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Fig. 4-3 Computer simulation model for calculating the frequency change amount of the dip point.
Y X
Z
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Fig. 4-4 Measurement results of transmission spectra of three kinds of MMDs (f40, f100, f150).
４－３－２． 電磁波透過特性の測定結果と計算結果の比較
各MMDについて、Table 4-1 の構造パラメーターを用い、Fig. 3-3 の計算モデルで仮想 物質が無い場合の電磁波透過特性を計算し、Fig. 4-4 の測定結果と比較した。 Fig. 4-5(a) に『f40』、(b) に『f100』、(c) に『f150』の比較結果を示す。 横軸は周波数[THz]、縦軸は透 過率[%]とした。 赤線でAuの導電率σ = 4.5×107 [S m-1] を用いた場合の計算結果、青線 で本章の計算条件σ = 1.0×107 [S m-1] を用いた場合の計算結果、黒点線で測定結果を示 した。 これらの結果から、Au の導電率を用いた計算結果（赤線）は、実測結果（黒点線）と 比較して、周波数的には概ね一致したが、透過率が全体的に高く、波形が全体的にシャー プになるという差が生じていることがわかった。 また、本章の導電率条件による計算結果
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Fig. 4-5(a) Comparison of calculated and measurement transmission spectra of f40.
(Calculation was performed under two conductivity conditions.)
Fig. 4-5(b) Comparison of calculated and
measurement transmission spectra of f100.
(Calculation was performed under two conductivity conditions.)
（青線）と実測結果（黒点線）は、周波数・波形共に概ね一致することがわかった。 また、本 章で用いた導電率条件による計算結果（青線）から得られるディップ点は、『f40』で 39.661 [THz]、『f100』で98.372 [THz]、『f150』で153.675 [THz]と計算され、Fig. 4-4の実測結果から 得られた各MMDのディップ点と比較して、その差は1 [%]未満であり、計算と測定がよく一 致していることがわかった。
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Fig. 4-5(c) Comparison of calculated and
measurement transmission spectra of f150.
(Calculation was performed under two conductivity conditions.)
４－３－３． 仮想物質による電磁波透過特性の変化の計算結果
『f40』、『f100』、『f150』の各々MMDについて、Fig. 3-3、Fig. 4-3 の計算モデルにより、タ ンパク質を想定した仮想物質を MMD表面上に配置し、その厚み t を変化させた場合のデ ィップ点の周波数変化量を計算した。 Fig. 4-6 に結果を示す。 縦軸は、厚みt [nm] の仮 想物質を配置した時のディップ点の周波数変化量 ⊿fcal [THz] を示した。 横軸は、仮想物 質の厚みt [nm] から換算したMMD主面単位面積当たりの仮想物質の質量Mcal [ng mm-2] とした。 青色で『f40』、緑色で『f100』、赤色で『f150』の計算結果とその 1 次回帰式を示した。
これらの結果から、3 種類の MMD 共に、MMD 主面単位面積当たりの仮想物質の質量 Mcal とディップ点の周波数変化量 ⊿fcal が比例関係を示すことがわかった。 1次回帰式の 比例係数を感度Acal [THz ng-1 mm2] と定義すると、『f40』の感度が0.0087 [THz ng-1 mm2]、
『f100』が0.0404 [THz ng-1 mm2]、『f150』が0.0917 [THz ng-1 mm2] となり、MMDの周波数
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Fig. 4-6 Calculation result of the frequency change (Δf
cal) of the dip point when placing a virtual material of mass (M
cal) on the surface of the MMD.
が高いほど高感度になることがわかった。
さらに、MMDの周波数と感度の関係を明らかにするため、Fig. 4-5 の仮想物質が配置さ れていない時のディップ点の周波数 f0cal [THz] とFig. 4-6 の感度 Acal [THz ng-1 mm2] と の関係を調べた。 Fig. 4-7 に結果を示す。 縦軸は感度 Acal、横軸はディップ点の周波数 の二乗 f0cal2 とした。 図中のゼロを除く3つのプロット点で3種類のMMDの計算結果、直 線でそれらの1次回帰式を示した。 この結果から、感度 Acal はディップ点の周波数の二乗 f0cal2 に比例して大きくなることがわかった。 また、その比例係数は 3.93×10-6 [THz-1 ng-1 mm2] になることがわかった。
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Fig. 4-7 Relationship between the frequency (f0
cal) of the dip point and the sensitivity (A
cal) from calculation results.
