JP6771771B2 - 測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置に関する。

テラヘルツ領域（波長：３μｍ以上１ｍｍ以下）では、様々な物質が固有の指紋スペクトルを示す。この特性に着目して、テラヘルツ分光を利用した物質同定や物性評価などの研究が盛んに行われている。特に、光−テラヘルツ波変換で発生するテラヘルツ波パルスを利用したテラヘルツ時間領域分光法（Ｔｅｒａｈｅｒｔｓ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＴＨｚ−ＴＤＳ）が、最もよく研究されている。テラヘルツ時間領域分光法では、一般的に、フェムト秒パルスレーザーが一次光源として用いられる。例えば、特許文献１には、テラヘルツ時間領域分光法に基づいて、測定対象の特性値を測定する測定方法が開示されている。

特開２０１４−１９４３４５号公報

しかしながら、テラヘルツ波は、水のような極性溶媒に吸収され易い。このため、従来、テラヘルツ波を用いた液体試料（測定対象）の測定は困難を究めていた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、テラヘルツ波を用いた液体試料の測定を可能にする測定用デバイス、及びそれを用いた測定装置を提供することにある。

本発明に係る測定用デバイスは、テラヘルツ波発生素子と、測定対象注入部と、メタマテリアルとを備える。前記テラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波を発生する。前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波が照射される測定対象注入流路又は有底の測定対象注入穴を含む。前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波を共振させる分割リング共振器を１つ又は複数有する。前記分割リング共振器のうちの少なくとも１つは、前記測定対象注入流路の少なくとも一部、又は前記測定対象注入穴の少なくとも一部と対向するギャップ部を含む。本発明に係る測定用デバイスは、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波の周波数スペクトルを、前記測定対象注入部に測定対象が注入されているか否かに応じて変化させる。

ある実施形態において、前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波発生素子上に形成されている。

ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波発生素子に形成されている。

ある実施形態において、前記測定用デバイスは、前記測定対象注入部が形成された測定対象配置用デバイスを更に備える。

ある実施形態において、前記テラヘルツ波発生素子は、非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生する。また、前記分割リング共振器は、矩形状の外形を有している。また、前記メタマテリアルの向きが、前記テラヘルツ波の電場及び磁場の向きに前記分割リング共振器の各辺が揃う向きから傾いている。

ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定対象注入流路は、溝からなる。また、前記測定用デバイスは、前記溝を覆うカバー部を更に備える。

ある実施形態において、前記カバー部は、前記溝に連通する排出路を含み、前記排出路は、前記溝に注入された前記測定対象を排出する。

ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定対象注入流路は、２つ以上に分岐する。

ある実施形態において、前記測定用デバイスは、複数の前記メタマテリアルと、前記複数のメタマテリアルの各々に対して設けられた前記測定対象注入部とを備える。前記測定対象注入部は、それぞれ、前記測定対象注入流路又は前記測定対象注入穴を含む。

ある実施形態では、前記複数のメタマテリアル間で、前記分割リング共振器の形状及び／又は寸法が異なる。

ある実施形態において、前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含む。前記測定用デバイスは、第１共通ポートと第２共通ポートとを更に備える。前記第１共通ポートには、前記測定対象注入流路のそれぞれの一方の端が接続する。前記第２共通ポートには、前記測定対象注入流路のそれぞれの他方の端が接続する。

本発明に係る第１の測定装置は、上記の測定用デバイスと、パルスレーザー発生源と、光学系と、検出器とを備える。前記測定用デバイスは、前記メタマテリアルを１つ備える。前記パルスレーザー発生源は、パルスレーザーを発生する。前記光学系は、前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導く。前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる。前記検出器は、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波を検出する。

ある実施形態において、前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定装置は、前記測定対象注入流路の両端間に電圧を印加する電源部を更に備える。

本発明に係る第２の測定装置は、上記の測定用デバイスと、パルスレーザー発生源と、光学系と、検出器とを備える。前記測定用デバイスは、複数の前記メタマテリアルを備える。前記パルスレーザー発生源は、パルスレーザーを発生する。前記光学系は、前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導く。前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる。前記検出器は、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを透過した後の前記テラヘルツ波をそれぞれ検出する。前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に対して前記パルスレーザーを走査する走査機構を含み、前記走査機構は、前記複数のメタマテリアルの各々に対して前記パルスレーザーが局所的に集光するように動作する。

ある実施形態において、前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、前記測定装置は、前記測定対象注入流路のそれぞれの両端間に電圧を印加する電源部を更に備える。

本発明によれば、テラヘルツ波を用いた液体試料の測定が可能になる。

本発明の実施形態１に係る測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る測定用デバイスを示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る分割リング共振器を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第１変形例を示す平面図である。 （ａ）は本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第２変形例を示す平面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第２変形例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第３変形例を示す平面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第３変形例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第４変形例を示す平面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第４変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第５変形例を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る測定用デバイスの第６変形例を示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る測定装置の主要部を示す図である。 本発明の実施形態２に係る測定用デバイスの変形例を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る測定装置の光学的構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係る測定用デバイスを示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る測定用デバイスの第１変形例を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る測定用デバイスの第２変形例を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る測定用デバイスの第３変形例を示す平面図である。 （ａ）は本発明の実施例１に係るメタマテリアルの構成を示す平面図であり、（ｂ）は本発明の実施例２に係るメタマテリアルの構成を示す平面図であり、（ｃ）は本発明の実施例３に係るメタマテリアルの構成を示す平面図である。 本発明の実施例１〜３の測定結果及び比較例１を示すグラフである。 本発明の実施例１〜３の測定結果及び比較例１を示すグラフである。 本発明の実施例１〜３の測定結果及び比較例１を示すグラフである。 本発明の実施例１〜３の測定結果及び比較例１を示すグラフである。 （ａ）は本発明の実施例４の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は図２２（ａ）のグラフの一部を拡大して示す図である。 本発明の実施例５に係るデバイスの構成を示す平面図である。 本発明の実施例５の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６に係る測定用デバイスを示す平面図である。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例６の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例７に係るメタマテリアルの構成を示す平面図である。 （ａ）は本発明の実施例７の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は比較例２を示すグラフである。 本発明の実施例８の測定結果及び比較例３を示すグラフである。 本発明の実施例９に係る測定用デバイスを示す平面図である。 本発明の実施例９の測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。また、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る測定装置１の構成を示す図である。本実施形態において、測定装置１は、テラヘルツ時間領域分光装置である。図１に示すように、測定装置１は、パルスレーザー発生源２と、λ／２板３と、偏光ビームスプリッタ４と、音響光学素子（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；ＡＯＭ）６と、測定用デバイス１０と、一対の軸外し放物面ミラー１１、１２と、Ｓｉレンズ１３と、検出器１４と、遅延ステージ１７と、第２高調波発生素子２１と、集光レンズ５、７、９、２０、２２と、反射ミラー８、１５、１６、１８、１９と、遅延ステージ駆動機構２３と、演算装置２４とを備える。

パルスレーザー発生源２は、パルスレーザーを発生する。パルスレーザーは、テラヘルツ波Ｔを発生させる励起光となるものであれば、特に限定されない。一般に、フェムト秒（１０^-15秒）オーダーのパルス幅を有するフェムト秒パルスレーザーを使用し得る。典型的には、フェムト秒パルスレーザーは、１．５μｍ帯の波長と、５０ｆｓ（フェムト秒）以上２００ｆｓ（フェムト秒）以下のパルス幅を有する。

λ／２板３は、パルスレーザー発生源２から発生したパルスレーザーの直線偏光を任意の方向に調整する。λ／２板３を通過したパルスレーザーは、偏光ビームスプリッタ４へ入射する。

偏光ビームスプリッタ４は、λ／２板３から入射したパルスレーザーを、所定の比率でポンプ光（パルスレーザー）とプローブ光（パルスレーザー）とに分配する。

ポンプ光は、集光レンズ５を介して音響光学素子６に入射する。ポンプ光は、音響光学素子６によって高速変調される。高速変調されたポンプ光は、集光レンズ７、反射ミラー８、及び集光レンズ９をこの順に経由して測定用デバイス１０に導かれる。集光レンズ９は、ポンプ光を測定用デバイス１０の予め定められた位置へ集光する。

測定用デバイス１０は、テラヘルツ波Ｔを発生するテラヘルツ波発生素子を備える。テラヘルツ波発生素子の材料は、照射される光に応じてテラヘルツ波Ｔを発生させる材料であればよく、特に限定されない。例えば、フェムト秒パルスレーザーを用いる場合、テラヘルツ波発生素子の材料として非線形光学結晶を使用し得る。換言すると、テラヘルツ波Ｔの発生に、非線形光学結晶の光整流作用（非線形光学効果）を利用することができる。具体的には、非線形光学結晶として、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）＜１１０＞を使用し得る。ガリウム砒素は半導体である。本実施形態では、テラヘルツ波発生素子として、ガリウム砒素＜１１０＞基板を用いる。ガリウム砒素＜１１０＞基板は、半導体基板である。以下、ガリウム砒素＜１１０＞基板を、「ＧａＡｓ基板」と記載する。なお、ガリウム砒素＜１１０＞は非有機結晶であるが、テラヘルツ波発生素子の材料は非有機結晶に限定されない。テラヘルツ波発生素子の材料に、有機結晶を使用してもよい。具体的には、テラヘルツ波発生素子の材料として、４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ（ＤＡＳＴ）及び４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｐ−ｃｈｌｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ（ＤＡＳＣ）等の有機結晶を使用し得る。

