JP2006038500A - High magnetic field/high frequency electron spin resonance (esr) measuring apparatus by pulse magnetic field applied with magnetization detection by cantilever - Google Patents

High magnetic field/high frequency electron spin resonance (esr) measuring apparatus by pulse magnetic field applied with magnetization detection by cantilever Download PDF

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Hitoshi Ota
仁 太田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein the formation of high frequency is limited because the high frequency depends on a size of a cavity resonator, in a high-frequency electron spin resonance (ESR) apparatus. <P>SOLUTION: In the present invention, a sample 2 is attached to a tip of a cantilever 4, a strong magnetic field is generated by a pulse magnetic field, and a deflection displacement due to moment force acting on the cantilever is measured by magnetization generated with resonance of an unpaired electron in the sample, resulting from irradiation of an electromagnetic wave. A deflection change of the cantilever is detected by an instrument such as a strain gage and an optical lever to detect a physical property by electron spin resonance. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、常磁性体および強磁性体等の試料中に存在する不対電子による電子スピン共鳴(ESR)の測定法ならびにその測定装置に関するものである。さらに具体的に言えば、カンチレバーに取り付けた試料の電子スピン共鳴吸収によるカンチレバーの磁気トルクの変化を検出することを特徴とする電子スピン共鳴の測定法に関する。本発明の測定方法によれば、簡易な設備で、微小領域の電子スピンを高感度で検出・測定することが可能である。   The present invention relates to a method for measuring electron spin resonance (ESR) due to unpaired electrons present in a sample such as a paramagnetic substance and a ferromagnetic substance, and a measuring apparatus therefor. More specifically, the present invention relates to a method for measuring electron spin resonance characterized by detecting a change in magnetic torque of a cantilever due to electron spin resonance absorption of a sample attached to the cantilever. According to the measurement method of the present invention, it is possible to detect and measure electron spins in a minute region with high sensitivity using simple equipment.

原子や分子の軌道には、通常、自転(スピン)の向きが互いに反対(従って磁気モーメントの向きが反対)の2個の電子が対になって入っているが、対をなさない電子(「不対電子」)を有する遷移金属やラジカル(遊離基)のような物質では、定常磁場中では磁気モーメントの方向が平行か反平行かにより2つのエネルギー状態に分かれている。このエネルギー差に相当する電磁波を吸収する現象が「電子スピン共鳴(ESR:Electron Spin Resonance)」である。スピン量子数Sをもつ不対電子が定常磁場中に置かれると、不対電子のスピンにより作られる磁場と外部磁場との相互作用によってエネルギー準位は2S+1個にゼーマン分裂する。電子スピン共鳴は、その隣あった準位間のエネルギー差に等しい電磁波を加えたときに共鳴的に吸収が起こる現象であり、その測定は従来より電磁波の吸収または放射を測定することによって行われている。   Normally, the orbit of an atom or molecule contains a pair of two electrons whose rotations (spins) are opposite to each other (and thus the directions of magnetic moments are opposite), but they do not form a pair (" Substances such as transition metals and radicals (free radicals) having “unpaired electrons”) are divided into two energy states depending on whether the direction of the magnetic moment is parallel or antiparallel in a stationary magnetic field. The phenomenon of absorbing electromagnetic waves corresponding to this energy difference is “electron spin resonance (ESR)”. When an unpaired electron having a spin quantum number S is placed in a stationary magnetic field, the energy level is Zeeman-divided into 2S + 1 by the interaction between the magnetic field created by the spin of the unpaired electron and the external magnetic field. Electron spin resonance is a phenomenon where absorption occurs resonantly when an electromagnetic wave equal to the energy difference between adjacent levels is applied, and its measurement is conventionally performed by measuring the absorption or emission of an electromagnetic wave. ing.

電子スピン共鳴を測定すれば、試料を分解せずに不対電子を有する物質のみを高感度で検出することができるため、該測定は強磁性体や常磁性体等の分析に頻繁に利用されている。
従来より用いられている電子スピン共鳴測定装置は、測定試料を入れた空洞共振器に電磁波を入射して、その反射電磁波をモニターするものである(特許文献1)。空洞共振器と試料は電磁波に対して一種の共振回路を構成している。電磁波の周波数には通常マイクロ波が用いられ、また、測定では共振器に試料を入れ周波数一定のマイクロ波を加えた状態で磁場の大きさを掃引し、その吸収スペクトルを取得し解析している。
By measuring electron spin resonance, it is possible to detect only substances having unpaired electrons with high sensitivity without decomposing the sample. Therefore, this measurement is frequently used for the analysis of ferromagnets and paramagnetic substances. ing.
A conventionally used electron spin resonance measuring apparatus is one in which electromagnetic waves are incident on a cavity resonator containing a measurement sample and the reflected electromagnetic waves are monitored (Patent Document 1). The cavity resonator and the sample constitute a kind of resonance circuit for electromagnetic waves. Microwaves are usually used for the frequency of electromagnetic waves, and in measurement, the sample is placed in a resonator and the magnetic field is swept while microwaves with a constant frequency are applied, and the absorption spectrum is acquired and analyzed. .

