MWE2014 WS11-02

Terahertz technology for bio-sensing applications

Yuichi OGAWA

Debye

ATR ATR

Abstract A part of electromagnetic waves, the range from 30 µm to 3 mm wavelength, is called “Terahertz waves” and it has both characteristics of radio wave and light wave. Because it is unexplored regions, it is expected to open up new industrial applications. In this presentation, I introduce the evaluation of water dynamics in the living cell and sensor applications of metallic mesh device. These new studies suggest that terahertz waves have attractive possibilities for bio-sensing applications.

1 ATR (a)ATR (b)

(c)

2

1. はじめに テラヘルツ波とは、概ね 30 µmから３㎜までの波

長を有する電磁波を指し、電波と光波の中間に位置

する電磁周波数帯であることから、紙や発泡スチロ

ールなどに対して透過性を示すと共に、分光学的に

回転モードや分子間振動などが直接観測できること

から、セキュリティや天文学、物性評価などさまざ

まな場面での応用が期待されている 1)。そのような

中、我々はテラヘルツ波の応用を目指した研究とし

て、細胞内の水分子の挙動を詳細に計測できる技術

を開発して細胞のアクティビティーを評価する研究2)や、波長程度の周期サイズを有する金属周期構造体

が、電磁波を局在する現象を利用したセンサ 3)によ

る、任意のタンパク質や細菌を検出する技術を研究

している。そこで本報では、この２つの技術につい

て紹介し、テラヘルツ波技術を応用する場合の考え

方や、応用方法を提案する。

2. 細胞内水分子のダイナミクス評価 4) 細胞内の水分子は、細胞内生体分子の活動に不可

欠であることから、これら水分子の振る舞いが細胞

の活性に大きく関連していると考えられている。具

体的には、水のダイナミクスは細胞が生きることに

不可欠な細胞内の拡散速度や生体高分子のコンフォ

メーション、酵素反応等と密接に関連していること

が知られている。そのため、細胞内の水を理解する

ことで細胞の状態を評価する試みが続けられており、

核磁気共鳴（NMR）を利用した研究が報告されている。しかし今日でも、水分子の振る舞いや生体反応

への機序は謎に包まれている。我々は、その理由を

結合水よりも高速で運動している細胞内の大半（残

りの 85％）を占めるバルク水のダイナミクスが理解できていないためだと考えている。つまり、この瞬

間的な水素結合ネットワークで形成されるバルク水

の回転運動は、ピコからサブピコ秒（10-12 〜10-13 s）の時間スケールでの運動 5)である。生体分子の近傍

における水和水のこれらのダイナミクスはナノ秒の

タイムスケールと遅いため、従来の NMRおよびマイクロ波誘電分光法などでこれらを検出できるが、ピ

コ秒からサブピコ秒のタイムスケールになると直接

測定することが困難となる。 近年、テラヘルツ帯の全反射減衰分光法を用い

た水溶液分光法が開発された 6)。1 THzの振動数は、0.16 psの回転緩和や 1.0 psの並進振動モードに相当することから、テラヘルツ帯の誘電応答は水のピコ

秒やサブピコ秒のダイナミクスについて豊富な情報

を提供することが出来る。さらに、水に比べて他の

生体高分子の誘電応答が小さく、生体分子そのもの

の吸収影響は小さい。そこで我々は、生きた細胞中

の水分子のダイナミクスを評価し、バルク水の評価

を可能とするテラヘルツ帯の誘電応答を計測できる

新しい技術を開発した 2)． テラヘルツ帯におけるヒトの生細胞の複素誘電率

を取得するために、我々は TAS7500（アドバンテスト社製）をベースにした THz TD-ATRを用いた。本システムには、ATRプリズム上に細胞培養が可能なチャンバーを持っており、チャンバーの蓋となる窓