ＧａＡｓ基板は、ポンプ光が集光されたスポットから、テラヘルツ波Ｔ（テラヘルツ電磁波パルス）を発生する。換言すると、ＧａＡｓ基板は、局所的にテラヘルツ波を発生する。実施形態１では、ＧａＡｓ基板に、測定対象が注入される測定対象注入流路（測定対象注入部）が形成されており、ポンプ光は、テラヘルツ波Ｔが測定対象注入流路を透過するようにＧａＡｓ基板に集光される。

このように測定装置１は、ＧａＡｓ基板（テラヘルツ波発生素子）から局所的にテラヘルツ波Ｔを発生させる光学系を備える。図１に示す測定装置１において、ＧａＡｓ基板から局所的にテラヘルツ波Ｔを発生させる光学系は、λ／２板３と、偏光ビームスプリッタ４と、音響光学素子６と、集光レンズ５、７、９と、反射ミラー８とを含む。なお、実施形態１において、測定対象は、液体試料である。

ＧａＡｓ基板から発生したテラヘルツ波Ｔは、測定対象注入流路を透過した後、一対の軸外し放物面ミラー１１、１２と、Ｓｉ（シリコン）レンズ１３とをこの順に経由して検出器１４へ導かれる。Ｓｉレンズ１３は、テラヘルツ波Ｔを検出器１４の予め定められた位置へ集光する。検出器１４は、テラヘルツ波Ｔを検出できる限り、特に限定されるものではない。検出器１４には、一般的には、光伝導スイッチ又は電気光学結晶が使用される。本実施形態では、光伝導スイッチを使用する。一例として、検出器１４は、ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導スイッチによって構成される。ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導スイッチは、半絶縁性ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板にＧａＡｓエピキタシャル膜を低温成長させることによって作製することができる。

一方、偏光ビームスプリッタ４から分岐した他方のパルスレーザー（プローブ光）は、遅延ステージ１７に設置された一対の反射ミラー１５、１６を経由して、反射ミラー１８へ導かれる。反射ミラー１８は、プローブ光を反射ミラー１９へ導く。反射ミラー１９は、プローブ光を集光レンズ２０に入射する。集光レンズ２０は、プローブ光を第２高調波発生素子２１へと集光する。第２高調波発生素子２１は、高効率でテラヘルツ波Ｔを検出するために設けられている。第２高調波発生素子２１は、プローブ光を倍波変調する。なお、第２高調波発生素子２１は、典型的には、ホウ酸バリウム（ＢａＢ₂Ｏ₄；ＢＢＯ）結晶、又はＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ）結晶からなる。倍波変調されたプローブ光は、集光レンズ２２によって検出器１４へと集光される。集光レンズ２２は、プローブ光を検出器１４の予め定められた位置へ集光する。

検出器１４は、テラヘルツ波Ｔ（テラヘルツ電磁波パルス）が検出器１４に入射するタイミングと、プローブ光（パルスレーザー）が検出器１４に入射するタイミングとが重なると、瞬時電流を発生させる。瞬時電流は、テラヘルツ波Ｔの電場の強度に比例した電流値を有する。

遅延ステージ駆動機構２３は、偏光ビームスプリッタ４から分岐したプローブ光が直進する方向と平行な方向に沿って、遅延ステージ１７を一定速度で連続的に往復運動させる。この結果、テラヘルツ波Ｔとプローブ光とが同時に検出器１４に入射するタイミングが連続的（時間的）に変化する。換言すると、遅延ステージ１７の往復運動（位置変化）に応じて、テラヘルツ波Ｔが検出器１４に入射するタイミングと、プローブ光が検出器１４に入射するタイミングとの間の時間差（遅延時間）が変化する。したがって、検出器１４が発生させる瞬時電流の電流値が時間的に変化する。このように瞬時電流の電流値を時間的に変化させることで、テラヘルツ波Ｔの電場の強度変化を示す時間波形（テラヘルツ波Ｔの検出信号）を取得することができる。

演算装置２４は、検出器１４の出力（テラヘルツ波Ｔの検出信号）をフーリエ変換する。検出器１４の出力をフーリエ変換することで、テラヘルツ波Ｔの周波数スペクトルを取得することができる。演算装置２４は、例えばパーソナルコンピューターのような汎用的コンピューターにより構成し得る。

図２は、実施形態１に係る測定用デバイス１０を示す平面図である。図２に示すように、測定用デバイス１０は、ＧａＡｓ基板３１を備える。ＧａＡｓ基板３１は、テラヘルツ波発生素子の一例である。ＧａＡｓ基板３１には、測定対象注入流路３２（測定対象注入部）が形成されている。測定対象注入流路３２に、液体試料（測定対象）が注入される。実施形態１において、測定対象注入流路３２は、溝からなる。

測定用デバイス１０は更に、第１ポート３３と、第２ポート３４とを備える。第１ポート３３及び第２ポート３４は、ＧａＡｓ基板３１に形成されている。第１ポート３３は、測定対象注入流路３２の一端に接続する。第２ポート３４は、測定対象注入流路３２の他端に接続する。測定対象注入流路３２は、マイクロ流路である。具体的には、測定対象注入流路３２は、マイクロメートルオーダー（１μｍ以上１ｍｍ未満）の幅及び深さを有する。所定量の液体試料がマイクロシリンジ等から第１ポート３３又は第２ポート３４に滴下されると、毛細管現象を駆動力として液体試料が測定対象注入流路３２に注入される。例えば、第１ポート３３に滴下された液体試料は、毛細管現象によって測定対象注入流路３２を流れる（移動する）。その結果、測定対象注入流路３２に液体試料が充填される。測定対象注入流路３２内に収容できなかった余剰量の液体試料は、第２ポート３４から排出される。

測定対象注入流路３２、第１ポート３３、及び第２ポート３４の作製方法は、特に限定されない。一例として、測定対象注入流路３２、第１ポート３３、及び第２ポート３４は、光リソグラフィー法によってＧａＡｓ基板３１の表面に形成し得る。

測定用デバイス１０は、テラヘルツ波Ｔを共振させるメタマテリアル３５を更に備える。メタマテリアル３５は、負の誘電率と、負の透磁率とを有する。換言すると、メタマテリアル３５は、負の屈折率を有する。メタマテリアル３５は、メタアトムである分割リング共振器（Ｓｐｌｉｔ−ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ＳＲＲ）３６を少なくとも１つ有する。実施形態１において、メタマテリアル３５は、２５個の分割リング共振器３６からなる。なお、実施形態１では各分割リング共振器３６の外形は正方形であるが、各分割リング共振器３６の外形は正方形に限定されるものではない。例えば、各分割リング共振器３６の外形は、長方形や円形であってもよい。

実施形態１において、メタマテリアル３５は、ＧａＡｓ基板３１上に形成されている。メタマテリアル３５（分割リング共振器３６）の作製方法は、特に限定されない。例えば、スパッタ法やナノインプリント法により、ＧａＡｓ基板３１上にメタマテリアル３５（分割リング共振器３６の配列）を形成し得る。メタマテリアル３５（分割リング共振器３６）の材料は、導電性を有する限り特に限定されないが、導電性の面から金属が好適であり、特に、高い導電性を有する金が好ましい。

実施形態１では、各分割リング共振器３６は、ギャップ部３７の向きを揃えて、縦横方向に等間隔に（周期的に）配列されている。但し、各分割リング共振器３６の配列は、テラヘルツ波Ｔを共振させ得る限り、特に限定されるものではない。

測定対象注入流路３２は、ＧａＡｓ基板３１（測定用デバイス１０）を平面視したとき、メタマテリアル配置領域３１ａを貫通するように形成されている。メタマテリアル３５は、ＧａＡｓ基板３１のメタマテリアル配置領域３１ａに形成される。実施形態１では、測定対象注入流路３２は、メタマテリアル配置領域３１ａのうち、メタマテリアル３５の中央に配列されている５つの分割リング共振器３６が配置される部分を貫通するように形成されている。換言すると、測定対象注入流路３２は、メタマテリアル３５の中央に配列されている５つの分割リング共振器３６の下方を通過する。したがって、メタマテリアル３５の中央に配列されている５つの分割リング共振器３６は、測定対象注入流路３２と対向している。なお、測定対象注入流路３２の幅は、分割リング共振器３６の寸法に応じて予め決定すればよく、典型的には、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲から選択し得る。また、測定対象注入流路３２の深さは任意に決定すればよく、典型的には、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲から選択し得る。

各分割リング共振器３６は、少なくとも１つのギャップ部３７を含む。実施形態１では、測定対象注入流路３２と対向する５つの分割リング共振器３６は３つのギャップ部３７を含み、他の２０個の分割リング共振器３６は１つのギャップ部３７を含む。図３は、実施形態１に係る分割リング共振器３６を示す平面図である。詳しくは、図３は、測定対象注入流路３２と対向する分割リング共振器３６を示している。

図３に示すように、測定対象注入流路３２と対向する分割リング共振器３６は、３つのギャップ部３７ａ、３７ｂ、及び３７ｃを含む。３つのギャップ部３７ａ、３７ｂ、及び３７ｃのうち、２つのギャップ部３７ａ、３７ｃは、測定対象注入流路３２に沿った方向において互いに対向する。測定対象注入流路３２は、２つのギャップ部３７ａ、３７ｃの下方を通過する。換言すると、測定対象注入流路３２は、２つのギャップ部３７ａ、３７ｃに対向する。一方、測定対象注入流路３２は、ギャップ部３７ｂには対向していない。ギャップ部３７ｂは、測定対象注入流路３２と対向していない分割リング共振器３６のギャップ部３７と同じ辺に設けられている（図２参照）。

