特開 2024-162486 測定システム及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024162486

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】測定システム及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/64 20060101AFI20241114BHJP

   G01K 11/20 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

G01N21/64 A

G01K11/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023078033

(22)【出願日】2023-05-10

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）、「界面接触の評価および残留気泡と熱輸送との相関の解明」に関する委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】元祐 昌廣

【テーマコード（参考）】

2G043

【Ｆターム（参考）】

2G043AA03

2G043AA06

2G043CA07

2G043DA06

2G043EA01

2G043HA07

2G043HA09

2G043LA03

2G043NA01

2G043NA11

(57)【要約】

【課題】蛍光異方性を用いて試料の温度情報と厚さ情報とを算出することが可能な測定システム及びプログラムを提供する。
【解決手段】光源からの光を直線偏光に変換する励起側偏光子と、前記直線偏光により励起された蛍光性分子から発生する蛍光を、励起光に対して平行及び垂直な直線偏光に変換する蛍光側偏光子と、前記蛍光側偏光子で変換した直線偏光の蛍光の強度を検出して蛍光強度情報を持った電気信号に変換する検出器と、前記検出器からの電気信号に基づいて試料の蛍光異方性を算出する蛍光異方性算出部と、前記蛍光異方性算出部により算出した蛍光異方性に基づいて、前記試料の厚さ情報及び温度情報を測定する測定部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの光を直線偏光に変換する励起側偏光子と、
前記直線偏光により励起された蛍光性分子から発生する蛍光を、励起光に対して平行及び垂直な直線偏光に変換する蛍光側偏光子と、
前記蛍光側偏光子で変換した直線偏光の蛍光強度を検出して蛍光強度情報を持った電気信号に変換する検出器と、
前記検出器からの電気信号に基づいて試料の蛍光異方性を算出する蛍光異方性算出部と、
前記蛍光異方性算出部により算出した蛍光異方性に基づいて、前記試料の厚さ情報及び温度情報を測定する測定部と、を備える測定システム。

【請求項2】

前記測定部は、前記蛍光異方性から前記温度情報を算出し、前記温度情報を用いて前記厚さ情報を算出する請求項１に記載の測定システム。

【請求項3】

前記測定部は、前記試料の温度を変化させて予め取得された温度と前記蛍光異方性との関係についての相関関係を元に、前記蛍光異方性から前記温度情報を算出する請求項１又は請求項２に記載の測定システム。

【請求項4】

前記測定部は、
前記試料の異なる厚さの流路で予め取得された厚さと前記蛍光強度との関係についての相関関係と、前記温度情報とに基づいて前記厚さ情報を算出する請求項３に記載の測定システム。

【請求項5】

コンピュータに、
平行及び垂直な直線偏光の蛍光の強度を検出した電気信号から算出された試料の蛍光異方性に基づいて、前記試料の厚さ情報及び温度情報を測定する処理を実行させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、測定システム及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液体試料に直線偏光された光を照射し、液体試料から放出される蛍光の第一偏光面における強度の検出を行い、液体試料から放出される蛍光の第一偏光面とは異なる第二偏光面における強度の検出を行い、液体試料から放出される蛍光の異方性を特定し、液体試料に係る異方性と強度の双方に基づいて、液体試料内における少なくとも一つの蛍光色素分子の濃度を特定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１５－５２１４９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、蛍光異方性を用いて、試料の温度情報と厚さ情報とを算出する点については、開示されていない。

【0005】

そこで、本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、蛍光異方性を用いて試料の温度情報と厚さ情報とを算出することが可能な測定システム及びプログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の態様の測定システムは、光源からの光を直線偏光に変換する励起側偏光子と、前記直線偏光により励起された蛍光性分子から発生する蛍光を、励起光に対して平行及び垂直な直線偏光に変換する蛍光側偏光子と、前記蛍光側偏光子で変換した直線偏光の蛍光強度を検出して蛍光強度情報を持った電気信号に変換する検出器と、前記検出器からの電気信号に基づいて試料の蛍光異方性を算出する蛍光異方性算出部と、前記蛍光異方性算出部により算出した蛍光異方性に基づいて、前記試料の厚さ情報及び温度情報を測定する測定部と、を備える。

【0007】

また、第２の態様の測定システムでは、前記測定部は、前記蛍光異方性から前記温度情報を算出し、前記温度情報を用いて前記厚さ情報を算出する。

【0008】

また、第３の態様の測定システムでは、前記測定部は、前記試料の温度を変化させて予め取得された温度と前記蛍光異方性との関係についての相関関係を元に、前記蛍光異方性から前記温度情報を算出する。

