线路径，但也可以设置成 在待检物保持部分上多重反射的结构。
此外，作为比使用全反射的渐逝波效率还高的方法，如图13C所示， 有将导电材料206夹在膜滤器204和耦合器202的表面之间的类型。作 为该导电材料206适当地使用堆积了 n型Si薄膜(厚度2. 5 jara)的材 料，以3THz附近的频率发生表面等离子体激元。其中，作为该导电材 料206也可以使用在InAs、 GaAs等其他的半导体中掺杂杂质的材料或 Au、 Al等金属。
在表面上和上述一样地通过配置50Mm左右厚度的膜滤器2(M，敏 感地反映待检物的状态，存在反太赫兹波的吸收强的倾向显现的角度。
在该角度中，检测各频率的反射太赫兹波。如果将该结果作为在多个频 率中的反射率作图，得到反射波语，能够从中算出上述直线斜率。通过 这种测定能够以良好的灵敏度评价待检物的状态。该例子是介绍将导电
材料206配置在待检物和全反射面之间的克莱舒曼(kretschmann)配 置的例子，反之也可以使用称为在全反射面和导电材料之间配置包含待 检物的膜滤器的奥托(0tto)配置(未图示)的类型。这种情况下，对 导电材料的厚度没有限制，但当用lTHz测定的情况下希望作为配置膜 滤器的间隙在小于等于10jum左右。这种情况下也可以设置成多重反射 结构。
本实施例是提供将液体状的少量样品加入到液体单元等中，能够灵 敏度更好地检测液体的测定系统的例子，检测方法等和实施例1至3 —样。
C实施例7 )
本发明的第7实施例是在生物相关的分子中判别固体(晶体)状态、 在作为水溶液溶解后在实施例1中说明的微型膜滤器上涂布并干燥的溶
解物的状态的不同的例子。
图15是激素( 一种生物活性物质)例如组胺(C5H9N3; MW: 111. 15 ) 以固体状态(solid)和溶解状态(dissolve)在FT-IR装置中测定的 透射波语，图16是表示在作为体内生理活性物质(神经递质)乙酰胆 碱((CH3) 3N+CH2CH2OCOCH3Cl-; MW: 181.66)的固体(solid)和溶解 物(dissolve)的THz-TDS中的测定结果的图。将溶解物调节到溶液浓 度20mg/ml;滴下量30ul，个体制作混合了聚乙烯粉末的颗粒进行 了测定。
例如在组胺中在1. 5 ~ 3THz的直线斜率中因为溶解物的斜率大所以 能够判别。此外，在乙酰胆碱中0. 5-2THz的斜率因为固体的斜率大所 以能够判别。在固体中虽然以晶体状态存在，但在溶解物中因为结晶性 变差，变化为含有水合物的状态，所以认为表现为THz的透射波镨的差。 如果采用本发明，则能够用在透射波谱中选择的在频带中的直线拟合了 的斜率评价状态的不同。
如果釆用本实施例，则对于控制其他的激素、神经递质等生命活动 成为疾病的指标那样的生物分子(生物体内的活性物质)也全部适用， 能够进行状态的检查。
(实施例"
釆用本发明的第8实施例应用于食品添加物，和实施例7—样判别 是固体还者溶解物。
图17是用FT-IR装置测定了亚硝酸钠(NaN02; MW: 69)的例子， 在溶解物中调整为溶液浓度20mg/ml,滴下量30ul。
例如，能够用4-5THz的斜率来判别是固体或者溶解物。如果釆用 本实施例，则对于各种食品添加物能够以非破坏方式进行添加状态的检 查。
权利要求
1.一种检测方法，是使用从0.1THz至10THz的频率范围中选择的电磁波检测物质状态变化的检测方法，其特征在于，具有将物质配置在待检物保持部上的第1步骤；在上述物质上照射上述电磁波的第2步骤；检测从上述物质透射或者反射来的电磁波的第3步骤；从上述检测到的电磁波和上述照射的电磁波的信息中，求得针对上述照射的电磁波的上述物质的性质的频率依赖性，算出上述物质的性质的频率依赖性的直线拟合时的直线斜率或者直线斜率的第4步骤；和对预先求得的基准状态的上述物质的性质的频率依赖性的直线斜率和在上述第4步骤中计算出的上述物质的直线斜率进行比较，评价上述物质状态变化的第5步骤。
2. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于作为上述物质 的性质，从透射率、吸收率、反射率、相位差中选择至少一种。
3. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于求得上述物质 的性质的频率依赖性的直线斜率时的频率范围从0. 2THz至2. 5THz的范 围中选择。
4. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于上述物质是生 物相关分子。
5. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于上述物质是食 品添加物，具有进行其状态的检查的步骤。
6. 根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于上述生物相关 分子是蛋白质，具有通过检测P53蛋白质、TDP-43蛋白质或者朊病毒蛋 白质的状态变化来进行病理诊断的步骤。
7. 根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于上述生物相关 分子是激素、神经递质等生物体内的活性物质，具有进行其状态诊断的 步骤。
8. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于上述物质是液体状物质，在上述待检物保持部中使用微型膜滤器。
9. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于使用具有上述 待检物保持部的高频传送线路，求得针对上述照射的电磁波的上述物质 的性质的频率依赖性。
10. 根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于使用具有上述 待检物保持部的全反射棱镜，求得针对上述照射的电磁波的上述物质的 性质的频率依赖性。
11. 一种检测装置，使用从0. ITHz至10THz的频率范围中选择的 电磁波检测物质状态变化，其特征在于，具有保持物质的待检物保持部；在保持于上述待检物保持部上的物质上照射上述电磁波的照射部件；检测从上述物质透射或者反射的电磁波的检测部件； 从上述检测到的电磁波和上述照射的电磁波的信息中，求得针对上 述照射的电磁波的上述物质的性质的频率依赖性，算出上述物质的性质的频率依赖性的直线拟合时的直线斜率或直线斜率的计算部件；和 对预先求得的基准状态的上k物质的性质的频率依赖性的直线斜物质状态的变化的评价部件。
全文摘要
提供一种能够不管有无太赫兹波的频带的固有振动波谱都使用太赫兹波检测物质状态的变化的检测方法以及装置。检测装置具有保持物质8的待检物保持部；照射部件1、6；检测部件1、7；计算部件、评价部件。照射部件1、6在保持于待检物保持部上的物质8上照射太赫兹波。检测部件1、7检测从物质8透射或者反射来的太赫兹波。计算部件求得针对所照射的太赫兹波的物质8的性质的频率依赖性，算出物质8的性质的频率依赖性的拟合直线时的直线斜率或者直线斜率。评价部件对预先求得的基准状态的物质的性质的频率依赖性的直线斜率和用计算部件算出的物质8的直线斜率进行比较，评价物质状态的变化。
文档编号G01N21/17GK101196467SQ20071019648
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月5日 优先权日2006年12月5日
发明者尾内敏彦, 山下将嗣, 笠井信太郎, 米山春子 申请人:佳能株式会社;独立行政法人理化学研究所