図１を参照して説明した測定装置１は、メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６のうちの１つにテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光（パルスレーザー）を集光させる。詳しくは、テラヘルツ波Ｔは、測定対象注入流路３２に対向する分割リング共振器３６のうちの１つに照射される。実施形態１では、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが照射される。また、実施形態１では、測定対象注入流路３２に対向するギャップ部３７ａ、及び３７ｃのうちの１つに、測定対象注入流路３２を介してテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光（パルスレーザー）が集光される。したがって、実施形態１において、ＧａＡｓ基板３１から局所的に発生したテラヘルツ波Ｔは、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６のギャップ部３７ａ、及び３７ｃのうちの一方に照射される。

実施形態１では、測定対象注入流路３２はＧａＡｓ基板３１に形成されている。また、テラヘルツ波Ｔは、ＧａＡｓ基板３１から局所的に発生する。その結果、回折前のテラヘルツ波Ｔが高密度に測定対象注入流路３２に照射される。よって、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されていても、テラヘルツ波Ｔは、測定対象注入流路３２（液体試料）を透過する。測定対象注入流路３２を透過したテラヘルツ波Ｔは、メタマテリアル３５に照射された後、測定用デバイス１０から出射する。

更に、実施形態１では、メタマテリアル３５がＧａＡｓ基板３１上に形成されているため、回折前のテラヘルツ波Ｔがメタマテリアル３５に照射される。換言すると、メタマテリアル３５に対して垂直な偏光の光（テラヘルツ波Ｔ）が、メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６のうちの１つに入射する。その結果、テラヘルツ波Ｔは、ある周波数で共振する。換言すると、テラヘルツ波Ｔの周波数スペクトルに、ある周波数で共振が現れる。

テラヘルツ波Ｔの共振周波数は、メタマテリアル３５の構造や液体試料に依存して決まる。詳しくは、テラヘルツ波Ｔは、分割リング共振器３６の個数や配列、各分割リング共振器３６の形状や寸法、ギャップ部３７の容量等に依存して決まる特定の周波数で共振する。ギャップ部３７ａ、３７ｃの容量は、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されているか否かに応じて変化する。また、ギャップ部３７ａ、３７ｃの容量は、液体試料の内容（液体の種類や、液体に含まれる成分等）に応じて変化する。その結果、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されているか否かに応じて、テラヘルツ波Ｔの共振周波数が変化する（シフトする）。また、液体試料の内容に応じて、テラヘルツ波Ｔの共振周波数が変化する（シフトする）。換言すると、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されているか否かに応じて、テラヘルツ波Ｔの周波数スペクトルが変化する。また、液体試料の内容に応じて、テラヘルツ波Ｔの周波数スペクトルが変化する。

なお、分割リング共振器３６の縦横の幅、及びギャップ部３７の幅は、分割リング共振器３６がテラヘルツ波Ｔを共振させ得る限り特に限定されない。換言すると、分割リング共振器３６の縦横の幅は、テラヘルツ波Ｔの波長よりも小さい限り特に限定されない。典型的には、分割リング共振器３６の縦幅は、４０μｍ以上１００μｍ以下であり、分割リング共振器３６の横幅は４０μｍ以上１００μｍ以下であり、ギャップ部３７の幅は５μｍ以上１０μｍ以下である。ギャップ部３７ａ、３７ｃの幅は、測定対象注入流路３２の幅と等しくてもよいし、測定対象注入流路３２の幅と異なっていてもよい。各ギャップ部３７ａ〜３７ｃの幅は等しくてもよいし、異なっていてもよい。

分割リング共振器３６を繰り返し配置する位置の周期（図２参照）は、テラヘルツ波Ｔの波長よりも小さいことが好ましい。これにより、テラヘルツ波Ｔに顕著な共振が現れる。また、分割リング共振器３６を繰り返し配置する位置の周期が小さい程、より顕著な共振がテラヘルツ波Ｔに現れる傾向がある。以下、分割リング共振器３６を繰り返し配置する位置の周期を、「分割リング共振器３６の周期」と記載する。典型的には、分割リング共振器３６の周期は、５０μｍ以上２００μｍ以下である。

以上説明した実施形態１によれば、測定用デバイス１０に含まれるテラヘルツ波発生素子（ＧａＡｓ基板３１）から局所的にテラヘルツ波Ｔを発生させることができる。したがって、１つの分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔを直接照射することが可能となる。メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６のうちの１つにテラヘルツ波Ｔを照射することにより、テラヘルツ波Ｔを共振させることが可能となる。

また、実施形態１によれば、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されているか否かに応じて、ギャップ部３７ａ、３７ｃの容量が変化する。また、テラヘルツ波Ｔが照射される分割リング共振器３６のギャップ部３７ａ、３７ｃに測定対象注入流路３２が対向する。その結果、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されているか否かに応じて、テラヘルツ波Ｔの共振周波数がシフトする。更に、液体試料の内容に応じて、テラヘルツ波Ｔの共振周波数がシフトする。よって、例えば、測定対象注入流路３２に液体試料が注入されていない状態で取得される共振周波数と、測定対象注入流路３２に液体試料が注入された状態で取得される共振周波数とを比較することにより、共振周波数のシフト量を解析することができる。更に、共振周波数のシフト量に基づいて液体試料の複素誘電率等の電気的特性を測定することができる。したがって、液体試料（特に水溶液試料）の定性分析を高感度で行うことが可能となる。

また、実施形態１によれば、測定対象注入流路３２に注入された液体試料の測定を行うことができる。よって、液体試料（特に水溶液試料）の定量分析を高感度で行うことが可能となる。更に、第１ポート３３と第２ポート３４とにそれぞれ異なる種類の液体試料を滴下し、それらを測定対象注入流路３２内で混合させることができる。よって、２種類の液体試料の反応（混合液の時間的変化）を追跡することが可能となる。

なお、実施形態１では、メタマテリアル３５が２５個の分割リング共振器３６を有する形態について説明したが、分割リング共振器３６の個数は特に限定されない。但し、ｎ²個（ｎは整数）の分割リング共振器３６を縦横方向に周期的に配列する場合、分割リング共振器３６の個数が多い程、共振が増強される傾向がある。即ち、テラヘルツ波Ｔに顕著な共振が現れる。よって、ｎ²個の分割リング共振器３６を縦横方向に周期的に配列するとともに、分割リング共振器３６の個数を可能な限り増加させることが好ましい。

また、実施形態１では、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが照射される形態について説明したが、テラヘルツ波Ｔが照射される分割リング共振器３６は、測定対象注入流路３２に対向する分割リング共振器３６であればよく、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６に限定されない。但し、ｎ²個の分割リング共振器３６を縦横方向に周期的に配列する場合、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔを照射することにより、テラヘルツ波Ｔに顕著な共振が現れる。換言すると、共振の増強効果を効率よく得ることができる。

また、実施形態１では、測定対象注入流路３２が、メタマテリアル３５の中央に配列されている５つの分割リング共振器３６に対向する形態について説明したが、測定対象注入流路３２と対向する分割リング共振器３６は特に限定されない。但し、ｎ²個の分割リング共振器３６を縦横方向に周期的に配列する場合、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔを照射することにより、テラヘルツ波Ｔに顕著な共振が現れる。よって、測定対象注入流路３２は、メタマテリアル３５の中央に配列されている分割リング共振器３６に対向することが好ましい。換言すると、測定対象注入流路３２は、メタマテリアル配置領域３１ａの中央を貫通することが好ましい。

また、実施形態１では、テラヘルツ波Ｔが、測定対象注入流路３２に対向するギャップ部３７のうちの１つに照射される形態について説明したが、テラヘルツ波Ｔが照射される位置は、測定対象注入流路３２に対向するギャップ部３７のうちの１つに限定されない。テラヘルツ波Ｔは、照射対象の分割リング共振器３６のギャップ部３７ａ、３７ｂ付近に照射され得る。換言すると、テラヘルツ波Ｔは、照射対象の分割リング共振器３６のうちの任意の部分に照射され得る。例えば、テラヘルツ波Ｔは、照射対象の分割リング共振器３６の中心部分に照射されてもよい。

また、実施形態１では、測定対象注入部が測定対象注入流路３２である形態について説明したが、測定対象注入部は測定対象注入流路３２に限定されない。図４は、測定用デバイス１０の第１変形例を示す平面図である。

図４に示すように、測定用デバイス１０は、測定対象注入部として、有底の測定対象注入穴３２ａを有してもよい。第１変形例に係る測定用デバイス１０は、９個の分割リング共振器３６を備える。９個の分割リング共振器３６は、縦横方向に周期的に配列されている。測定対象注入穴３２ａは、９個の分割リング共振器３６のうちの中心の分割リング共振器３６に含まれるギャップ部３７に対向する。以下、メタマテリアル３５の中心に位置する分割リング共振器３６を、「中心の分割リング共振器３６」と記載する。

測定対象注入穴３２ａの直径は、分割リング共振器３６の寸法に応じて予め決定すればよく、典型的には、５μｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択し得る。また、測定対象注入穴３２ａの深さは、典型的には、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲から選択し得る。測定対象注入部が測定対象注入穴３２ａである場合、図２を参照して説明した第１ポート３３及び第２ポート３４は不要となる。なお、ギャップ部３７の幅は、測定対象注入穴３２ａの直径と等しくてもよいし、測定対象注入穴３２ａの直径と異なっていてもよい。

