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テラヘルツ分光イメージング・システム
テラヘルツテクノロジーフォーラム通信 Vol.10 , No.1 「テラヘルツ分光イメージング・システム」 ― 超高速サンプリングで医薬品等の化学物質を非破壊試験 ― 株式会社アドバンテスト 新企画商品開発室 今村元規 THz 波を高速サンプリングして分光・イメージングを行うコンパクトな解析システムを開発したので紹介す る。本システムは、医薬品やケミカル品等の化学物質の解析を、THz 波を使うことを特別意識せずに容易 に行うことができる。サンプリング検出の基本性能が高いため、医薬だけでなく、バイオや材料研究などで THz 波を積極的に試してみたいという研究者にもお勧めの装置である。 1. はじめに THz波のユニークな特徴（透過 性,安全性,指紋スペクトル）により、 その応用が見込まれる分野は広範 囲にわたる。THz波による非破壊 試験対象を列挙すると、安全/安心 応用、食品/農業、プラスチックなど の高機能材料分野、製薬、バイオ/ 医療などが挙げられる1)。 我々はこれらのニーズに対する ソリューションを提供し、テラヘルツ 応用分野を立ち上げるため、既に THz 波Computed Tomography (CT) 方式により分光イメージング 解析を可能にした3D イメージング システムTAS7000を製品化し、ディ Fig.1 テラヘルツ波応用が期待される分野と計測ソリューション ーゼルエンジン用セラミックフィルタ 等の工業品の解析用途で実用化している2)。さらにこのたび、医薬品やケミカル品等に向けた テラヘルツ分光測定と、Time-of-flight(TOF)方式による膜厚構造などの内部イメージング解析機能とを兼ね備 えたテラヘルツ分光・イメージング・システムTAS7500シリーズを製品化したので、ここに紹介する。(Fig.1) －1－ ２. TAS7500 シリーズ テラヘルツ分光・イメージング・システム TAS7500シリーズ(Fig.2)は、分光とイメージングの２つの測定ユニット に制御/解析用パソコンを組み合わせることにより、医薬品・ケミカル品等の非破壊検査に必要な分光とイメージ ングの両機能に対応できる解析システムである。 Fig.2 TAS7500シリーズ テラヘルツ分光・イメージング・システム ３. テラヘルツ分光システム TAS7500SPテラヘルツ分光システムでは、透過分光測定、反射分光測定、ATR(Attenuated Total Reflection) 測定用の３種類の測定モジュールを用意しており、測定対象物に合わせてそれぞれのモジュールを無調整で 簡単に交換可能である。 Fig.3 にTAS7500SPの動作原理を示したブロック図を示す。2つの超短光パルスファイバレーザ出力をそれぞ れTHz波発生・検出器に照射し、それらのパルス発振の位相を制御することで被測定物を透過/反射してきた THz波パルス時間波形をサンプリング検出する3)。そして、THz波形を高速フーリエ変換することで被測定物のス ペクトル特性が得られる。このサンプリング方式により、1 秒あたり125 回のTHz波パルス波形を取得できるため、 非常に高スループットな測定が可能である。(Fig.4) Fig.3 TAS7500SPの動作原理 Fig.4 THzスペクトル例(Through) －2－ 医薬品の開発・製造における重要な分析項目の一つに結晶多形がある。結晶多形とは、同じ分子構造であり ながら結晶中での分子配列が異なるものを指し、原薬の 80%に結晶多形が存在するといわれる 4)。結晶多形によ り溶解性、安定性が変化するため、医薬品分析においては多形解析技術が必要とされる 5)。 Fig.5 に、結晶多形の分光測定結果を示す。(a)トルブタミド(糖尿病治療薬)の多形(Form I～III) と(b)カルバマ ゼピン(抗てんかん薬)の多形(Form I～III)の 6 種の原薬を、ポリエチレン粉末で希釈しペレット化したサンプルを 作製した。TAS7500SP に透過モジュールを装着し、サンプルを試料ホルダ(写真１)に乗せ、蓋を閉じて測定ボタ ンを押すことで、簡単に乾燥空気中での分光測定が行える。測定結果の各指紋スペクトルは医薬品ごとに大き く異なり、さらに結晶形によっても異なっており、テラヘルツ分光が医薬品分析に有効であることがわかる。 