テラヘルツ計測を利用した材料評価法の検討─生体組織の状態評価の実現に向けて─

はじめに

私が所属する電磁波研究所電磁環境研究室は、未来ICT研究所等と連携して、光と電波の中間に位置するテラヘルツ波に関する基盤研究と標準化を進めています。この連携プロジェクトにおける本研究室の主な役割としては、電力の精密測定法の検討や分光測定ガイドの作成、分光データベースの構築が挙げられ、測定・解析手法の確立や、データベースの充実を図ることで、テラヘルツ波の利用促進を目指しています。また、分光・イメージングを用いた様々な応用可能性も模索しています。ここでは、その応用の一例として、生体物質の状態評価に向けた取り組みについて紹介したいと思います。

テラヘルツ帯計測機器例

テラヘルツ帯計測機器例

テラヘルツ波を利用した材料評価

光の指向性と電波の透過性を合わせ持つテラヘルツ波は、様々な非金属材料中を伝搬することができるため、伝搬後の電界波形を解析することで、材料中の分子の集団的挙動を推測することができます。これは、電界の振幅と位相から材料の各周波数における吸収特性を求める際、入射するテラヘルツ波の偏光方向を制御することによって、分子集団の運動が生じるエネルギーだけでなく、その運動の方向を把握することで可能となります。

また、2つの異なる材料が広面積で接触するように合成された複合材料を伝搬した場合には、個々の材料の解析では得られない、接触部における分子間の弱い斥力や引力による特性の変化が観測できることもわかってきています。

このような特徴を有するテラヘルツ波を利用することによって、X線や光領域の電磁波では分子間の相互作用を感度良く捉えることが困難であった材料についても、解析が進むことが期待されます。

テラヘルツ画像計測装置

テラヘルツ画像計測装置

生体物質の状態評価への試み

上記の解析手法を用いて、私たちはコラーゲンやDNA, 生体鉱物などの状態を評価できる可能性について検討しています。例えば、図1のような分光器を使用して、コラーゲンにおけるテラヘルツ波の吸収特性を調査し、それぞれの吸収が複数の官能基の集団振動によって生じていることを示すことができました(図2)。

図1: テラヘルツ帯分光器

図1: テラヘルツ帯分光器

図2: コラーゲンの吸収特性

図2: コラーゲンの吸収特性
(Maya Mizuno, et al. Journal of Biological Physics. 2015, doi: 10.1007/s10867-015-9379-y.)

この知見を利用することにより、コラーゲン繊維表面の水和状態やイオン吸着などを指標として、コラーゲンから成る材料を評価することができると考えています。また、炭酸カルシウムと有機物 (β-キチン) から成る甲イカの骨をテラヘルツ波で画像化したときには、図3のように肉眼では全体的に同じように見える試料において、炭酸カルシウムとβ-キチンとの接触面積が狭い領域Aと広い領域Bを、テラヘルツ波の透過量の大小 (画像上の白黒) で判別できることを示しました。

図3: コラーゲンの吸収特性

図3: 甲イカの骨の肉眼イメージとテラヘルツイメージ
(Maya Mizuno and Kaori Fukunaga. Journal of Biological Physics. 2013, vol. 39, p. 123-130.)

このような生体分子の振動や分子間の接触は、生体組織の機能にも大きく影響することから、今後、分子レベルの解析結果を基に、生体組織の状態の検出を試みるなど、より現実に近い試料を用いた評価研究を進めていきたいと思います。

今後の展望と課題

以上のような研究成果は、テラヘルツ波の実用化を進める際に必要な、生体への安全性の検討などにも役立つと考えています。一例ですが、電波の人体ばく露量を適切に評価するための生体組織の電気定数データベース構築において、生体試料の状態を判別し、電波の吸収の要因を把握するための手法の1つとして利用できればと思います。さらに、生体試料だけでなく、光変調器等に用いられている材料や、絶縁性基板等の評価技術としても応用が期待されます。

このような様々な応用を進めるためには、テラヘルツ波の発生や高感度検出、増幅などの基盤技術の開発が不可欠であり、また、様々な基盤技術を組み合わせて簡便なテラヘルツ計測システムを作製することも必要となります。実用化にあたっては、テラヘルツ波の生体への安全性確認を含む適正な技術基準の確立が重要になるなど、行うべき課題はたくさんありますが、一つ一つ着実に研究を進めていくことができればと思います。

3号館のテラスにて

3号館のテラスにて


研究者紹介