1. はじめに

 さまざまな分野において、試料中に含まれる特定の化学種（イオンや分子）の分布を観察・定量したいという需要があるが、そうした場合の第一選択肢は光学的な観察手法であるといえる。測定したい化学種が有色の場合はもちろん、そうでない場合も何らかの呈色反応や発光現象を利用することができれば標的化学種の濃度分布を可視化することができる。医学・生物学分野では古くから標本の染色が用いられ、さまざまな染色法や色素が開発されてきたが、さらに近年はデジタルカメラの性能向上により高解像度・高精細の画像や動画を高感度に得ることができ、顕微鏡や分光学的手法との組み合わせも容易である。
 一方、何らかの制約から光学的な観察手法が適さない応用も存在する。生体試料における色素の毒性が問題となるケースはその一例である。また、試料に光を当てると反応してしまう場合や、空間的な制約から光学系を用いることができない場合もある。そのような場合に適用できるセンサ技術の1つとして、本稿では光走査型の半導体化学イメージセンサについて紹介する。

2. 半導体化学センサデバイス

2.1　ISFET

 半導体デバイスを用いた化学センサとしては1970年にBergveldが提唱したイオン感応性電界効果トランジスター（Ion-sensitive field-effect transistor; ISFET）が実用的にも広く普及している[1]。ISFETは図1(a)のようにMOS型電界効果トランジスター（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor; MOSFET）のメタルゲートを除去して絶縁膜表面が露出した構造を有し、これをセンサ面として試料溶液と直接接触させることにより、標的化学種の濃度に応じた電位差が表面に生じる。絶縁膜表面の電位に応じて半導体中の電荷分布が変化し、ソース－ドレイン電極間のコンダクタンスが増減することを利用して信号を読み出す。ポータブルなpHセンサとして市販されているほか、センサ面を感応膜で修飾することによってさまざまな化学種に対応した化学センサ・バイオセンサが開発されてきた。

2.2　LAPS

 その後、1988年にHafemanらによって提唱されたのがLAPS (light-addressable potentiometric sensor) である。LAPSの場合も、標的化学種の濃度に応じて絶縁膜表面の電位が変化し、半導体中の電荷分布が変わるところまではISFETと同じであるが、それを読み出すために半導体を光照射して発生する光電流を用いる点が異なる。光はセンサ面の上方から（すなわち試料溶液を透過する形で）照射することもできるが、それとは反対側のセンサ裏面から照射することもでき、その場合、試料そのものには光が当たらない（図1(b)）。
 ISFETと比較した場合、LAPSは以下の特長を有する。(1)ISFETの測定領域はゲート領域に固定されるが、LAPSの測定領域は光を照射する範囲を変えることで自由に定義できる。そのため、1枚のセンサ上に多数の測定点を設けて複数の検体を測定したり、あるいは1枚のセンサ上に異種感応膜を集積して複数の化学種を標的とするマルチアナライトセンサを作製することが可能である。(2)ISFETを製造するためには、トランジスター構造を形成して配線する工程が必要であるが、LAPSは半導体基板上に絶縁膜を堆積しただけの単純な構造を有する。センサを消耗品として扱わなければならない応用（使用環境のためにセンサ面が劣化しやすい場合や、衛生管理上ディスポーザブル使用が不可欠な医療用途等）において、センサを安価に製造できることは大きな利点である。(3)シリコンウェハ全面を測定領域として用いることができるので大型試料に対応できる。
 ISFETとLAPSは最終的な信号の読み出し方法が異なっているが、両者ともセンサ面上で標的化学種の濃度に応じた電位を発生させる機構は共通であるため、ISFETで使われてきた絶縁膜や感応膜の多くはLAPSにおいても利用可能である。LAPSのセンサ面上にイオノフォアを含む感応膜を作製することによってさまざまなイオン種の濃度測定が行われているほか、酵素反応や抗原－抗体反応、DNAのハイブリダイゼーション、アプタマーによる分子認識などバイオセンサへの応用も盛んに研究されている[3]。