写真 1 透過モジュール試料ホルダ Fig.5 医薬品結晶多形の吸光度スペクトル ４. テラヘルツ・イメージング・システム TAS7500IMテラヘルツ・イメージング・システムは、Time-of-flight方式により、膜厚分布や密度分布などを可 視化することができる。その測定原理をFig.6に示す。発生させたTHz波パルスは被測定物の表面で反射して検 出される。この際の反射波形を解析することにより、表面の屈折率や膜の密度を求めることができる。被測定物 がコーティングを施された錠剤のように層構造を有する場合、一部のTHz波は表面を透過した後、表面層と下層 との界面で反射し検出される。これらの反射波の時間差を解析することにより、層の厚さも解析することができ る。 被測定物の錠剤は、専用のカセットにて測定ユニットに装着され、複数の錠剤を連続して自動測定することが 可能である。錠剤は、6軸制御アクチュエータにより、表面をスキャンされるので、密度や層構造の3D イメージン グ解析が可能であり、30μm以上の厚さの層構造を深さ方向分解能2μm精度にて測定できる。 Fig.6 Time-of-flight方式によるテラヘルツ・イメージング 錠剤の密度やコーティングの特性は、医薬品の溶解性に影響し、体内で吸収される部位にばらつきを生じさ せる要因となるため、きびしい品質管理が求められる。 －3－ 多層構造をもつ錠剤の層構造を解析した事例をFig.7に示す。表面層での反射波の強度から表面密度が、第 １層での反射波との時間差から第１層の厚さがそれぞれ求められ、錠剤全体をスキャンすることで、それらの分 布イメージが得られた。2次元断層像では、錠剤内部の密度のムラが可視化されており、非破壊で錠剤の内部 構造を求めることができている。 Fig.7 多層錠のイメージング解析例 ５. むすび 本稿では、医薬品やケミカル品等の解析に向けたテラヘルツ分光・イメージング・システムTAS7500シリーズに ついて紹介し、その技術と解析事例を示した。本システムは、テラヘルツ波がもつ高い透過性や物質固有の指 紋スペクトルを利用することで、医薬品の結晶多形の分離や錠剤の構造解析が可能であり、製剤研究や量産ラ インにおける非破壊解析に有用である。また、本システムは、高スループットの測定が容易にできるコンパクトな 装置であるため、医薬品解析だけでなく、バイオ研究など様々な用途でお役に立てると考えている。皆様の仕 事に少しでも貢献できれば、幸いである。 (コンタクト先: info_t＠jp.advantest.com) 参考文献 1) K.Kawase, Y.Ogawa, Y.Watanabe, H.Inoue: Opt. Exp., 11, pp2549 (2003) 2) S.Nishina, M.Shibata, Y.Hashimoto, et al.: SAE Paper 2011-01-2064, 2011 PF&L Conf.(Kyoto) 3) 山下友勇,入澤昭好: 日本特許第 4786767 号 4) A.Grunenberg, J.O.Henck, H.W.Siesler: Int. J. Pharm.,129, pp147-158 (1996) 5) S.Byrn, R.Pfeiffer, M. Ganey, et al.: Phar －4－ 研究室紹介 大阪大学大学院基礎工学研究科 永妻研究室（情報フォトニクスグループ） (URL http://photon.laser.ee.es.osaka-u.ac.jp/groups/oqis/ ) 当研究室は、2007 年 4 月、筆者の着任とともに「光波と電波・光子と電子の融合と、新しいセ ンシング・通信への応用」をミッションとして発足し、この 2012 年 4 月で 6 年目を迎えます。 着任当初は、旧研究室のテーマがいく つか残っていましたが、5 年の歳月を経た 現在、10 名余の大学院生のすべての研究 テーマが、ミリ波・テラヘルツ波フォトニ クスに関連するものになりました。