４－３－４． MMD による Streptavidin の定量測定結果
各々のMMDについて、Biotin固定化後とStreptavidin吸着後の電磁波透過特性をFT-IR により測定し、Streptavidin吸着によるディップ点の周波数変化量⊿fを求めた。 また、測定 後の MMDから Streptavidinを分離し、その質量 Mを電気泳動法により求めた。 Fig. 4-8 に結果を示す。 縦軸はStreptavidin吸着によるディップ点の周波数変化量 ⊿f [THz]、横軸 はMMD主面単位面積当たりのStreptavidinの質量 M [ng mm-2]とした。 青色で『f40』、緑 色で『f100』、赤色で『f150』の測定結果とその1次回帰式を示した。 これらの結果から、3種 類のMMD共に、MMD主面単位面積当たりのStreptavidinの質量 M [ng mm-2] とディップ 点の周波数変化量 ⊿f [THz] が比例することがわかった。 また、1 次回帰式の比例係数
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Fig.4-8 Mesurement results of the frequency change (Δf ) of the dip point when placing streptavidin of mass (M) on the surface of the MMD.
を感度A [THz ng-1 mm2] と定義すると、『f40』の感度が0.0046 [THz ng-1 mm2]、『f100』が 0.0259 [THz ng-1 mm2]、『f150』が0.0671 [THz ng-1 mm2]になり、MMDの周波数が高くなる ほど高感度になることがわかった。
さらに、MMDの周波数と感度の関係を求めるため、Fig. 4-5 のStreptavidin吸着前のディ ップ点の周波数 f0 [THz] と Fig. 4-8 の感度 A [THz ng-1 mm2] の関係を調べた。 Fig.
4-9 に結果を示す。 縦軸は感度 A、横軸はディップ点の周波数の二乗 f02 とした。 図中 のゼロを除く3つのプロット点で3種類のMMDの測定結果を、直線でそれらプロット点の1 次回帰式を示した。 この結果から、感度 A はディップ点の周波数の二乗 f02 に比例して 大きくなることがわかった。 また、その比例係数は、2.86×10-6 [THz-1 ng-1 mm2]になること がわかった。
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Fig. 4-9 Relationship between the frequency (f0) of the dip point and the sensitivity (A) from measurement results.
４－３－５． THz-TDS による全アミノ酸の誘電率実部の測定結果
本章では、タンパク質を想定した仮想物質を用いた計算を行った。 仮想物質の誘電特性 を決めるため、初めに、タンパク質を構成する全 20 種類のアミノ酸の誘電率実部の測定を
THz-TDSにより行った。 Table 4-5に結果を示す。 表には、各アミノ酸について、4つの周
波数（ 0.5、1.0、1.5、2.0 [THz] ）における誘電率実部 ε’ の測定結果を示した。 これらの 結果から、20 種類のアミノ酸の誘電率実部は、アミノ酸の種類や周波数によって多少の違 いはあるものの、その差は小さく、テラヘルツ領域では誘電率実部は 3 付近の値をとること がわかった。
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Table 4-5 Measured real part of complex dielectric constant in THz region of
20 kinds of amino acids using THz-TDS.
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Table 4-6 Comparison of calculation results of frequency of dip point when virtual materials with different tanδ are arranged on MMD surface with different thickness.
４－３－６． 仮想物質の誘電特性を変えた場合の計算結果
本節では、仮想物質の誘電特性を変えた場合の計算結果を示した。 初めに、誘電正接 を変えた場合の結果を示す。 Table 4-6 に、比誘電率 εr が3、誘電正接がtanδ = 0、0.001、
0.01、仮想物質の厚みがt [nm] = 0、10、20、30の仮想物質を3種類のMMD（f40、f100、
f150）表面に配置した時のディップ点の周波数[THz]の計算結果を示す。 これらの結果から、
tanδ が変わってもディップ点の周波数は殆ど変化しないことがわかった。 また、Fig. 4-10
に、厚み t が30[nm]、比誘電率 εr が3、誘電正接がtanδ = 0、0.001、0.01、0.1、の仮想物 質を『f100』表面に配置した時のディップ波形付近の電磁波透過特性の計算結果を示す。
横軸は周波数[THz]、縦軸は透過率[%]とした。 黒線でtanδ = 0、青線でtanδ = 0.001、緑線 でtanδ = 0.01、赤線でtanδ = 0.1の結果を示した。 これらの結果から、tanδ = 0.1で若干の 透過率の低下が見られるものの、それ以外の変化は殆ど生じていないことがわかった。
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