テラヘルツガス分析

多くのガス分子は、THz領域（典型的には0.1 THzから10 THzの範囲）に特徴的な「指紋」を持ちます。これらの吸収シグネチャは、低エネルギーの回転遷移・ねじれ遷移、および弱い分子間モードに対応する。周波数領域THz分光システム（THz-FDS）では、2台の狭線幅ダイオードレーザーのビート信号が単色連続波THz放射に変換されます。レーザー波長を調整することで、THz周波数を掃引できます。ガスセンシングでは、対象ガスによる吸収（および必要に応じて位相）の変化が測定されます。多くのガスが鋭く固有の吸収共鳴を示すため、一組のTHz送信機/受信機で多数の種を識別・定量化できます。

THz領域では、ガスの指紋領域から豊富な情報が得られます。

• 低周波回転線（約0.1～3 THz）：これらは極性ガス分子の離散的な回転遷移に対応します。シャープで細い線は高い特異性を提供し、明確なガス種同定を可能にします。微量ガス濃度における微小な信号変化を定量化するには、高い周波数分解能、狭い線幅、優れた信号安定性を備えたTHzシステムが必要です。
• ねじれ／振動回転複合モード（約3～10 THz）：これらの遷移は多くの場合、より大きな分子の低エネルギー曲げまたは内部運動を伴うため、より複雑な化学種や微量有機物へのアクセスが可能になります。線の間隔と強度は、分子構造、混合物の組成、圧力、温度に関する情報を伝えます。
• 広帯域連続波と位相挙動：広帯域にわたってTHz波の振幅と位相を測定することで、混合ガスの屈折率と吸収係数を推定できます。したがって濃度、混合比、さらにはいくつかの物理的ガス特性（圧力、衝突広がり）にもアクセスできるようになります。

ここでは周波数領域THz分光法（THz-FDS）に焦点を当てます。超短THzパルスを用いて広帯域スペクトルを提供する時間領域アプローチとは異なり、THz-FDSでは通常、フォトミキサーを用いて波長可変の単色連続波（CW）THz放射を生成し、対象帯域全体で周波数を掃引します。高いスペクトル分解能（MHz、さらにはサブMHz）は、多くの気体種における狭い回転遷移を解明するのに役立ちます。

THz-FDSアプローチの主な特徴：

• 広い周波数掃引範囲により、様々な気体の多くの吸収線をカバーします。そのため、1つのシステムで多数の種を同時にモニタリングできます。
• 高いスペクトル分解能により、隣接する吸収線を分離できるため、高い選択性が得られます。
• この手法はより長い波長（散乱が少ない）を使用するため、赤外光吸収が困難な過酷な環境や遮蔽された環境（煙、煤、塵埃など）でも測定が可能です。
• 振幅と位相を測定することで、干渉や背景吸収が存在する場合でも、システムは堅牢な定量分析を提供します。

したがってTHz-FDSは産業プロセス監視、セキュリティ（例：有毒ガスや爆発性ガス）、救助／消火活動、大気センシングといった要求の厳しいアプリケーションに最適です。

初期のTHzシステムは研究室レベルの「珍品」とみなされていましたが、現代のTHz-FDSプラットフォームは、多くの対象ガスに対してppmレベル（百万分の一）の検出限界を実証しており、実世界でのセンシングに実用的となっています。

従来の化学センサーと比較して、THzガス分析は以下の利点を提供します。

• 感度：THz分光法は十分な光路長と信号処理により、ppm（研究ではサブppm）の検出限界に達しています。これは、多くの従来のセンサーと同等かそれ以上です。
• 選択性：多くのガス種はTHz領域で明確な回転スペクトル線の特徴を示すため、相互感度が大幅に低減されます。従来のセンサーは干渉ガスへの対応が難しく、複雑な補正が必要になります。
• 応答時間：THz吸収測定はガス流量と積分時間のみに依存し、センサーの化学拡散や反応速度論には依存せず、準リアルタイム（通常数秒）で実行できます。
• ダイナミックレンジ：THzシステムは通常80～100dBという非常に高いダイナミックレンジを備えています。そのため、濃度が桁違いに広いガスを測定できます。多くの化学センサーは、極端な条件下では飽和や非線形性の問題を抱えています。
• 環境耐性：THz波は短波長の赤外線（IR）よりも煙、塵埃、その他の散乱媒体を透過しやすいため、THzガスセンシングは光学センサーや赤外線センサーが機能しない環境でも動作します。

複数種ガスの測定に対応：1つのシステムで複数のガスを同時に測定できます。従来のセンサーは通常、1～2種のガスしか測定できません。

多くの分野ではまだ発展途上ではありますが、THzガス分析は既に様々な用途に導入されています。

• 火災／救助現場モニタリング：THzシステムは、CO、HCN、その他の燃焼副生成物ガスを検出し、消火活動におけるより安全な意思決定を可能にします。
• 産業用漏洩検知：THzプラットフォームは、埃っぽい煙突や密閉された危険区域であっても、ガス漏れ（有毒ガスや可燃性ガスなど）を監視できます。
• 大気・環境センシング：揮発性有機化合物や温室効果ガス誘導体を含む複雑なエアロゾル負荷中の微量大気ガスを追跡するための研究プラットフォーム。
• 安全保障／防衛：化学兵器や有毒工業化学物質の検出。
• 過酷な条件下でのプロセスモニタリング：可視光線／赤外線のアクセスが制限されているが、THzはアクセス可能な燃焼プラント、廃棄物焼却炉、または熱分解容器。
• 専門的な理化学研究：ラボスケールのTHz-FDSシステムは、呼気や腐敗食品のエミッタンス分析など、混合ガスの特性評価に用いられます。

実際にはこれらのシステムは0.1～3THz（100～3000GHz）の範囲の周波数で動作し、その領域における対象ガスの既知の吸収線を利用します。1つのシステムで複数のガスをカバーできる柔軟性が、従来法との重要な差別化要因となっています。