研究室 コアデバイス技術 発生検出 デバイス(1) + フォトダイオード 光伝導アンテナ 電気光学センサ ノイズソース、他 ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ 集積技術 MEMS・メタマテリアル フォトニック結晶 アンテナ・フィルタ THz伝送路、他 の教員スタッフとしては、久武信太郎助教 イスならびにその集積技術から、システム 応用（無線通信システム、分光システム、 イメージングシステム）まで幅広い研究を 発生検出 デバイス(2) フォトダイオード 共鳴トンネルダイオード ショットキバリアダイオード プラズマ波デバイス、他 応用技術（出口） に加えて、2011 年 4 月より、冨士田誠之 准教授が着任し、右図に示すように、デバ + センシングシステム化技術 CW分光 システム化技術 イメージング 技術 ホモダイン方式 周波数領域分光 トモグラフィ 電界可視化 展開しています。 通信 システム化技術 高速化 小型化 高機能化 研究テーマの概要 研究室のコアコンピタンスは、光通信波長(1.55m)帯の光デバイスを用いたテラヘルツ波の発 生・検出技術ですが、最近では、半導体電子デバイス、アンテナ技術、集積化技術に関する研究を、 企業や他大学、および学内の研究室と連携して進めています。 特に、テラヘルツ波の産業化を早期に進めるためには、密接な産官学連携が不可欠と考えてお り、本フォーラムを通して皆さんと積極的な交流が図れることを期待しております。 THz 無線通信実験の様子（協力:NTT） トモグラフィ実験の様子 無線モジュール（協力:ローム） （永妻忠夫：[email protected]） －5－ テラヘルツ関連会議報告 第 4 回 日韓テラヘルツテクノロジーワークショップ 静岡大学創造科学技術大学院 廣本 宣久 テラヘルツテクノロジーフォーラム主催、Korea THz Forum 共催で、2011 年 12 月 19 日－20 日に 名古屋大学野依記念物質科学研究館を会場として、日韓合同のワークショップ（The 4th Japan-Korea Joint Workshop on THz Technology）を開催しました。 このワークショップは、第１回が 2007 年韓国ソウルの KIST で、第 2 回が 2008 年東京で開催さ れ、2009 年は IRMMW-THz2009 国際会議が韓国ブサンで開催されましたので 1 年跳ばしで、第３ 回が 2010 年韓国ブサンで開催されたのに続くものです。 ワークショップは、阪井会長と KIST の Jeong-Il Lee 博士のオープニング挨拶ではじまり、２日間 に亘り、テラヘルツ分野の新しい研究成果および研究開発の現況について、日本から 10 件、韓国 から 10 件の口頭発表がなされ、熱心な質疑が行われました。韓国のいくつかの研究機関で、強力 なテラヘルツ光を発生するために、積極的に大型の装置を開発していることが印象的でした。また、 テラヘルツ帯の半導体デバイスやテラヘルツ顕微鏡などの新しい研究も目に付きました。 ワークショップには、事務局と名古屋大学の学生を除いて、韓国からの 12 人を含め、34 人が参 加しました。19 日の夜には、会場で立派なバンケットが行われ、地酒も出されて、楽しく有意義な 日韓の交流ができました。また、その後の名古屋大学エコトピア科学研究所の幹部の先生方のご厚 意で貸し切っていただいた、二次会会場の栄のピアノクラブでは、副所長の先生と川瀬先生から達 者な韓国ソングの披露があり、韓国からの参加者との文化的交流も十分にできました。 今回のワークショップは、不肖、廣本が組織委員長、大谷知行博士と Korea Maritime Univ.の Tae-In Jeon 博士がプログラム委員長、川瀬晃道先生が現地実行委員長、谷正彦先生、芦田昌明先生、齋藤 伸吾博士が事務局を担当され、年末のたいへん忙しい中でしたが、成功裏に開催することができま した。会場運営では、名古屋大川瀬研の川瀬桃子氏、竹家啓先生、トリパティ・サロジ博士はじめ 学生諸氏、大阪大の藤田香織氏、理研の湧井好美氏にたいへんがんばっていただきました。 ワークショップの間に、日韓のフォーラム関係者でワークショップの今後について会議が行われ、 本ワークショップはこれまでに、日本の協力で IRMMW-THz2009 が韓国で開催されるなど、日韓の 間でテラヘルツ分野の親密な友好関係の構築、研究交流の実績ができましたので、次のステップに 移るべき時期と判断し、日韓合同のワークショップは今回を最後とすることとして、今後はこれま での友好関係をベースに、必要に応じて個々の案件ごとに相互に協力し合うことを確認しました。 