また、実施形態１では、測定対象注入流路３２（測定対象注入部）がＧａＡｓ基板３１に形成される形態について説明したが、測定対象注入流路３２（測定対象注入部）は別のデバイス（例えば、別の基板）に形成されてもよい。図５（ａ）は、測定用デバイス１０の第２変形例を示す平面図であり、図５（ｂ）は、測定用デバイス１０の第２変形例を示す断面図である。詳しくは、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＶＢ−ＶＢ線に沿った断面を示す。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２変形例に係る測定用デバイス１０は、測定対象配置用デバイス３８を更に備える。測定対象配置用デバイス３８は、例えば、樹脂製又はガラス製であり得る。

測定対象配置用デバイス３８には、測定対象注入流路３２（測定対象注入部）と、第１ポート３３と、第２ポート３４とが形成されている。測定対象注入流路３２は、測定対象配置用デバイス３８の内部に設けられている。測定対象配置用デバイス３８は、メタマテリアル３５の上方に配置される。

第２変形例では、ＧａＡｓ基板３１から局所的に発生したテラヘルツ波Ｔは、まず、メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６のうちの１つに照射される。典型的には、テラヘルツ波Ｔは、中心の分割リング共振器３６に照射される。テラヘルツ波Ｔは、１つの分割リング共振器３６を介して、測定対象注入流路３２（測定対象注入部）に照射される。メタマテリアル３５（分割リング共振器３６）と測定対象注入流路３２（測定対象注入部）との間の距離は、回折前のテラヘルツ波Ｔが測定対象注入流路３２（測定対象注入部）に照射され得る距離である限り、特に限定されるものではい。典型的には、メタマテリアル３５（分割リング共振器３６）と測定対象注入流路３２（測定対象注入部）との間の距離は、５０μｍ以下である。

また、実施形態１では、メタマテリアル３５がＧａＡｓ基板３１上に形成される形態について説明したが、メタマテリアル３５は別のデバイス（例えば、別の基板）に形成されてもよい。図６（ａ）は、測定用デバイス１０の第３変形例を示す平面図であり、図６（ｂ）は、測定用デバイス１０の第３変形例を示す断面図である。詳しくは、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿った断面を示す。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第３変形例に係る測定用デバイス１０は、メタマテリアル配置用デバイス３９と、スペーサー４０とを備える。メタマテリアル配置用デバイス３９は、例えば、高抵抗シリコン基板であり得る。

第３変形例では、メタマテリアル配置用デバイス３９上にメタマテリアル３５（分割リング共振器３６）が形成されている。メタマテリアル配置用デバイス３９は、ＧａＡｓ基板３１の上方にスペーサー４０を介して配置される。詳しくは、メタマテリアル配置用デバイス３９は、メタマテリアル３５がメタマテリアル配置用デバイス３９とＧａＡｓ基板３１とによって挟まれるように設けられる。

第３変形例では、図２を参照して説明した測定用デバイス１０と同様に、ＧａＡｓ基板３１から局所的に発生したテラヘルツ波Ｔは、まず、測定対象注入流路３２（測定対象注入部）に照射される。テラヘルツ波Ｔは、測定対象注入流路３２を介して、メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６のうちの１つに照射される。典型的には、テラヘルツ波Ｔは、中心の分割リング共振器３６に照射される。メタマテリアル３５（分割リング共振器３６）と測定対象注入流路３２（測定対象注入部）との間の距離は、回折前のテラヘルツ波Ｔがメタマテリアル３５（分割リング共振器３６）に照射され得る距離である限り、特に限定されるものではい。典型的には、メタマテリアル３５（分割リング共振器３６）と測定対象注入流路３２（測定対象注入部）との間の距離は、５０μｍ以下である。

図７（ａ）は、測定用デバイス１０の第４変形例を示す平面図であり、図７（ｂ）は、測定用デバイス１０の第４変形例を示す断面図である。詳しくは、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿った断面を示す。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第４変形例に係る測定用デバイス１０は、測定対象注入流路３２（溝）を覆うカバー部４１を備える。カバー部４１は、例えば、樹脂製又はガラス製であり得る。カバー部４１は、排出路４２を含む。排出路４２は、マイクロ流路であり、排出路４２の一方端は、測定対象注入流路３２の中央位置において測定対象注入流路３２に連通する。また、排出路４２の他方端は、カバー部本体（排出路４２が形成されている部分）の長手方向の側面において開口している。第４変形例では、排出路４２の他方端は、カバー部本体の第２ポート３４側の側面において開口している。換言すると、排出路４２の他方端は、第２ポート３４の上方で開口している。カバー部４１は更に、受け皿部４６を有する。受け皿部４６は、カバー部本体の側面から突出する。第４変形例において、受け皿部４６は、カバー部本体の第２ポート３４側の側面から突出する。詳しくは、受け皿部４６は、排出路４２の他方端（開口）の下方の位置から、第２ポート３４を部分的に覆うように突出する。

第４変形例に係る測定用デバイス１０によれば、第１ポート３３と第２ポート３４とに液体試料を滴下した場合に、測定対象注入流路３２内に収容できなかった余剰量の液体試料が、毛細管現象を駆動力として排出路４２に注入される。また、排出路４２内にも収容できなかった余剰量の液体試料が、受け皿部４６へ排出される。なお、第１ポート３３と第２ポート３４とに滴下する液体試料は、種類が異なる液体試料であってもよいし、同じ種類の液体試料であってもよい。

なお、排出路４２の他方端が開口する位置は、第２ポート３４の上方に限定されない。例えば、排出路４２の他方端は、第１ポート３３の上方で開口してもよい。この場合、受け皿部４６は、排出路４２の他方端（開口）の下方の位置から、第１ポート３３を部分的に覆うように突出する。あるいは、排出路４２の他方端は、カバー部本体の、第１ポート３３側の側面及び第２ポート３４側の側面とは異なる面において開口してもよい。この場合、受け皿部４６は省略することができる。

また、実施形態１では、各分割リング共振器３６が１つ又は３つのギャップ部３７を含む形態について説明したが、各分割リング共振器３６に含まれるギャップ部３７の数は、メタマテリアル３５がテラヘルツ波Ｔを共振させ得る限り特に限定されない。図８は、測定用デバイス１０の第５変形例を示す平面図である。

図８に示すように、第５変形例に係る測定用デバイス１０の各分割リング共振器３６は、ギャップ部３７を２つ含む。２つのギャップ部３７は、各分割リング共振器３６において、対向する２つの辺に設けられており、各分割リング共振器３６は、ギャップ部３７の向きを揃えて、縦横方向に等間隔に（周期的に）配列されている。詳しくは、各分割リング共振器３６の２つのギャップ部３７は、測定対象注入流路３２に沿った方向において互い対向しており、測定対象注入流路３２は、メタマテリアル３５の中央に配列されている５つの分割リング共振器３６に含まれるギャップ部３７の下方を通過する。

また、実施形態１では、ＧａＡｓ基板３１が直線状の測定対象注入流路３２を有する形態について説明したが、測定対象注入流路３２の形状は特に限定されない。図９は、測定用デバイス１０の第６変形例を示す平面図である。

図９に示すように、第６変形例に係る測定用デバイス１０は、Ｙ字状の測定対象注入流路３２を有する。詳しくは、測定対象注入流路３２は、第１流路３２１、第２流路３２２、及び第３流路３２３を含み、第１流路３２１、第２流路３２２、及び第３流路３２３の基端同士が接続（合流）している。換言すると、測定対象注入流路３２は、２本の流路に分岐している。また、第６変形例に係る測定用デバイス１０は、２つの第１ポート３３と１つの第２ポート３４とを備える。２つの第１ポート３３、及び１つの第２ポート３４は、ＧａＡｓ基板３１に形成されている。２つの第１ポート３３は、第１流路３２１及び第２流路３２２の先端にそれぞれ接続しており、第２ポート３４は第３流路３２３の先端に接続している。

第６変形例に係る測定用デバイス１０では、第３流路３２３がメタマテリアル３５の下方を通過している。換言すると、メタマテリアル３５は、測定用デバイス１０を平面視したとき、第１流路３２１、第２流路３２２、及び第３流路３２３の基端同士が合流する位置と、第２ポート３４との間に配設される。

第６変形例に係る測定用デバイス１０によれば、２つの第１ポート３３にそれぞれ異なる種類の液体試料を滴下して、それらを第３流路３２３内で混合させることができる。したがって、２種類の液体試料を混合させた混合試料を測定対象にする場合、２種類の液体試料を２つの第１ポート３３にそれぞれ滴下するだけで、所期の混合試料の測定を実行することができる。換言すると、所期の混合試料の調製と測定とを、１つの測定用デバイス１０を用いて同時に行うことができる。よって、所期の混合試料の調製を事前に行う手間（労力）を削減できる。

なお、第６変形例では、測定対象注入流路３２は２本の流路に分岐したが、測定対象注入流路３２が分岐する数は特に限定されない。測定対象注入流路３２は、３本以上の流路に分岐してもよい。

［実施形態２］
続いて、実施形態２に係る測定装置１について説明する。但し、実施形態１と異なる事項を主に説明し、実施形態１と重複する説明は適宜割愛する。実施形態２に係る測定装置１は、実施形態１と異なり、液体試料に含まれる成分を電気泳動させることができる。