の上部に配置された顕微鏡を使って、細胞の姿を観

察することが可能である。ここでは、DLD-1（ヒト結腸腺ガン細胞）、HEK293（ヒト胎児腎細胞）、HeLa（ヒト子宮頸ガン細胞）の３種類の細胞を使った。

また、細胞の厚さは、細胞膜を蛍光染色した後、共

焦点蛍光顕微鏡 A-1（ニコン社製）を用いて測定した値を使った。得られた各種細胞（DLD-1，HEK293，HeLa）の単層の厚さは 6.5±1.0µm， 7.5±1.0µm，7.5±1.0µmであった。これらの値は、プリズム上のエバネッセント波の浸み出し深さよりも小さいことか

ら、各種細胞の複素誘電率は、2界面モデルを使って導出した。 図３に各細胞および純水（310 K）の複素誘電率の

実部と虚部を示す。水は水素結合のネットワークで

形成された集団的な運動により、テラヘルツ帯では

ブロードな吸収スペクトルを持つことが知られてい

る。これに対し、今回得られた細胞の複素誘電応答

は、実部では低周波側において純水よりも若干大き

な値を示し、虚部は顕著に小さな値を取ることが明

らかとなった。 このように吸収を表す複素誘電率の虚部が純水よ

り小さくなった理由は、バルク水がテラヘルツ帯に

おける誘電応答が無視できるほど小さい生体分子や

小器官に置き換わり、それら周辺のバルク水が水和

水に変化したためと考えられる。一方、実部では 0.5 THz 以下のわずかな増加を除いて、ほとんど変化が見られなかった。さらに、細胞間でも DLD-1は有意に虚部が小さく、何らかの細胞の物性を反映してい

ることを示唆する結果を得た。この測定結果をフッ

ティングなどの処理を用いて詳細に調べると、低周

波側でわずかに複素誘電率の実部が純水よりも大き

な値を取った。この理由として、DLD-1 の速い緩和強度が増加したためと考えられた。通常、速い緩和

成分は、水素結合ネットワークからはじき飛ばされ

た瞬間的な非水素結合構造を持つ単独水分子の緩和

と関連づけられるため、この結果は、ヒト由来ガン

細胞中の水分子間の水素結合が純水に比べて比較的

壊れ易い状態になっていることを示唆していると考

えられる。

(a) , (b)

3. 7)

1998Ebbessen 150 nm

8)

260 µm 80 µm20 µm 48

180 µm

48 280 µm100

9)

Escherichia coli W3110

5 mL 13 mm

µ

0.5 1.0 1.5 2.00

50

100

Wavelength (µm)

Tra

nsm

ittan

ce (

%)

Frequency (THz)

600 300 200 150�������

��

��

0

2

4

6

8

10

12

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Im[!

]�Frequency [THz]�

(b) �

0

2

4

6

8

10

12

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Re[!]�

Frequency [THz]�

Distilled Water DLD-1 HEK293 HeLa

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

0.4 0.6 0.8 1.0

(a)�

0

2

4

6

8

10

12

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Im[!

]�

Frequency [THz]�

2

3

4

5

6

0.4 0.6 0.8 1.0

(b) �

Im[

]

0

2

4

6

8

10

12

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Re[!]�

Frequency [THz]�

Distilled Water DLD-1 HEK293 HeLa

(a)�

TAS75007.6 GHz 2048

10

Escherichia coli

W3110

107 mL-1

µmµm

106 mL-1

n=5

[1] , , “ : THz ,” , 71, pp. 167-172, 2002.

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ogawayu@kais.kyoto-u.ac.jp

Concentration� (mL-1)� 0� 105� 106 � 107 �Number of E.coli� ( - )� 0� 5!105 � 5!106 � 5!107 �Number / mm2� (mm-2)� 0� 3.8!103 � 3.8!104� 3.8!105 �

0.6 0.8 1.0 1.2 1.490

95

100

105 mL-1

106 mL-1

107 mL-1

Tran

smitt

ance

(%)

Frequency (THz)

0 105 106 107

34

36

38

40

Dip

freq

uenc

y sh

ift (G

Hz)

Concentration (mL-1)

0.6 0.8 1.0 1.20

20

40

60

80

100

Metallic mesh alone + Tape + E. coli

Tra

nsm

ittan

ce (%

)

Frequency (THz)

500 375 300 250Wavelength (µm)

+ Adhesion layer