第３回テラヘルツビジネスセミナー（THz-Biz 2012） 理化学研究所 大谷 知行 2012 年 1 月 20 日（金）に秋葉原ダイビルのコンファレンスフロアを会場として、テラヘルツテクノロジーフ ォーラム主催第３回 テラテクビジネスセミナー（THz-biz 2012）を開催しました。 本セミナーはいわゆる学 術的な研究会やワークショップと異なり、テラヘルツ技術の産業利用を目指して産官学の専門家、ユーザ －6－ ー、ポテンシャルユーザーが集まり、産業化やビジネス化を加速するために何をすべきかを議論することを 目的として開催しています。例年 1 月の中頃に秋葉原に会場を借りて開催しており、今回はその３回目とな ります。本年のテーマは「テラヘルツ技術と産業デマンドのマッチング」でした。会の構成は例年同様に２部 構成として、第１部で招待講演、第２部ではパネルディスカッションを行いました。 まず、第１部の講演では、名古屋大学・川瀬晃道教授による多彩な「テラヘルツ波応用可能性」の紹介 に始まり、東レリサーチセンター・熊澤 亮一氏による「テラヘルツ波による工業材料の非破壊分析」、NHK 放送技術研究所・杉之下 文康氏による「テラヘルツ波に期待する超大容量伝送技術〜次世代のテレビ スーパーハイビジョン〜」、医薬品食品衛生研究所・坂本 知昭氏による「医薬品品質評価科学への遠赤 外／テラヘルツ分光法及びイメージング技術の導入と将来への課題」、京都大学・小川 雄一准教授によ る「バイオセンシングに資するテラヘルツ技術」、そして、味の素・山本 健氏による「食品に混入した異物 （髪の毛や虫など）の検出技術～テラヘルツ波技術への期待～」 といった話題を提供頂きました。それぞ れの講演で具体的でわかりやすい応用可能性や実例が紹介され、改めてテラヘルツ波応用の幅広さや多 様さが実感されました。 休憩をはさんで、第２部では、招待講演者およびテラヘルツ波の専門家を交えて、産業デマンドの解 決に必要な技術開発、および、将来の新たな応用可能性についてパネル討論（モデレータ：名古屋大・川 瀬教授）を行いました。まず、第１部でのポテンシャルユーザーからの講演を受けて、いまテラヘルツ領域 で市販されている製品のレビューとして、検査装置を販売するメーカーサイド４社（大塚電子、アドバンテス ト、スペクトルデザイン、浜松ホトニクス）の方々から製品の紹介がなされました。個人的な印象としては、こ れまでと比べて製品のクオリティが格段に向上して量産レベルに達しており、各メーカーの並々ならぬ熱 意・情熱が強く感じられました。次に、製品紹介を受けて、ポテンシャルユーザー側から検査装置へのリク エストや質問が出され、今後のテラヘルツ波関連製品の方向性や新たな用途などについて議論がなされ ました。また、会場からも多くの質問が寄せられ、今後のテラヘルツ波関連製品の質問も出るなど、産業化 の加速に向けた活発な討論が行われました。また、本年度の参加者数は１０９名で、テラヘルツ分野への 関心の高さを改めて再認識させられ、今後もこのようなセミナーを続けていく必要性を強く感じました。 今後のビジネスセミナーの予定についてですが、平成２４年度は９月５−７日に幕張メッセで開催される 分析展（新名称「JASIS」）においてセミナーを企画しております。プログラムは現在検討中ですが、９月６日 （木）の午後１時からの開催を予定していますので、ぜひ奮ってご参加頂ければ、と思います。 なお、本セミナーの実施にあたっては、（株）オプトロニクス社、および、（株）東京インスツルメンツに多大 な協力を頂きました。この場を借りて御礼申し上げます。 テラヘルツテクノロジーフォーラム平成２３年度第２回技術検討会 慶應義塾大学理工学部物理学科 渡邉紳一 テラヘルツテクノロジーフォーラム平成２３年度第２回技術検討会が 2012 年 3 月 21 日（水）に、東 京大学本郷キャンパスにて行われた。テラヘルツ光源開発とテラヘルツ強電場が誘起する効果、という 近年のテラヘルツ光を用いた基礎研究で注目されているテーマについて５名の講師の先生方に最新成 果のご講演をいただいた。当日は４８名の参加者をあつめ、活発な議論が行われた。 講演会前半では、まず筑波大学の門脇教授に高温超伝導体固有ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ 波発振器についてご講演いただいた。