図１０は、実施形態２に係る測定装置１の主要部を示す図である。図１０に示すように、実施形態２に係る測定装置１は、直流電源装置２５と、正電極４３と、負電極４４とを更に備える。実施形態２では、正電極４３が第１ポート３３に配置され、負電極４４が第２ポート３４に配置される。直流電源装置２５の正極は、電線４５を介して正電極４３に電気的に接続し、直流電源装置２５の負極は、電線４５を介して負電極４４に電気的に接続する。電気泳動の実行時には、液体試料が測定対象注入流路３２、第１ポート３３及び第２ポート３４に充填されるように、第１ポート３３及び第２ポート３４のうちの少なくとも一方に液体試料を滴下する。

直流電源装置２５は、測定対象注入流路３２の両端間（第１ポート３３と第２ポート３４との間）に直流電圧を印加する。その結果、液体試料に含まれる各成分が溶媒中を泳動（移動）して分離する。

以上説明した実施形態２によれば、電気泳動実行前の共振周波数と、電気泳動実行後の共振周波数とを比較することができる。したがって、電気泳動実行前の共振周波数と、電気泳動実行後の共振周波数とを比較することにより、生体試料（例えば、タンパク質、アミノ酸、脂肪、糖）の複素誘電率等の電気的特性を測定することが可能となる。また、共振周波数の測定を、電気泳動によって各成分（生体試料）が分離する場で行うことができる。

なお、図５を参照して説明したように、測定対象注入流路３２は別のデバイス（例えば、別の基板）に形成されてもよい。図１１は、実施形態２に係る測定用デバイス１０の変形例を示す平面図である。図１１に示す測定用デバイス１０は、図５を参照して説明した測定用デバイス１０と同様に、測定対象配置用デバイス３８を備える。測定対象配置用デバイス３８には、測定対象注入流路３２、第１ポート３３及び第２ポート３４が形成されている。また、図１１に示す測定用デバイス１０は、正電極４３及び負電極４４を備える。正電極４３及び負電極４４は、測定対象配置用デバイス３８の第１ポート３３及び第２ポート３４にそれぞれ配置される。

［実施形態３］
続いて、実施形態３に係る測定装置１について説明する。但し、実施形態１及び実施形態２と異なる事項を主に説明し、実施形態１及び実施形態２と重複する説明は適宜割愛する。実施形態３に係る測定装置１は、実施形態１と異なり、ポンプ光が走査される。

図１２は、実施形態３に係る測定装置１の光学的構成を示す図である。図１２に示すように、実施形態３に係る測定装置１は、パルスレーザー発生源２と、偏光ビームスプリッタ４と、音響光学素子６と、測定用デバイス１０と、一対の軸外し放物面ミラー１１、１２と、Ｓｉレンズ１３と、検出器１４と、遅延ステージ１７と、第２高調波発生素子２１と、集光レンズ９、２２と、第１ガルバノミラー２６ａと、第２ガルバノミラー２６ｂと、ビームエキスパンダ２７と、８枚の反射ミラー２８とを備える。なお、図示しないが、実施形態３に係る測定装置１は、第１ガルバノミラー２６ａを駆動する第１ステッピングモーターと、第２ガルバノミラー２６ｂを駆動する第２ステッピングモーターとを備える。更に、実施形態３に係る測定装置１は、図１を参照して説明した測定装置１と同様に、遅延ステージ駆動機構２３と、演算装置２４とを備える。

実施形態３に係る測定装置１は、第１ガルバノミラー２６ａ（第１ステッピングモーター）の動作、及び第２ガルバノミラー２６ｂ（第２ステッピングモーター）の動作を演算装置２４により制御することができる。詳しくは、実施形態３に係る測定装置１は、ＧａＡｓ基板３１の背面上でポンプ光（パルスレーザー）のスポットが２次元的に走査されるように、第１ガルバノミラー２６ａ（第１ステッピングモーター）の動作、及び第２ガルバノミラー２６ｂ（第２ステッピングモーター）の動作を制御することが可能である。

図１３は、実施形態３に係る測定用デバイス１０を示す平面図である。図１３に示すように、実施形態３に係る測定用デバイス１０は、４つのメタマテリアル３５を有する。４つのメタマテリアル３５は、縦横方向に周期的に配列される。また、実施形態３に係る測定用デバイス１０は、４つのメタマテリアル３５の各々に対して設けられた測定対象注入穴３２ａを有する。詳しくは、各測定対象注入穴３２ａは、対応するメタマテリアル３５の中心の分割リング共振器３６のギャップ部３７に対向する。

図１２を参照して説明した測定装置１は、各メタマテリアル３５の中心の分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが順次照射されるように、第１ガルバノミラー２６ａ及び第２ガルバノミラー２６ｂを動作させる。なお、隣接するメタマテリアル３５間の距離Ｄ（図１３参照）は、各メタマテリアル３５を透過する各テラヘルツ波Ｔの共振周波数に対して、各メタマテリアル３５が互いに影響を与えない距離に決定する。典型的には、隣接するメタマテリアル３５間の距離Ｄは、３００μｍ以上である。

以上説明した実施形態３によれば、例えば、測定用デバイス１０を交換することなく、４種類の液体試料の測定を実施することができる。よって、測定の効率化を図ることができる。

なお、実施形態３では、測定装置１が、ポンプ光のスポットを走査させる機構として、ガルバノミラーを用いた機構、所謂ガルバノスキャナーを備える形態について説明したが、ポンプ光のスポットを走査させる機構は、ガルバノスキャナーに限定されるものではない。ポンプ光のスポットを走査させる機構（走査機構）は、少なくとも１枚のミラーと、そのミラーを駆動する駆動機構とを含む機構であればよい。例えば、ポンプ光のスポットを走査させる機構として、ジャイロスキャナーが使用されてもよい。

また、実施形態３では、４つのメタマテリアル３５を縦横方向に周期的に配列する形態について説明したが、メタマテリアル３５の数やメタマテリアル３５の配列は特に限定されるものではない。図１４は、実施形態３に係る測定用デバイス１０の第１変形例を示す平面図である。図１４に示す測定用デバイス１０は、３つのメタマテリアル３５を有し、３つのメタマテリアル３５は、縦方向に周期的に配列される。

また、実施形態３では、各メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６の外形が同形（正方形）である形態について説明したが、各メタマテリアル３５間で、分割リング共振器３６の外形（形状又は寸法）は異なってもよい。図１５は、実施形態３に係る測定用デバイス１０の第２変形例を示す平面図である。図１５に示す測定用デバイス１０は、３種類のメタマテリアル３５を備える。詳しくは、図１５に示す測定用デバイス１０は、第１メタマテリアル３５ａ、第２メタマテリアル３５ｂ、及び第３メタマテリアル３５ｃを備える。第１メタマテリアル３５ａに含まれる分割リング共振器３６の外形は、円形である。第２メタマテリアル３５ｂに含まれる分割リング共振器３６の外形は、正方形である。第３メタマテリアル３５ｃに含まれる分割リング共振器３６の外形は、長方形である。

テラヘルツ波Ｔの共振周波数は、メタマテリアル３５の構造や液体試料に依存して決まり、メタマテリアル３５の構造と液体試料との組み合わせによっては、テラヘルツ波Ｔに顕著な共振が現れない可能性がある。これに対し、図１５に示す測定用デバイス１０を用いることにより、測定用デバイス１０を交換することなく、同一の液体試料を、互いに異なる構造を有する第１メタマテリアル３５ａ〜第３メタマテリアル３５ｃの各々を介して測定することが可能となる。したがって、測定用デバイス１０を交換することなく取得した３種類の測定結果のうちから、より顕著な共振が現れた結果を選択することができる。したがって、測定の効率化を図ることができる。

また、実施形態３では、測定用デバイス１０が、測定対象注入部として測定対象注入穴３２ａを有する形態について説明したが、測定対象注入部は測定対象注入流路３２であってもよい。図１６は、実施形態３に係る測定用デバイス１０の第３変形例を示す平面図である。図１６に示す測定用デバイス１０は、測定対象注入部として測定対象注入流路３２を有する。更に、図１６に示す測定用デバイス１０は、第１共通ポート３３ａと第２共通ポート３４ａとを備える。第１共通ポート３３ａと第２共通ポート３４ａとはＧａＡｓ基板３１に形成されている。第１共通ポート３３ａには、各測定対象注入流路３２の一方の端が接続し、第２共通ポート３４ａには、各測定対象注入流路３２の他方の端が接続する。斯かる構成によれば、例えば、第１共通ポート３３ａ又は第２共通ポート３４ａに液体試料を滴下することができる。第１共通ポート３３ａ又は第２共通ポート３４ａに液体試料を滴下した場合、３つの測定対象注入流路３２に液体試料を注入することができる。よって、測定の効率化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明した。本発明の実施形態によれば、微量な量の液体試料の測定が可能となる。本発明の実施形態に係る測定装置１及び測定用デバイス１０の検出感度は、測定対象注入部（測定対象注入流路３２及び測定対象注入穴３２ａ）の体積に依存する。詳しくは、測定対象注入部の体積をより小さくすることにより、検出感度の向上を図ることができる。なお、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

例えば、本発明による実施形態では、ＧａＡｓ基板３１の背面（テラヘルツ波Ｔが出射する面とは反対側の面）にポンプ光を照射する形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されない。ポンプ光を照射する位置は、測定対象注入部（測定対象注入流路３２又は測定対象注入穴３２ａ）と分割リング共振器３６とを透過するテラヘルツ波Ｔを局所的に発生させることが可能な限り、特に限定されない。

