浜ホト、MEMS製造技術による超小型次世代光電子増倍管マイクロPMTを開発

浜松ホトニクス(浜ホト)は10月17日、MEMS製造技術により量産対応が可能で、小型な次世代光電子増倍管マイクロ光電子増倍管(PMT)を開発し、機器に組み込み易い電圧分割回路を内蔵したマイクロPMTアッセンブリ「H12400-01-01」と、小型高圧電源を内蔵したマイクロPMTモジュール「H12402/H12403」シリーズを発表した。

同製品では、300～850nmまでの広い波長域で、近赤外域に感度を広げたマルチアルカリ光電面のPMTに、電圧分割(デバイダ)回路を内蔵したアッセンブリと、新設計の駆動用小型高圧電源を内蔵し、従来品に比べ約1/3の容積にしたモジュールがラインナップされている。モジュールには、機器設計の自由度を考慮して、奥行きが薄いタイプ「H12402」シリーズと幅が狭いタイプ「H12403」シリーズがある。アッセンブリは、駆動用高圧電源を接続することで動作し、検出部を極力小さくして機器に組み込みやすくしている。モジュールは、+5Vの低圧電源を接続することで動作するので、PMTの扱いに慣れていないユーザーなどにも使い易くなっている。

マルチアルカリ光電面マイクロPMTの主な仕様は、有効面1mm×3mm、量子効率20%(最高感度波長420nm)、増倍率10万倍以上となっている。マルチアルカリ光電面は、昨年11月にサンプル出荷が開始された可視域に感度を持つバイアルカリ光電面と並びPMTの代表的な光電面である。マルチアルカリ光電面は、アンチモン(Sb)にナトリウム(Na)、カリウム(K)、セシウム(Cs)を反応させたもので、300～850nmまで広い波長域に感度を持ち、分光光度計やバイオ・遺伝子関連分野での蛍光計測など幅広い用途に利用されている。バイアルカリ光電面は、SbにK、Csを反応させたもので可視域に感度を持っている。この光電面の分光感度特性は、ヨウ化ナトリウム(NaI(Tl))シンチレータの発光波長と良く一致していることから、シンチレーションカウンティングによる放射線計測などに広く応用されている。

PMTは、極微弱な光の粒(フォトン)までを検出する光センサで、物理や生物など最先端のサイエンスの発見で役に立っている。通常の製品は、小型のもので直径1.5cm、長さ5cm程度の筒状の真空管で、ガラス管の中に光電面と電子増倍部、陽極で構成されている。従来のPMTは、電子増倍部などを構成する数十点もの部品を1本ずつ人の手で組み立てていたために、量産対応や小型化が困難だった。マイクロPMTは、シリコン基板を2枚のガラス基板で挟み込んだ、わずか3つの部品で構成されたシンプルな3層構造で、シリコン基板をエッチングで削り、従来の電子増倍部の電極配置と同様な構造を高い精度で形成できる。性能も、従来の光電子増倍管と同じ真空管で同じ動作原理のため同程度を確保。半導体製品と同様にプロセス処理する製造方法を採用しているため、大量受注にも対応できる。今回、独自の半導体製造技術、電子軌道設計技術、真空気密パッケージ技術、真空プロセッシング技術を総合的に利用した。中でも、MEMS技術によるところが大きいという。エッチングでは900μmの深堀加工を実現した。また、MEMS技術の陽極接合を用いてシリコン基板とガラス基板を貼り合わせている。これらにより、小型、軽量で衝撃に強いデバイスが実現し、高性能な携帯型分析機器などの開発に最適としている。

マイクロPMTの具体的な応用例としては、小型分析機器や、迅速診断キットを用いて患者の近くで診療中に簡単に測定でき、病院内の検査室で行う検査と同じ結果を得られるPOCT(臨床現場即時検査)が想定される。例えば、開業医の診察室や病棟の入院患者のベッドサイドで患者の目の前で行う検査、病院の救急救命センターや手術室での患者モニターなどがある。POCTは、迅速検査だけでなく、治療の過程や予後のモニタリング、携帯機器が開発されれば、健康維持のための予防に役立ち医療費の削減につながる。また、蚊に吸われた程度の量で血液検査ができるようになることで、患者負担が軽減されるとともに、検査時間も大幅に短縮される。このように、POCTは、医療費削減や医療の質の向上が期待されている。

また、生化学分析においては、試験管や容器あるいはキャピラリー(毛細管)に代わる、固体の表面に配列したナノ構造体が開発され、医療検査機器の小型化・高機能化が進んでいる。μ-TAS(Micro-Total Analysis Systems:微小化学分析システム)は、MEMS技術を用いて、チップ上に微小な流路や反応室、混合室を設け、1つのチップもしくはデバイスで血液やDNAをはじめ、さまざまな液体や気体を分析する生化学分析デバイスであり、マイクロPMTはμ-TASにも有用という。

さらに、DNAマイクロアレイなどにより、数十万の遺伝子発現を瞬時に網羅的に取得できる研究が進められている。これが実用化されれば、遺伝子で個人の体質を診断し、個人の遺伝子情報から医薬品の有効性や副作用の出ない量などを調べ、個人に適切な薬を適量投与して治療を行なうことや、個人の体質に合った病気の予防をするテーラーメード医療が実現する。テーラーメード医療により、副作用による医療費の節減、病気の重症化の回避、重症化によって働けなくなることも避けられるため社会福祉費用の節減、生活の質の向上、労働力の確保にもつながっていくと考えられている。マイクロPMTは、DNAマイクロアレイの光センサとしても有用である。

一方、水質や大気などの環境測定用分析機器は、大型で高価なものだったが、近年、モバイル分析機器が製品化され始めている。環境測定の対象としては、近年関心が高まっている放射線計測をはじめ、健康への影響が懸念される微小粒子状物質PM2.5、雨水、河川水、土壌水などの環境水、製造工程で使われる廃水、自動車の排出ガス、工場の排煙、廃棄物の焼却排ガス、火山活動や黄砂の粉塵など様々である。これらに含まれる多成分な物質を、オンサイト(現場)でリアルタイムに、高速で高精度、高効率に同時分離して定量計測するには、高感度でSN比の良い低ノイズな光センサが必要となる。マイクロPMTは、環境モニタリング機器にも役立つ。

なお、価格はマイクロPMTアッセンブリの「H12400-01-01」が7万2450円、マイクロPMTモジュールの「H12402-01/H12403-01」が8万850円、マイクロPMTモジュールの「H12402/H12403」が6万900円。11月1日よりサンプル出荷を開始する。