2.3　化学イメージセンサ

 上述のとおり、LAPSは1枚のセンサで多検体あるいは多項目の測定に対応可能な技術として考案されたものであるが、これを標的化学種の濃度分布の可視化に応用したものが本稿で紹介する光走査型化学イメージセンサである[4,5]。なお、これとは別に集積回路技術を用いてISFETをアレイ状に並べて配線したもの[6]やCCD技術を用いた化学イメージセンサデバイス[7]も開発されている。
 光走査型化学イメージセンサシステムの典型的な構成の模式図を図1(c)に示す。レーザー光を1点に集光する光学系を備え、XYステージまたはミラースキャナでセンサ裏面を光走査する。光電流信号はセンサ裏面のオーミック電極から取り出し、トランスインピーダンスアンプで電圧信号に変換したのちAD変換を行ってPCに収録する。励起光は一定の周波数で変調されており、光電流信号に含まれる当該周波数成分をロックイン検出し、各画素位置での信号を記録して標的化学種の濃度分布画像を生成する。空間的な分解能は集光系の性能と半導体中におけるキャリアの拡散距離によって決まり、最も高い場合でサブミクロン程度である。
 一方、時間的な分解能に関しては、走査型の手法であるため各画素データを逐次的に収集する場合、画素数に比例した時間を要するという問題がある。例えば1画素あたり10ミリ秒の測定であっても、128×128画素の測定には約3分の時間を要する。そこで考案されたのが周波数多重型の測定システムである。各画素位置をそれぞれ異なる周波数で変調された多数の光で同時に照明することにより、各周波数成分が重畳した光電流信号が得られ、これを各周波数成分に分解すれば全画素位置のデータを同時に取得できる。現在までに64チャネルの周波数多重化で毎秒200コマの動画記録あるいは毎秒30コマのリアルタイム画像生成が達成されている。

次回に続く－

【著者紹介】
吉信　達夫（よしのぶ　たつお）
東北大学 大学院 医工学研究科 バイオセンシング医工学分野 教授

1. はじめに

 工場や発電所といった施設の配管や、自動車や航空機の部品、さまざまな電気機械に用いられる電子部品など、それ自体を壊すことなく、欠陥や劣化の状況を検査する非破壊検査技術は、保守検査や製品評価が広く求められるようになった昨今、あらゆる場面でその重要性を増している。非破壊検査の手法としては、人が目で直接物体を確認する目視検査や、放射線を透過させ得られた撮影像を調査する放射線透過検査などがあり、超音波を試験体に伝搬させ、欠陥から反射した反射波（エコー）の強さと反射の範囲を元に、傷の大きさや形状を推定する超音波探傷検査もその一つである。
 超音波探傷検査は、微小な亀裂や剥離を検出することができるという特徴を有する。手順としては、探触子を対象に当てて照射を行い、超音波を発生・伝搬させて、その超音波信号を読み取るというものである。そのため探触子を当てることが困難な複雑な形状の対象の検査や広い範囲の検査には不向きであったり、受信した超音波信号が傷の有無とその程度によってどのように変化するのかという専門知識が要求されるといった難しさもある。
 一方、本稿で紹介するレーザー超音波可視化検査技術は、上記の超音波探傷検査におけるデメリットをクリアする、当社発の世界初となる技術である。すなわち、直接探触子を当てるのではなく、離れた場所からレーザーを照射することで超音波を発生させるため、安全に、かつ対象の形状を問わず検査が可能であり、反射波の伝搬の様子をその場で動画映像化し、波の乱れの有無を確認すればよいため、専門知識がなくとも分かりやすく、すぐに欠陥の発見が可能となる。
 本稿では、このレーザー超音波可視化検査技術の基本原理について説明したのち、実際の検査例を紹介する。

2. レーザー超音波可視化検査技術の基本原理

 レーザー超音波法とは、レーザー光を用いて対象物での超音波発生や検出を非接触で行う技術である。
 仕組みとしては、検査対象にレーザーを照射すると、照射された部分ではレーザーの高密度エネルギーによって生じた熱歪みにより超音波が発生し、検査対象上を伝搬する。その超音波信号を「接触式計測」では対象物に取り付けた圧電受信センサ（最大8個）で、「非接触計測」では非接触で受信可能なレーザードップラー振動計などを用いて検出し、検査データを取得して、パソコンのハードディスクに記録する。そして検査データを再構成することで、画面上で超音波の伝搬の様子を動画で視ることができるため、波の乱れから欠陥や異常の有無を検出することができるのである。
 このレーザー超音波可視化探傷技術を用いた非破壊検査装置が、当社が開発・製造・販売するレーザー超音波可視化検査装置（Laser Ultrasonic Visualizing Inspector, LUVI）である。
 LUVIのシステム構成図を図1に示す。LUVIでは、レーザーとガルバノミラーと高速A/D変換器を利用した同期システムにより、最大8,000照射点/秒のレーザー走査速度を実現している。例えば、標準的な200×200走査点の計測を走査速度4,000照射点/秒で行えば、僅か10秒のレーザー走査で動画映像を生成できる。
 以降では、このLUVIによる検査応用事例について紹介する。