また、本発明による実施形態では、共振周波数のシフト量に基づいて液体試料の複素誘電率等の電気的特性を測定する形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されない。例えば、測定対象注入部に液体試料が注入されていない状態で取得される周波数スペクトルと、測定対象注入部に液体試料が注入された状態で取得される周波数スペクトルとを比較して、つまり周波数スペクトルの変化に基づいて、複素誘電率等の電気的特性を測定することも可能である。

また、本発明による実施形態では、分割リング共振器３６の外形が矩形状（正方形又は長方形）である場合、局所的に発生したテラヘルツ波Ｔ（テラヘルツ電磁波パルス）の電場Ｅ及び磁場Ｈの向き（方向）に、テラヘルツ波Ｔが照射される分割リング共振器３６の各辺が揃うように、メタマテリアル３５を配置しているが、メタマテリアル３５の向きは、この向きに限定されない。メタマテリアル３５の向きは、テラヘルツ波Ｔに顕著な共振が現れる向きに調整され得る。換言すると、メタマテリアル３５の向きは、テラヘルツ波Ｔが照射される分割リング共振器３６の各辺がテラヘルツ波Ｔの電場Ｅ及び磁場Ｈの向きに揃う向きから傾いていてもよい。なお、この場合、テラヘルツ波Ｔが照射される分割リング共振器３６のギャップ部３７に測定対象注入部が対向するように、メタマテリアル３５の向きに合わせて測定対象注入部を配置する。

また、本発明による実施形態では、ポンプ光を高速変調する素子に音響光学素子６を用いる形態について説明したが、ポンプ光を高速変調する素子は、光の周波数を変調可能な素子であればよく、音響光学素子６に限定されない。例えば、ポンプ光を高速変調する素子として、光学チョッパーを使用し得る。

また、本発明による実施形態では、ポンプ光を測定用デバイス１０の予め定められた位置へ集光するレンズに集光レンズ９が使用されたが、ポンプ光を測定用デバイス１０へ向けて集光するレンズは集光レンズ９に限定されない。例えば、集光レンズ９に替えてｆ−θレンズが使用されてもよい。測定装置１が、ポンプ光のスポットを走査させる場合、ｆ−θレンズを使用することにより、ポンプ光の集光強度の均一性を保つことができる。

また、本発明による実施形態では、測定用デバイス１０が測定対象注入流路３２と測定対象注入穴３２ａとのうちの一方を有したが、測定用デバイス１０は測定対象注入流路３２と測定対象注入穴３２ａとの両者を有してもよい。

また、本発明による実施形態で説明した各事項は、適宜、組み合わせることができる。例えば、図１６を参照して説明した測定用デバイス１０において、実施形態２で説明したように、第１共通ポート３３ａと第２共通ポート３４ａとの間に電圧を印加して、液体試料に含まれる成分を電気泳動させてもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下で説明する実施例に限定されるものではない。

［実施例１〜３］
図１７（ａ）は実施例１に係るメタマテリアル３５の構成を示す平面図であり、図１７（ｂ）は実施例２に係るメタマテリアル３５の構成を示す平面図であり、図１７（ｃ）は実施例３に係るメタマテリアル３５の構成を示す平面図である。

実施例１では、ＧａＡｓ＜１１０＞基板上に直接金スパッタにより図１７（ａ）に示す構造を有するメタマテリアル３５を形成したデバイスを用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。即ち、実施例１では、分割リング共振器３６を１つだけ作製した。作製した分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅１０μｍのギャップ部３７を含む。

実施例２では、分割リング共振器３６の周期が異なる４種類のデバイスを用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。各デバイスは、図１７（ｂ）に示す構造を有するメタマテリアル３５をＧａＡｓ＜１１０＞基板上に形成することにより作製した。即ち、９個の分割リング共振器３６を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器３６の周期には、１００μｍ、１２０μｍ、１８０μｍ、２４０μｍを採用した。メタマテリアル３５（９個の分割リング共振器３６）は、金スパッタにより作製した。作製した各分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅１０μｍのギャップ部３７を含む。

実施例３では、分割リング共振器３６の周期が異なる４種類のデバイスを用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。各デバイスは、図１７（ｃ）に示す構造を有するメタマテリアル３５をＧａＡｓ＜１１０＞基板上に形成することにより作製した。即ち、２５個の分割リング共振器３６を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器３６の周期には、１００μｍ、１２０μｍ、１８０μｍ、２４０μｍを採用した。メタマテリアル３５（２５個の分割リング共振器３６）は、金スパッタにより作製した。作製した各分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅１０μｍのギャップ部３７を含む。

本実施例では、図１２を参照して説明した構成を有する測定装置１を用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。パルスレーザー発生源２には、フェムト秒ファイバーレーザー（ＴＯＰＴＩＣＡ社製、λ＝１．５６μｍ、繰返周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１１０ｆｓ、平均出力３５０ｍＷ）を用いた。検出器１４には、ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導スイッチを用いた。第２高調波発生素子２１には、ＰＰＬＮ結晶を用いた。ＧａＡｓ基板上でのパルスレーザー（ポンプ光）の集光スポットサイズは約２０μｍ程度であった。よって、ＧａＡｓ基板から局所的に発生した回折前のテラヘルツ波Ｔは、約２０μｍ程度のスポットサイズに高密度に集光されている。実施例２及び３では、中心の分割リング共振器３６のギャップ部３７にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板に集光した。図１８〜図２１に測定結果を示す。

具体的には、図１８は、分割リング共振器３６の個数が１個のデバイス（実施例１）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が９個であって、分割リング共振器３６の周期が１００μｍのデバイス（実施例２）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が２５個であって、分割リング共振器３６の周期が１００μｍのデバイス（実施例３）を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。

図１９は、分割リング共振器３６の個数が１個のデバイス（実施例１）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が９個であって、分割リング共振器３６の周期が１２０μｍのデバイス（実施例２）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が２５個であって、分割リング共振器３６の周期が１２０μｍのデバイス（実施例３）を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。

図２０は、分割リング共振器３６の個数が１個のデバイス（実施例１）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が９個であって、分割リング共振器３６の周期が１８０μｍのデバイス（実施例２）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が２５個であって、分割リング共振器３６の周期が１８０μｍのデバイス（実施例３）を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。

図２１は、分割リング共振器３６の個数が１個のデバイス（実施例１）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が９個であって、分割リング共振器３６の周期が２４０μｍのデバイス（実施例２）を用いて取得した周波数スペクトルと、分割リング共振器３６の個数が２５個であって、分割リング共振器３６の周期が２４０μｍのデバイス（実施例３）を用いて取得した周波数スペクトルとを示す。

また、図１８〜図２１は、比較例１として、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ；ＦＤＴＤ ｍｅｔｈｏｄ）により、分割リング共振器３６の個数が無限個である場合に発生する周波数スペクトルをシミュレーションした結果を併せて示す。

図１８〜図２１において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ（×１０¹²Ｈｚ）］を示す。また、図１８〜図２１に示す各グラフにおいて、透過率の谷（ディップ）が発生している周波数が、共振周波数を示す。図１８〜図２１に示すように、分割リング共振器３６の周期が減少する程、ディップが顕著になった。即ち、顕著な共振が現れた。また、分割リング共振器３６の個数が増加する程、ディップが顕著になった。

［実施例４］
図２２（ａ）は実施例４の測定結果を示すグラフであり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）のグラフの一部を拡大して示す図である。実施例４では、図２を参照して説明した構成を有する測定用デバイス１０を用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。メタマテリアル３５は、ＧａＡｓ＜１１０＞基板上に直接金スパッタにより作製した。分割リング共振器３６の周期には、１００μｍを採用した。作製した各分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅１０μｍのギャップ部３７を含む。また、測定対象注入流路３２は、光リソグラフィー法によってＧａＡｓ基板３１の表面に形成した。測定対象注入流路３２の幅は２０μｍであり、測定対象注入流路３２の深さは２０μｍであった。測定装置には、実施例１〜３と同じ測定装置を用いた。また、中心の分割リング共振器３６のギャップ部３７ａ及びギャップ部３７ｃの一方にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。更に、実施例４では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路３２の上方（メタマテリアル３５上）に厚さ５００μｍの石英カバーを配置して、測定対象注入流路３２を石英カバーで覆った。また、条件を合わせるために、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない状態で測定を行う際にも、測定対象注入流路３２を石英カバーで覆った。

図２２（ａ）及び図２２（ｂ）において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。また、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）において、実線のグラフは、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない状態で測定した測定結果を示し、破線のグラフは、測定対象注入流路３２に液体試料として蒸留水（純水）を注入した状態で測定した測定結果を示す。また、１点鎖線のグラフは、蒸留水とエタノールとを１：１の割合（濃度比）で混合した液体試料（５０％エタノール水溶液）を測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。測定の結果、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない状態では、共振周波数は約０．２０［ＴＨｚ］となった。また、測定対象注入流路３２に蒸留水を注入した状態では、共振周波数は約０．１１［ＴＨｚ］となり、蒸留水とエタノールとの混合試料を測定対象注入流路３２に注入した状態では、共振周波数は約０．１５［ＴＨｚ］となった。以上のように、本実施例によれば、蒸留水とエタノールとの混合試料と、蒸留水との間で、共振周波数が変化（シフト）することを確認できた。つまり、液体試料の内容によって共振周波数がシフトすることを確認できた。

［実施例５］
図２３は、実施例５に係るデバイスの構成を示す平面図である。実施例５に係るデバイスは、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して説明した測定用デバイス１０と同様に、ＧａＡｓ基板３１の上方にメタマテリアル配置用デバイス３９が配置された構成を有する。メタマテリアル配置用デバイス３９は、高抵抗シリコン基板上に１個の分割リング共振器３６（メタマテリアル）を形成することにより作製した。分割リング共振器３６は、金スパッタにより作製した。作製した分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有している。また、作製した分割リング共振器３６は、対向する２つの辺に、ギャップ幅１０μｍのギャップ部３７を含む。