近年の技術革新により本発振器が実用的なテラヘルツ光源として 期待が高まっている現状を分かりやすくご講演いただいた。引き続き東京大学の中嶋先生にテラヘルツ 磁場パルスを用いた超高速スピン励起実験についてご講演いただいた。テラヘルツ電磁波とスピンとの －7－ 効率的なエネルギーのやりとりが大変印象的なご講演内容であった。前半最後は京都大学の廣理先生に 高強度テラヘルツパルスで誘起する非線形光学現象についてご講演いただいた。LiNbO3 結晶を用いた 高強度テラヘルツパルスの発生方法についての詳しいご解説の後、それを半導体量子井戸のキャリア実 励起に応用した例をご講演いただいた。 講演会後半では、まず東京大学の望月講師にマルチフェロイックスにおける電場パルスによるエレク トロマグノン励起について、理論研究の立場から大変分かりやすくご講演いただいた。最後に東京大学 の島野准教授に高強度テラヘルツパルスを用いたカーボンナノチューブ・超伝導体・有機導体の励起子 実励起や相制御について多岐に渡る最新の成果をご紹介いただいた。 講演会の後、会場になった東京大学でテラヘルツ基礎物性のご研究をされている二研究室（五神研究 室、島野研究室）の見学会を行った。２１名の参加者が二班に分かれ、最新の実験設備・装置を見学し た。見学会は大変盛況で、参加者のみなさんがひしめき合いながら光学定盤を取り囲み研究室の方々の 解説を熱心に聞き入る姿が印象的であった。日本のテラヘルツ基礎研究のレベルが非常に高まっている ことを実感できる大変有意義な研究会であった。 国内会議予定 ＜2012 年度総会ならびに第 10 回講演会＞ 2012年 5月 17日（木）13:30～17:00 大阪大学豊中キャンパス シグマホール 〒560-0043 大阪府豊中市待兼山町１−３ （アクセス http://www.es.osaka-u.ac.jp/ESnew/jp/access.html#access1 ） 参加費： 一般会員以外は3,000円、学生1,000円（阪大生は無料） 日 時： 場 所： ＜プログラム＞ （１）総会 （13:30～14:00） １．2011 年度事業報告・決算に関する件 ２．2012 年度事業計画・予算に関する件 ３．その他 （２）講演会 （14:15～17:00） ●第２回テラヘルツナノ科学国際会議（TeraNano2012） 日時：2012 年 7 月 4 日～5 日 場所：独立行政法人 情報通信研究機構（NICT） 沖縄電磁波技術センター 会議 URL: http://www.ile.osaka-u.ac.jp/research/thp/TeraNano2012/index.html ●応用物理学会テラヘルツ電磁波技術研究会並びに電子情報通信学会テラヘルツ応用システム研究会共催 「テラヘルツ技術研究会」 日時：2012 年 7 月 6 日 9：00～12：00、14：00～16：00（予定） 場所：独立行政法人 情報通信研究機構（NICT） 沖縄電磁波技術センター 会議 URL: http://annex.jsap.or.jp/terahertz/mt1.htm ●テラヘルツ分光法の最先端 VI ～ここまできたテラヘルツ時間領域分光～ 日本分光学会 テラヘルツ分光部会 日時：2012 年 10 月 25 日～26 日 場所：筑波大学総合研究棟 B110 公開講義室 会議 URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~hattori/thz2012/index.html －8－ 国際会議予定 ●International Symposium on Frontiers in THz Technology (FTT 2012) ※裏表紙（Ｐ.10）をご覧ください ●3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2012) 日時： June 17～20, 2012 場所： Kaiserstejnsky Palace, Prague, Czech Republic 会議 URL： ● 2nd http://www.myeos.org/events/tst2012 International Conference "Terahertz and Microwave radiation:Generation, Detection and Applications" (TERA-2012) 日時： June 