次回に続く－

【著者紹介】
鈴木　修一（すずき　しゅういち）
つくばテクノロジー株式会社　常務取締役　兼　開発製造部部長

■略歴
1992年日本大学卒。計測機器メーカーの開発部門に20年間勤務し、計測機器のハードウェア及びソフトウェア開発業務に従事。2012年よりつくばテクノロジー株式会社にて、開発・製品化・製造全般を担当。第6回ものづくり日本大賞優秀賞受賞。

1.

 生体内で起きる様々な生理現象や生体機能を理解するためには、生体内の分子の分布や状態、さらには分子同士が形成する高次の構造体やオルガネラなどを高い時空間分解能で可視化することが重要である。17世紀に光学顕微鏡が開発され初めて生命現象が可視化された後、様々な光学に基づく可視化技術の開発が行われてきた。この背景には、近年のレーザー技術や光検出素子、光学フィルタ、計算処理技術など、さまざまなテクノロジーの進歩がある。特に、波長が400〜800 nmの可視光を利用した光学顕微鏡は多様な分子物性を示す光と物質の相互作用を高い空間分解能で観察できるため、生命科学から医学や歯学など広範な分野で応用されている。。
 図1は、COS7細胞の光学顕微鏡像である。読者の中にも、細胞の光学顕微鏡像を見たことがある方が多いと思われる。光学顕微鏡は当たり前のように使用されているが、細胞の形状やオルガネラの観察が鮮明にできるのは、光学顕微鏡の空間分解能が光の回折限界によって決まるからである。回折限界は、おおよそ光の波長の半分程度、つまり光学顕微鏡の空間分解能は約400 nm程度である。動物細胞では、数十μm程度の外形に数μm程度のオルガネラや小器官が存在し、シアノバクテリアのような原核微生物であってもせいぜい1μm程度の大きさである。このサブミクロンという高い空間分解能により、光学顕微鏡で細胞やバクテリアを鮮明に観察することができる。一方で、明視野顕微鏡や位相差顕微鏡といった通常の光学顕微鏡で可視化できる物性は、屈折率や誘電率、透過率などの違いである。これらは、細胞内の構造を可視化できる場合もあるが、分子特有の光学信号ではないため、細胞内の分子を区別することや分子の状態を観察することは難しく、生命現象や医学的に有意な知見を得ることは難しい場合が多い。

2.