実施例５では、メタマテリアル（分割リング共振器３６）の向きを、テラヘルツ波Ｔの電場Ｅ及び磁場Ｈの向きに分割リング共振器３６の各辺が揃う向きから傾けて（傾斜角度θ）、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。具体的には、メタマテリアル配置用デバイス３９をその中心軸回りに回転させて、ＧａＡｓ基板３１に対するメタマテリアル（分割リング共振器３６）の角度（向き）を変化させた。測定装置には、実施例１〜４と同じ測定装置を用いた。また、２つのギャップ部３７のうちの一方にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。測定結果を図２４に示す。なお、傾斜角度θは、時計回りの方向をプラスの角度としている。

図２４において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。実施例５では、傾斜角度θを−２°、１８°、３６°、４７°、５５°、６４°、８０°、９１°の各角度に変更して周波数スペクトルを測定した。図２４に示すように、傾斜角度θを変化させると、周波数スペクトルが変化することを確認できた。詳しくは、共振周波数における透過率の落ち込みが、傾斜角度が増加に応じて鋭くなった。

［実施例６］
図２５は、実施例６に係る測定用デバイス１０を示す平面図である。実施例６では、図２５に示す測定用デバイス１０を用いて、ミネラル水及び蒸留水（純水）を測定した。具体的には、測定対象注入流路３２にミネラル水を注入して、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。また、測定対象注入流路３２に蒸留水を注入して、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。実施例６では、更に、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない状態で、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。

図２５に示すように、実施例６に係る測定用デバイス１０は、ＧａＡｓ基板３１と、メタマテリアル３５とを備える。実施例６において、ＧａＡｓ基板３１は、ＧａＡｓ＜１１０＞基板である。メタマテリアル３５は、１２１個の分割リング共振器３６（１１×１１個の分割リング共振器３６）からなる。メタマテリアル３５は、測定対象注入流路３２を形成したＧａＡｓ＜１１０＞基板上に、直接金スパッタにより作製した。

１２１個の分割リング共振器３６は、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器３６の周期は、１２０μｍを採用した。各分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有する。また、各分割リング共振器３６は、図８に示す分割リング共振器３６と同様に、対向する２つの辺にギャップ部３７を含む。各ギャップ部３７のギャップ幅は、１０μｍである。各分割リング共振器３６の２つのギャップ部３７は、測定対象注入流路３２に沿った方向において互い対向する。測定対象注入流路３２は、メタマテリアル３５の中央に配列されている１１個の分割リング共振器３６に含まれるギャップ部３７の下方を通過する。測定対象注入流路３２は、幅が２６．５μｍ、深さが１０μｍのマイクロ流路である。測定対象注入流路３２の長さは、２．２ｍｍである。

図２６〜図３３、図３４（ａ）、及び図３４（ｂ）に測定結果を示す。図２６〜図３３において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。また、図３４（ａ）及び図３４（ｂ）において、縦軸は共振周波数［ＴＨｚ］を示し、横軸はミネラル量を示す。詳しくは、図３４（ａ）及び図３４（ｂ）の横軸は、モル数［フェムトモル］を示す。モル数は、測定対象注入流路３２の体積（流路の体積）、及びミネラル水に含まれるミネラル成分の分子量に基づいて取得した。具体的には、ミネラル成分の分子量として、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃；１００ｇ／ｍｏｌ）の分子量を用いた。測定装置には、実施例１〜５と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器３６の中心部分にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。また、実施例６では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路３２の上方（メタマテリアル３５上）に厚さ５００μｍの石英カバーを配置して、測定対象注入流路３２を石英カバーで覆った。測定対象注入流路３２に液体試料を注入する際には、第１ポート３３又は第２ポート３４に、１００ｎＬ（ナノリットル）以下の液体試料を滴下した。

図２６は、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない状態で測定した測定結果を示す。図２７〜図３１は、１リットル当たりのミネラル成分の含有量が異なるミネラル水Ａ〜Ｅを測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。

具体的には、図２７は、ミネラル水Ａを測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Ａは、１リットル当たり１０００ｍｇのミネラル成分を含有する。ミネラル水Ａは、市販のミネラル水である。図２８は、ミネラル水Ｂを測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Ｂは、１リットル当たり６００ｍｇのミネラル成分を含有する。図２９は、ミネラル水Ｃを測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Ｃは、１リットル当たり２００ｍｇのミネラル成分を含有する。図３０は、ミネラル水Ｄを測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Ｄは、１リットル当たり４０ｍｇのミネラル成分を含有する。図３１は、ミネラル水Ｅを測定対象注入流路３２に注入した状態で測定した測定結果を示す。ミネラル水Ｅは、１リットル当たり１０ｍｇのミネラル成分を含有する。ミネラル水Ｂ〜Ｅは、ミネラル水Ａ（市販のミネラル水）を蒸留水で希釈することによって調製した。

図３２は、測定対象注入流路３２に蒸留水を注入した状態で測定した測定結果を示す。図３３は、図２６〜図３２の各グラフを重ねて示している。図３４（ａ）及び図３４（ｂ）は、異なる日に測定（取得）した共振周波数とミネラル量との関係を示す。共振周波数とミネラル量との関係は、ミネラル水Ａ〜Ｅを測定対象注入流路３２に注入して、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定することにより取得した。

図２６及び図３３に示すように、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない状態では、共振周波数は０．５ＴＨｚ以上０．６ＴＨｚ以下の値となった。一方、図２７〜図３１、図３３、図３４（ａ）及び図３４（ｂ）に示すように、測定対象注入流路３２にミネラル水を注入した場合、共振周波数は０．４８ＴＨｚ以上０．５ＴＨｚ未満の値となった。また、図３２及び図３３に示すように、測定対象注入流路３２に蒸留水を注入した場合、共振周波数は０．４８ＴＨｚ未満の値となった。したがって、測定対象注入流路３２に液体試料（ミネラル水又は蒸留水）を注入することで、共振周波数が変化（シフト）することを確認できた。また、図２７〜図３３、図３４（ａ）及び図３４（ｂ）に示すように、ミネラル成分の含有量によっても、共振周波数が変化（シフト）することを確認できた。したがって、共振周波数のシフト量からミネラル成分の含有量を評価できることを確認できた。更に、本実施例で使用した測定装置及び測定用デバイスは、１リットル当たり１０ｍｇのミネラル成分を含むミネラル水を１００ｎＬ以下の微量な量で測定できる検出感度を有することを確認できた。

なお、図２６〜図３３に示すように、測定対象注入流路３２に液体試料（ミネラル水又は蒸留水）を注入した場合、測定対象注入流路３２に液体試料を注入していない場合と比べて、Ｑ値が低下（変化）した。また、ミネラル成分の含有量によっても、Ｑ値が変化した。したがって、Ｑ値からミネラル成分の含有量を評価できることを確認できた。また、図３４（ａ）及び図３４（ｂ）に示すように、異なる日に測定した場合でも同様の測定結果を得られたことから、本実施例で使用した測定装置及び測定用デバイスに再現性があることを確認できた。

［実施例７］
図３５は、実施例７に係るメタマテリアル３５の構成を示す平面図である。実施例７では、ＧａＡｓ＜１１０＞基板上に直接金スパッタにより図３５に示す構造を有するメタマテリアル３５を形成したデバイスを用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。即ち、実施例７では、１２１個の分割リング共振器３６（１１×１１個の分割リング共振器３６）を、縦横方向に周期的に配列させた。分割リング共振器３６の周期は、１２０μｍを採用した。各分割リング共振器３６は、縦幅及び横幅がいずれも８４μｍの正方形の外形を有し、一つの辺に、ギャップ幅１０μｍのギャップ部３７を含む。

図３６（ａ）に実施例７の測定結果を示す。図３６（ａ）において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。測定装置には、実施例１〜６と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器３６の中心部分にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板に集光した。

図３６（ｂ）は比較例２を示すグラフである。図３６（ｂ）において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。比較例２では、図３５に示すメタマテリアル３５を備えたデバイスに対し、遠方場からテラヘルツ波Ｔを照射した。即ち、図３６（ａ）に示す測定結果が、１つの分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔを照射することにより得た測定結果であるのに対し、図３６（ｂ）に示す測定結果は、複数の分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔを照射することにより得た測定結果である。

図３６（ａ）及び図３６（ｂ）に示すように、メタマテリアル３５に含まれる分割リング共振器３６のうちの１つにテラヘルツ波Ｔを照射することにより、テラヘルツ波Ｔの周波数スペクトルに顕著な共振が現れることを確認できた。換言すると、１つの分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔを照射することにより、良好な応答特性を得られることを確認できた。

［実施例８］
図３７は実施例８の測定結果を示すグラフである。図３７において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。具体的には、実線のグラフが、実施例８の測定結果を示す。実施例８では、図２５を参照して説明した構成を有する測定用デバイス１０を用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。測定装置には、実施例１〜７と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器３６の中心部分にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。

図３７において、破線のグラフは、比較例３を示す。比較例３では、測定対象注入流路３２を形成したＧａＡｓ＜１１０＞基板をデバイスとして用いて、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルを測定した。つまり、比較例３では、メタマテリアル３５が設けられていないＧａＡｓ＜１１０＞基板を用いた。なお、比較例３の測定条件は、デバイスが異なる以外は実施例８と同じ条件である。比較例３では、ＧａＡｓ＜１１０＞基板から局所的にテラヘルツ波Ｔを発生させて、回折前のテラヘルツ波が測定対象注入流路３２の長手方向の中央に照射されるようにした。