【0009】

また、第４の態様の測定システムでは、前記測定部は、前記試料の異なる厚さの流路で予め取得された厚さと前記蛍光強度との関係についての相関関係と、前記温度情報とに基づいて前記厚さ情報を算出する。

【0010】

また、第５の態様のプログラムは、コンピュータに、平行及び垂直な直線偏光の蛍光の強度を検出した電気信号から算出された試料の蛍光異方性に基づいて、前記試料の厚さ情報及び温度情報を測定する処理を実行させる。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、蛍光異方性を用いて試料の温度情報と厚さ情報とを算出することが可能な測定システム及びプログラムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の実施の形態に係る測定装置の一例の概略構成図である。

【図2】本開示の実施の形態に係る測定装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

【図3】本開示の実施の形態に係る測定装置の機能構成の例を示すブロック図である。

【図4】本開示の実施の形態に係る温度の関数の一例を説明するための説明図である。

【図5】本開示の実施の形態に係る厚さの関数の一例を説明するための説明図である。

【図6】本開示の実施の形態に係る蛍光異方性と温度情報との具体的な相関関係の一例を説明するための説明図である。

【図7】本開示の実施の形態に係る輝度と温度情報との具体的な相関関係の一例を説明するための説明図である。

【図8】本開示の実施の形態に係る測定装置による温度情報と厚さ情報との算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の実施の形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0014】

図１を用いて、本実施形態に係る測定装置１００の一例を説明する。本実施形態における測定装置１００は、試料Ｓの厚さ情報と温度情報とを測定する装置である。ここで、本実施形態では、試料Ｓは、半導体デバイスと冷却部材（ヒートシンク）との間に挿入される液体の熱界面材料（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）である。また、測定装置１００は、測定システムの一例である。なお、本実施形態における「システム」とは、単一の装置によって構成されたものとして記載したが、複数の装置によって構成されたものであってもよい。例えば、後述する装置部１０と制御部２０とを別の装置に搭載してもよい。この場合には、装置部１０を搭載する装置と制御部２０を搭載する装置とがネットワークにより接続される。

【0015】

測定装置１００は、図１に示すように、装置部１０と制御部２０とから構成される。

【0016】

装置部１０は、図１に示すように、少なくとも、光源１１と、励起側偏光子１２と、蛍光側偏光子１３と、検出器１４とを備える。ここで、図１中の点線は、光源１１からの光を示すものである。

【0017】

光源１１は、試料Ｓに光を照射するものであり、例えば、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）などにより構成される。

【0018】

励起側偏光子１２は、光源１１からの光を直線偏光に変換する偏光子である。具体的には、光源１１の照射方向の前方に設置されている。そして、励起側偏光子１２は、偏光子自体が９０度回転可能に設けられ、垂直（Ｚ軸）または水平（Ｙ軸）方向に偏光方向を変更可能としている。ここでは、偏光子の偏光方向が垂直である場合について説明する。励起側偏光子１２には光源１１からの光束が入射して、この偏光子から所定の偏光方向の直線偏光が出射する。直線偏光された光は、本実施形態では、励起フィルタ１５（ＥｘＦ：Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒ）を通過し、ダイクロイックミラー（ＤＣＭ：ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）１６で反射されて、試料Ｓに入射する。なお、試料Ｓへは、対物レンズを通した光が入射するようにしてもよい。そして、試料Ｓに入射された光により蛍光性分子が励起される。

【0019】

蛍光側偏光子１３は、試料Ｓにより放出され、直線偏光により励起された蛍光性分子から発生する蛍光を、励起光に対して平行及び垂直な直線偏光に変換する。また、本実施形態では、試料Ｓからの蛍光は蛍光フィルタ１７（ＥｍＦ：Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒ）を通過し、ミラー１８で反射されて、蛍光側偏光子１３に入射する。

【0020】

検出器１４は、蛍光側偏光子１３で変換した直線偏光の蛍光の強度を検出して蛍光強度情報を持った電気信号に変換する。

【0021】

制御部２０は、検出器１４からの電気信号に基づいて試料Ｓの蛍光異方性を算出する。また、算出した蛍光異方性に基づいて、試料Ｓの厚さ情報及び温度情報を測定する。

【0022】

なお、本実施形態では、光源１１と、励起側偏光子１２と、蛍光側偏光子１３と、検出器１４は、既知のものを用いている。

【0023】

図２は、本実施の形態に係る測定装置１００の制御部２０のハードウェア構成を示すブロック図である。

【0024】

図２に示すように、本実施の形態に係る測定装置１００の制御部２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０３、記憶部１０４、及び入出力Ｉ／Ｆ（ＩｎｔｅｒＦａｃｅ）１０５を備えている。各構成は、バス１０６を介して相互に通信可能に接続されている。