 生命科学や医学分野において、最も一般的で広く用いられている光学顕微鏡に基づく可視化技術は蛍光顕微鏡である。蛍光顕微鏡では、標的分子に蛍光を発する分子を標識し、その蛍光を計測することで、分子選択的なイメージングが可能となる。蛍光は励起断面積が大きく明るい光学信号であるため、高い信号対雑音比と高い時間分解能を持ち、細胞内の分子ダイナミクスを可視化する強力な顕微鏡である。蛍光は励起断面積が大きく明るい光学信号であるため、蛍光顕微鏡は高い信号対雑音比と高い時間分解能を持ち、細胞内の分子ダイナミクスを可視化する強力な顕微鏡である。、蛍光分子を細胞内の分子に標識することによる生体機能の阻害や、蛍光の退色により長時間観察ができないという課題も存在する。そのため、蛍光標識を必要としないラベルフリーな計測法の開発も重要視されてきた。
 ラベルフリーかつ分子選択性の高い可視化技術の代表的な手法は、振動分光顕微鏡である（ラマン顕微鏡、中赤外顕微鏡）。ラマン分光法や中赤外分光法では、分子振動を反映する光学効果（ラマン散乱・赤外吸収）を計測することで、細胞内のタンパク質や核酸などの分布をラベルフリーで可視化できる。また、分子の振動情報を直接観察できるため、生体内での分子の化学構造変化や官能基に関する情報も分析できる。特に、可視光を利用したラマン分光法はサブマイクロ空間分解能を実現でき、細胞内のタンパク質や脂質の物性の可視化や、ミトコンドリアや細胞核などの細胞内小器官の可視化などに広く応用され、生命科学の領域において新たな展開をもたらしてきた[1]。しかしながら、ラマン散乱光の散乱断面積は小さく（約10-30程度）微弱な光信号なので、１枚の画像を撮像するには少なくとも数十分から数時間を要する。そのため、細胞内の分子のダイナミクスや生きた試料の観察は困難である。また、散乱断面積の小ささは検出できる分子の濃度が高いことを意味し、細胞内で分子が高濃度に存在する成分からのラマン散乱しか検出できないという課題もある。近年、非線形光学効果を利用したコヒーレントラマン顕微鏡の開発も進んでおり、高速なラマンイメージングが可能となった。しかし、高強度のパルス光を使用するため、生体への光ダメージが懸念される点や、検出できる分子濃度が劇的に向上しない点など、解決されていない課題も依然として存在する。
 その点、中赤外吸収分光はラマン分光に比べて吸収断面積が8桁以上も高いため、低濃度の成分でも検出できるという特長がある。また、光学応答の効率が高いということは、高速イメージングも可能であるということであり、生体イメージングにおいて非常に大きなポテンシャルを持っている。また、本稿では詳細には触れないが、ラマン散乱に比べて中赤外吸収分光は生体内で重要な分子、例えばタンパク質や核酸の分子構造や物性を感度高く分析できるため、生体機能の解明に適した可視化技術である。しかしながら、前述の通り、顕微鏡の空間分解能は使用する光の波長によって決まる。中赤外顕微鏡で使用される波長は3〜20 µmであるため、空間分解能は約10 µm程度に制限される。細胞内の分子複合体やオルガネラを観察するためには、少なくともサブマイクロメートルの空間分解能が必要であることは、可視光を利用した光学顕微鏡像からも明らかである。また、水は中赤外光を吸収するため、溶液中の細胞やバクテリアの中赤外分光分析は困難である。これらの課題を克服することができれば、細胞内の分子ダイナミクスをそのままの状態で観察し、生命科学、医学、歯学などのバイオメディカル応用が拓かれると筆者らは考えた。

次回に続く－

【著者紹介】
加藤　遼（かとう　りょう）
徳島大学 ポストLEDフォトニクス研究所　特任助教

1　はじめに

私たちの身の回りには、多くの電子機器から発する見えない電磁波（ノイズ）が飛び交っている。
その電磁波の強度（レベル）が小さければ問題は無いが、大きいと様々な障害を与える可能性がある。
例えば、飛行機内でスマートフォンやタブレット端末を利用する際には、電波を発さない状態（機内モード）にしなければならないが、それは機内に搭載している電子機器が誤作動を引き起こしたり、離着陸時の通信障害を与えたりする可能性があるからである。
このような周囲の電子機器に悪影響を及ぼす原因となる電磁波を電磁妨害波と呼び、電磁妨害波が他の電子機器に与える現象を電磁干渉（EMI : Electromagnetic Interference）と呼ぶ。
EMIによる様々な電子機器間のトラブルを防止するために、国や地域を超えた国際規格と各国が定めた国内規格が存在し、製品を流通させるためには、それぞれの規定をクリアしなければならない。
規格では、機器から空中に放射される電磁界の強度を測定するエミッション測定という測定方法が示されており、規定の強度内に収まっていることが求められる。
このエミッション測定は、電波暗室と呼ばれる外部からの余計な電磁波を遮断し、被測定物から輻射される電磁波のみを測定できる特殊な部屋で行われ、高額の費用が発生する（図1）。
また、測定結果が規定レベルに入らなかった場合は、何らかの対策を講じて規定に入るまで何度でも測定を行わなければならず、多くの電子機器メーカーはその手間とコストに悩まされている。
当然、設計段階で独自の設計ルールに基づいて電磁波を抑える配慮を行っているが、様々な要因で予期しない電磁波が発生することもある。それを抑えるために一箇所対策を行ってもまた別の問題が発生する「もぐらたたき」になることも珍しくなく、対策には充分な知識や経験、勘といった専門性の高いスキルが求められる。なによりその行為を難しいものにしている大きな要因が「電磁波が見えない」ということである。また、対策は仮説を立てて検証を行うのが一般的であるが、測定作業というハードルが高いため、そのサイクルを簡単に回せないというのも対策行為を困難にしている。
この問題の解決手法の一つとして、見えない電磁波を手軽に分かりやすく可視化する電磁波可視化システム（可視化技術を利用した近傍電磁界測定システム）を開発した。
空間電磁界可視化システム：https://www.noiseken.co.jp/products/rfsys/emission-measurement-system/2273/