図３７に示すように、メタマテリアル３５を設けることにより、テラヘルツ波Ｔの周波数スペクトルに顕著な共振が現れることを確認できた。換言すると、メタマテリアル３５を設けることにより、良好な応答特性を得られることを確認できた。

［実施例９］
図３８は、実施例９に係る測定用デバイス１０を示す平面図である。図３８に示すように、実施例９に係る測定用デバイス１０は、ＧａＡｓ基板３１とメタマテリアル３５とを備える。実施例９において、ＧａＡｓ基板３１はＧａＡｓ＜１１０＞基板であり、ＧａＡｓ基板３１に、図９を参照して説明した測定用デバイス１０と同様に、Ｙ字状の測定対象注入流路３２と、２つの第１ポート３３と、１つの第２ポート３４とが形成されている。測定対象注入流路３２は、幅２６．５μｍ、深さ１０μｍのマイクロ流路である。メタマテリアル３５は、実施例６のメタマテリアル３５と同じ構成であり、測定対象注入流路３２の第３流路３２３が、メタマテリアル３５の中央に配列されている１１個の分割リング共振器３６に含まれるギャップ部３７の下方を通過している。

図３９は、実施例９の測定結果を示すグラフである。図３９において、縦軸は透過率を示し、横軸は周波数［ＴＨｚ］を示す。実施例９では、４種類の液体試料の測定を行った。具体的には、測定対象注入流路３２（第３流路３２３）に各液体試料を注入した状態で、テラヘルツ波Ｔの透過率の周波数スペクトルをそれぞれ測定した。図３９は、周波数スペクトルのうち、透過率の谷（ディップ）が発生している箇所を拡大して示している。測定装置には、実施例１〜８と同じ測定装置を用いた。測定時には、中心の分割リング共振器３６にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。詳しくは、照射対象の分割リング共振器３６の中心部分にテラヘルツ波Ｔが照射されるように、ポンプ光をＧａＡｓ基板３１に集光した。また、実施例９では、液体試料の乾燥を防止するために、測定対象注入流路３２の上方（メタマテリアル３５上）に厚さ５００μｍの石英カバーを配置して、測定対象注入流路３２を石英カバーで覆った。

図３９において、実線のグラフは、測定対象注入流路３２の第３流路３２３に蒸留水（純水）を注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、２つの第１ポート３３のうちの一方に１００ｎＬ以下の量の蒸留水を滴下して、第３流路３２３に蒸留水を注入した。

図３９において、破線のグラフは、水とエタノールとを１：１の割合（濃度比）で混合した液体試料（５０％エタノール水溶液）を測定対象注入流路３２の第３流路３２３に注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、測定前に５０％エタノール水溶液を調製した。そして、１００ｎＬ以下の量の５０％エタノール水溶液を２つの第１ポート３３のうちの一方に滴下して、第３流路３２３に５０％エタノール水溶液を注入した。

図３９において、一点鎖線のグラフは、水とエタノールとを３：１の割合（濃度比）で混合した液体試料（２５％エタノール水溶液）を測定対象注入流路３２の第３流路３２３に注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、測定前に２５％エタノール水溶液を調製した。そして、１００ｎＬ以下の量の２５％エタノール水溶液を２つの第１ポート３３のうちの一方に滴下して、第３流路３２３に２５％エタノール水溶液を注入した。

図３９において、二点鎖線のグラフは、５０％エタノール水溶液と蒸留水とを混合した混合試料を測定対象注入流路３２の第３流路３２３に注入した状態で測定した測定結果を示す。具体的には、１００ｎＬ以下の量の５０％エタノール水溶液を２つの第１ポート３３のうちの一方に滴下し、１００ｎＬ以下の量の蒸留水を２つの第１ポート３３のうちの他方に滴下して、第３流路３２３内で混合試料を調製した。理論的には、第３流路３２３内で調製された混合試料は、２５％エタノール水溶液である。

図３９に示すように、Ｙ字状の測定対象注入流路３２を用いた場合でも、液体試料の内容に応じて共振周波数が変化（シフト）することを確認できた。また、二点鎖線のグラフは一点鎖線のグラフに近似した。よって、Ｙ字状の測定対象注入流路３２を用いて混合試料を調製した場合、有意な測定結果を得られることを確認できた。

本発明は、水溶液の分析や、生体試料の分析に適用できる。

１ 測定装置
１０ 測定用デバイス
３１ ＧａＡｓ基板
３２ 測定対象注入流路
３２ａ 測定対象注入穴
３５ メタマテリアル
３５ａ メタマテリアル
３５ｂ メタマテリアル
３５ｃ メタマテリアル
３６ 分割リング共振器
３７ ギャップ部
３７ａ ギャップ部
３７ｂ ギャップ部
３７ｃ ギャップ部
Ｔ テラヘルツ波

Claims (15)

1. テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、
   前記テラヘルツ波が照射される測定対象注入流路又は有底の測定対象注入穴を含む測定対象注入部と、
   前記テラヘルツ波を共振させる分割リング共振器を１つ又は複数有するメタマテリアルと
   を備え、
   前記分割リング共振器のうちの少なくとも１つは、前記測定対象注入流路の少なくとも一部、又は前記測定対象注入穴の少なくとも一部と対向するギャップ部を含み、
   前記分割リング共振器のうちの前記少なくとも１つは、前記ギャップ部を含む測定対象対向部分と、前記測定対象注入流路および前記測定対象注入穴とは対向しない測定対象非対向部分とを有し、
   前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波の周波数スペクトルを、前記測定対象注入部に測定対象が注入されているか否かに応じて変化させる、測定用デバイス。
2. 前記メタマテリアルは、前記テラヘルツ波発生素子上に形成されている、請求項１に記載の測定用デバイス。
3. 前記測定対象注入部は、前記テラヘルツ波発生素子に形成されており、
   前記メタマテリアルと前記測定対象注入部との間の距離は５０μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の測定用デバイス。
4. 前記測定対象注入部が形成された測定対象配置用デバイスを更に備え、
   前記メタマテリアルと前記測定対象配置用デバイスの前記測定対象注入部との間の距離は５０μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の測定用デバイス。
5. 前記テラヘルツ波発生素子は、非線形光学効果によって前記テラヘルツ波を発生し、
   前記分割リング共振器は、矩形状の外形を有し、
   前記メタマテリアルの向きが、前記テラヘルツ波の電場及び磁場の向きに前記分割リング共振器の各辺が揃う向きから傾いている、請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の測定用デバイス。
6. 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
   前記測定対象注入流路は、溝からなり、
   前記測定用デバイスは、前記溝を覆うカバー部を更に備える、請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の測定用デバイス。
7. 前記カバー部は、前記溝に連通する排出路を含み、
   前記排出路は、前記溝に注入された前記測定対象を排出する、請求項６に記載の測定用デバイス。
8. 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
   前記測定対象注入流路は、２つ以上に分岐する、請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の測定用デバイス。
9. 複数の前記メタマテリアルと、
   前記複数のメタマテリアルの各々に対して設けられた前記測定対象注入部と
   を備え、
   前記測定対象注入部は、それぞれ、前記測定対象注入流路又は前記測定対象注入穴を含む、請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の測定用デバイス。
10. 前記複数のメタマテリアル間で、前記分割リング共振器の形状及び／又は寸法が異なる、請求項９に記載の測定用デバイス。
11. 前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、
    前記測定用デバイスは、
    前記測定対象注入流路のそれぞれの一方の端が接続する第１共通ポートと、
    前記測定対象注入流路のそれぞれの他方の端が接続する第２共通ポートと
    を更に備える、請求項９又は請求項１０に記載の測定用デバイス。
12. 請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の測定用デバイスと、
    パルスレーザーを発生するパルスレーザー発生源と、
    前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導き、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる光学系と、
    前記測定対象注入部、及び前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近を透過した後の前記テラヘルツ波を検出する検出器と
    を備える、測定装置。
13. 前記測定対象注入部は、前記測定対象注入流路を含み、
    前記測定装置は、前記測定対象注入流路の両端間に電圧を印加する電源部を更に備える、請求項１２に記載の測定装置。
14. 請求項９から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の測定用デバイスと、
    パルスレーザーを発生するパルスレーザー発生源と、
    前記パルスレーザーを前記テラヘルツ波発生素子へ導き、前記テラヘルツ波発生素子に前記パルスレーザーを集光して、前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又はそのギャップ部付近とを前記テラヘルツ波が透過するように、前記テラヘルツ波発生素子から局所的に前記テラヘルツ波を発生させる光学系と、
    前記測定対象注入部の各々と、前記測定対象注入部の各々に対応する前記ギャップ部又は前記ギャップ部付近とを透過した後の前記テラヘルツ波をそれぞれ検出する検出器と
    を備え、
    前記光学系は、前記テラヘルツ波発生素子に対して前記パルスレーザーを走査する走査機構を含み、
    前記走査機構は、前記複数のメタマテリアルの各々に対して前記パルスレーザーが局所的に集光するように動作する、測定装置。
15. 前記測定対象注入部の各々は、前記測定対象注入流路を含み、
    前記測定装置は、前記測定対象注入流路のそれぞれの両端間に電圧を印加する電源部を更に備える、請求項１４に記載の測定装置。

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