【0025】

ＣＰＵ１０１は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２又は記憶部１０４からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１０３を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２又は記憶部１０４に記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。本実施形態では、ＲＯＭ１０２又は記憶部１０４には、プログラムが格納されている。

【0026】

ＲＯＭ１０２は、各種プログラム及び各種データを格納する。ＲＡＭ１０３は、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。記憶部１０４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はフラッシュメモリ等により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、及び各種データを格納する。

【0027】

ここで、本実施の形態における記憶部１０４に記憶される情報としては、例えば、蛍光異方性、後述する温度の関数ｆ（Ｔ）、厚さの関数ｇ（ｄ）などがある。

【0028】

入出力Ｉ／Ｆ１０５は、装置部１０と通信するためのインタフェースである。

【0029】

次に、測定装置１００の制御部２０が実現する機能構成について説明する。
図３は、制御部２０のＣＰＵ１０１の機能構成の例を示すブロック図である。

【0030】

図３に示すように、制御部２０は、機能構成として、蛍光異方性算出部１１０、温度情報測定部１１１、厚さ情報測定部１１２及び出力部１１３を有する。各機能構成は、ＣＰＵ１０１がＲＯＭ１０２又は記憶部１０４に記憶されたプログラムを読み出し、実行することにより実現される。

【0031】

蛍光異方性算出部１１０は、検出器１４からの電気信号に基づいて試料Ｓの蛍光異方性を算出する。

【0032】

蛍光異方性は、一般的に次の数式（１）で定義される。

【数1】

【0033】

ここで、ｒは蛍光異方性、Ｉは蛍光強度（輝度）、ＶＶは垂直励起、垂直放射、ＶＨは垂直励起、水平放射を示す。すなわち、Ｉ_ＶＶは、検出した発光の垂直偏光励起と垂直偏光による強度を示し、Ｉ_ＶＨは、励起に対して垂直偏光子を使用し、発光に対して水平偏光子を使用したときの強度を示す。

【0034】

温度情報測定部１１１は、蛍光異方性算出部１１０が算出した蛍光異方性から温度情報を算出する。
具体的には、試料Ｓの温度を変化させて予め取得された温度と蛍光異方性との関係についての相関関係を元に、蛍光異方性から温度情報を算出する。ここで、蛍光異方性の情報を用いると、試料Ｓの厚さの影響を受けないで温度情報を得ることが可能であることが知られている（「Puneet Jain, Takuya Aida, Masahiro Motosuke, Fluorescence anisotropy as a temperature sensing molecular probe using fluorescein, Micromachines, Vol. 12, No. 9, 1109 (2021).」参照）。そのため、蛍光異方性を算出することで、試料Ｓの温度情報を算出することが可能となっている。ここで、温度情報測定部１１１は、測定部の一例である。

【0035】

厚さ情報測定部１１２は、温度情報を用いて厚さ情報を算出する。
具体的には、試料Ｓの異なる厚さの流路で予め取得された厚さと蛍光強度との関係についての相関関係を元に、検出器が算出した蛍光強度から算出した厚さ情報を算出し、当該厚さ情報を温度情報により補正する。具体的な厚さ情報の算出については後述する。ここで、厚さ情報測定部１１２は、測定部の一例である。

【0036】

出力部は、温度情報測定部１１１と厚さ情報測定部１１２の測定結果を出力する。ここで、出力は、記憶部１０４に記憶することや、ディスプレイ（図示せず）に表示すること、外部の装置に記憶すること、メールを送信することなどを含む。

【0037】

次に、制御部２０による、温度情報と厚さ情報の算出について説明する。
前提として、試料Ｓの温度を変化させて予め取得された温度と蛍光異方性との相関関係と、試料Ｓの異なる厚さの流路で予め取得された厚さと蛍光強度との関係についての相関関係を取得する。すなわち、試料Ｓによって蛍光異方性が異なることから、温度情報と厚さ情報とを算出する試料Ｓの性質を調べる。

【0038】

まず、実験（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）により輝度（蛍光強度を基準とした輝度）を取得する。ここで、実験で取得する輝度Ｉ（Ｔ，ｄ）は，ある基準温度、基準厚さにおける輝度をＩ_ｒｅｆとすると、以下の数式（２）のように表すことができる。