2　システム概要

本システムは、電磁界プローブで測定したデータと被測定物の実画像を重ね合わせることで、電磁波の発生箇所を手軽に可視化するシステムを目的としており、電磁波を捉えるプローブとそれを解析するスペクトラムアナライザやオシロスコープ、データを処理するPC、そして被測定物を写すWebカメラと比較的安価で入手可能な製品で構成している（図2）。

＜測定方法＞
被測定物をカメラで写し、その上を電磁界プローブで手動測定を行う。
測定を行った箇所は、予め設定した電界強度に合わせた色を実画像上に重ね合わせて表示する（図3）。

3　可視化技術の説明（原理）

本システムの電磁界可視化は大きく分けて、電磁界プローブの位置認識、電磁界プローブの信号解析、位置と信号解析結果による色分け表示の3つの要素からなる。各要素を以下で説明する。

3-1　電磁界プローブの位置認識

本システムにおいて電磁界プローブの位置認識は色を用いて行う。あらかじめ電磁界プローブのセンサ部に色の付いたスポンジ等を被せることにより、プローブを色認識できるようにしておく。画像認識はリアルタイムで監視を行い指定された色（色相、彩度、明度）を元に検出し、重心を求めることで電磁界プローブの2次元位置を割り出している。
電磁界プローブの認識率を上げるために、なるべく鮮明な画像にしておくことや、プローブの色が他と重なっていない色に指定し、反射光が映り込まないことなどが求められる（図4）。

3-2　電磁界プローブの信号解析

電磁界プローブの信号に対してスペクトラムアナライザやオシロスコープ等の計測器を用いて電磁界強度と周波数の解析を行う。多くのスペクトラムアナライザが採用している掃引型には掃引時間が存在し、この掃引時間中に電磁界プローブの位置が移動すると、異なる位置の信号が含まれてしまい正確なデータとはならない。そのため電磁界プローブの位置が移動した場合にはデータの破棄を行う。

3-3　位置と信号解析結果による色分け表示

電磁界プローブで測定した信号を強度に応じた色分けで実画像に重ねて表示することで、今まで見えなかった電磁界の可視化を実現する。
電磁界を色分けした画像（電磁界分布画像）には測定区画の分解能が存在し、予め実画像に区画割を行い区画単位で色分けを実施している。区画のサイズは測定物の大きさ、電磁界プローブの大きさ及び希望の分解能によって決定する（図5）。

3-4　測定における留意点

本システムでは電磁界プローブを用いて手動で測定するため、測定には再現性の確保と処理速度が課題となる。
電磁界プローブは様々な大きさが存在しており、周波数や向きによる感度特性がある。そのため、適切な感度を得ることができるプローブを選択し、再現性が確保できるように同一条件（機器の動作モードや、被測定物の距離や向き)で測定する必要がある。
また、外来から飛び込んでくる電磁波にも気を付けなければならない。事前に外来の電磁波を確認し、被測定物からの電磁界と切り分ける必要がある。
電磁界プローブは非接触で測定しているため、機器へ影響を与えずに簡単に測定ができるというメリットがある反面、上記のように測定に気を使わなければならない。
処理速度に関しては、画像処理に要するプログラム上の処理時間は殆ど無視できるレベルであり、スペクトラムアナライザの処理時間（データ送受信時間含む）が殆どである。ある一定の速度を確保できないと測定者がストレスに感じるため、スペクトラムアナライザのスペックが重要となる。
最後に機器から発生する電磁波は定常的に発生しているとは限らない。時間で変化する場合もあるため、測定者は電磁波データを観察しながら測定を行う必要がある（そのタイミングから電磁波の発生元が分かる場合もある）。

なお、本技術は特許第5589226号の技術を使用している。

次回に続く－

【著者紹介】
根津　伸丞（ねづ　しんすけ）
株式会社ノイズ研究所　商品開発部　商品開発３課　課長

■経歴
2000年　株式会社 ノイズ研究所 入社 EMC機器のソフトウェア開発に従事。
ソフトウェアチーム開発責任者。
現在に至る。