20～22, 2012 場所： Lomonosov Moscow State University 会議 URL： http://tera2012.phys.msu.ru ●SPIE Optics + Photonics, Terahertz Emitters, Receivers, and Applications III 日時： August 12～16, 2012 場所： San Diego Convention Center, San Diego, CA United States 会議 URL： http://spie.org/app/program/index.cfm?fuseaction=conferencedetail&export_id=x30628&ID=x12769&red ir=x12769.xml&conference_id=982782&event_id=896194&programtrack_id=983491 ●The 37th International Conference on Infrared, Terahertz and Millimeter Waves (IRMMW-THz 2012) 日時： September 23～28, 2012 場所： University of Wollongong, Wollongong, Australia 会議 URL： http://irmmwthz2012.uow.edu.au/index.html 編集後記：テラテク通信の No.と会計年度を合わせるため、Vol.9, No.2 を欠号とさせて頂き、 今号を Vol.10, No.1 とさせて頂きました。 テラヘルツテクノロジーフォーラム通信 発行日 企画・編集 発行 Vol.10, No.1 350 部 無料 2012 年 5 月 1 日 川瀬 晃道（名古屋大学） 電子メール：[email protected] テラヘルツテクノロジーフォーラム事務局 〒560-8531 大阪府豊中市待兼山町 1-３ 大阪大学 大学院基礎工学研究科 物質創成専攻 未来物質領域 芦田研究室内 Tel: 06-6850-6507 Fax: 06-6850-6509 E-mail: [email protected] http://www.terahertzjapan.com －9－ International Symposium on Frontiers in THz Technology Topics: A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. THz Generation Detection of THz Radiation THz Devices, Components, and Systems Materials and Artificial Structures for THz Technology THz Imaging Astronomical Observations and Remote Sensing with THz Technology THz Spectroscopy and Sensing Industrial Applications of THz Technology Biology and Medical Applications in THz Region THz Communications 会期： 平成２４年１１月２７～２９日 会場： 東大寺総合文化センター 主要日程 平成24年4月末： 平成24年6月30日： 平成24年7月31日： 平成24年8月31日： 平成24年10月15日： 一般講演受付開始 予稿提出締切 採択通知 拡大予稿提出締切 早期登録締切 主催 産学協力研究第182委員会「テラヘルツ波科学技術と産業開拓」(日本学術振興会) テラヘルツテクノロジーフォーラム 後援 協賛 総務省、JST(産学共創)、NICT(予定)、村田学術振興財団(予定) 文部科学省科研費新学術領域研究「電磁メタマテリアル」 応用物理学会(予定)、日本分光学会、日本赤外線学会 応用物理学会テラヘルツ電磁波技術研究会 電子情報通信学会テラヘルツ応用システム研究会(予定) IEEE-MTT-S Japan Chapter IEEE-MTT-S Kansai Chapter http://www.ftt2012.com/ － 10 －