【数2】

【0039】

ここで、ｆ（Ｔ），ｇ（ｄ）は、基準温度を１、基準厚さにおける輝度を１、とした場合の、温度のみを変化させた場合の正規化輝度、厚さのみを変化させた場合の正規化輝度であり、ｆ（Ｔ）は温度の関数、ｇ（ｄ）は厚さの関数である。

【0040】

そして、実験により取得されたｆ（Ｔ）とｇ（ｄ）について、図４にｆ（Ｔ）を、図５にｇ（ｄ）を、それぞれ示す。すなわち、図４に示すように、試料Ｓの温度が上がると輝度が下がることから、蛍光異方性は温度に依存することが分かる。また、図５に示すように、試料Ｓの厚さが増えると輝度が上がることから、蛍光異方性は厚さに依存することが分かる。また、図６に、実験により取得された温度のみを変化させた場合の試料Ｓの蛍光異方性と温度情報との具体的な相関関係を示す。また、図７に、実験により取得された厚さのみを変化させた場合の試料Ｓの輝度と厚さ情報との具体的な相関関係を示す。これにより、実験により試料Ｓの温度又は厚さを変化させることで、予め取得された温度と蛍光異方性との相関関係、厚さと蛍光異方性との相関関係が算出可能である。

【0041】

そして、数式（２）の両辺をＩ_ｒｅｆで除すと、以下の数式（３）となる。

【数3】

【0042】

実験的に得た校正式を用いたｇ（ｄ）の逆関数ｇ^-1（ｄ）を導入すると、厚さｄは、以下の数式（４）で与えることができる。

【数4】

【0043】

ここで、ｆ（Ｔ）は温度Ｔが分かれば図４のフィッティング曲線（Ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ）より求めることができ、図６のフィッティング曲線を利用することで、蛍光異方性を用いて温度Ｔを取得できるため、ｆ（Ｔ）を既知とすることができる。そして、上記の数式（４）を元に、厚さｄを算出することができる。

【0044】

次に、図８を用いて測定装置１００の作用について説明する。図８は、測定装置１００による温度情報と厚さ情報との算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。ＣＰＵ１０１がＲＯＭ１０２又は記憶部１０４からプログラムを読み出して、展開して実行することにより、当該処理が行なわれる。

【0045】

ステップＳ１００において、測定装置１００のＣＰＵ１０１（蛍光異方性算出部１１０）により、蛍光異方性を算出する。そして、次のステップＳ１０２に進む。

【0046】

ステップＳ１０２において、測定装置１００のＣＰＵ１０１（温度情報測定部１１１）により、ステップＳ１００で算出した蛍光異方性算出部１１０に基づいて、試料Ｓの温度情報を算出する。そして、次のステップＳ１０４に進む。

【0047】

ステップＳ１０４において、測定装置１００のＣＰＵ１０１（厚さ情報測定部１１２）により、ステップＳ１０２で算出した温度情報を用いて、試料Ｓの厚さ情報を算出する。そして、次のステップＳ１０６に進む。

【0048】

ステップＳ１０６において、測定装置１００のＣＰＵ１０１（出力部１１３）により、ステップＳ１０２で算出した試料Ｓの温度情報と、ステップＳ１０４で算出した試料Ｓの厚さ情報とを出力する。そして、処理を終了する。

【0049】

すなわち、蛍光分子の発光強度は、計測領域内の分子数に比例するため、蛍光分子の濃度が均一だと、液体層の厚さに比例する。そのため、蛍光強度から厚さの計測は可能であるが、発光強度は液温にも依存するため、液温が異なると厚さの計測をすることができない。しかし、蛍光異方性の情報を用いると厚さの影響を受けない温度を計測することができることが知られている。そこで、本実施形態では、蛍光異方性の情報から計測した温度を用いることで、蛍光強度の温度の依存性を排除した厚さの計測することができるようにした。これにより、温度の計測に加え、追加の実験などをする必要がなく、厚さの計測も同時に行うことが可能となる。

【0050】

なお、本開示は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

【0051】

上記実施形態では、プログラムがＲＯＭ１０２又は記憶部１０４に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

【符号の説明】

【0052】

１１ 光源
１２ 励起側偏光子
１３ 蛍光側偏光子
１４ 検出器
１００ 測定装置
１１０ 蛍光異方性算出部
１１１ 温度情報測定部
１１２ 厚さ情報測定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】