ESR測定は、磁性体、半導体、高分子化合物などの物性研究、ラジカルの有無や金属化合物中の微量元素の検出、さらに近年話題となっている発ガン、動脈硬化、老化などの要因と考えられる生体内の活性酸素やフリーラジカルなどの計測にも使われている。
周波数として、感度、簡便性などの点から10GHz帯(磁場0.3テスラ程度以下)が最も使用されるが、近年、超伝導磁場を用いWバンド(95GHz帯)や、さらに高い周波数のミリ波、サブミリ波が、高感度化、試料の微小化などの点から注目を集めている。一般に、高周波化・高磁場化のESR装置の利点としては、分解能が向上するため、生体など動的な解析に有効であることである。
ESR measurement is considered to be a cause of research on physical properties of magnetic materials, semiconductors, polymer compounds, etc., detection of presence / absence of radicals and trace elements in metal compounds, carcinogenesis, arteriosclerosis, aging, etc. It is also used for measuring active oxygen and free radicals in the body.
As the frequency, the 10 GHz band (magnetic field of about 0.3 Tesla or less) is most used in terms of sensitivity and simplicity. However, in recent years, a superconducting magnetic field is used for the W band (95 GHz band), higher frequency millimeter waves, submillimeters. Waves are attracting attention from the standpoints of high sensitivity and sample miniaturization. In general, an advantage of an ESR device with a high frequency and a high magnetic field is that it is effective for dynamic analysis such as a living body because resolution is improved.

しかしながら、従来のESR装置では、周波数が空洞共振器の大きさと依存しており、高周波化には限界があるため、電子スピン共鳴の測定感度は理論的限界にきている。
また、従来のESR装置では、定常磁場を使用しており、例えば、20テスラ以上の高磁場化のためには、電源、冷却設備等の大規模な施設を必要としていた。
However, in the conventional ESR apparatus, since the frequency depends on the size of the cavity resonator and there is a limit to the increase in the frequency, the measurement sensitivity of electron spin resonance has reached the theoretical limit.
In addition, the conventional ESR apparatus uses a steady magnetic field, and for example, a large-scale facility such as a power source and a cooling facility is required for a high magnetic field of 20 Tesla or higher.

また、電子スピン共鳴による磁化反転・変調技術を原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)に取り入れて、探針・試料間に働く交換相互作用力を計測する磁気共鳴型交換相互作用力顕微鏡が知られている(特許文献2)。これは、試料に対向するカンチレバーの先端部の探針に電磁力等を付与し、共鳴による探針磁化反転・変調作用を生成させ、探針・試料間に働く交換相互作用力を計測するものである。   In addition, a magnetic resonance exchange interaction force microscope that measures the exchange interaction force acting between the probe and the sample by incorporating magnetization reversal / modulation technology by electron spin resonance into an atomic force microscope (AFM). Known (Patent Document 2). This applies electromagnetic force to the probe at the tip of the cantilever facing the sample, generates probe magnetization reversal / modulation action due to resonance, and measures the exchange interaction force acting between the probe and the sample. It is.

しかしながら、磁気共鳴型交換相互作用力顕微鏡が試料表面の磁気構造の観察を目的としており、微小バルク試料の電子状態の観測を目的とするものではなかった。また、カンチレバーで試料の磁化反転量そのものを測り、磁化反転をカンチレバーで検出して、電子スピン共鳴そのものを高感度で直接観測できることは知られていなかった。   However, the magnetic resonance type exchange interaction force microscope is intended to observe the magnetic structure of the sample surface, and not to observe the electronic state of a minute bulk sample. Further, it has not been known that electron spin resonance itself can be directly observed with high sensitivity by measuring the amount of magnetization reversal of the sample itself with a cantilever and detecting the magnetization reversal with a cantilever.

また、カンチレバーを用いたAFMの構成で、電子スピン共鳴を測定できることが知れられている(特許文献3)。この測定では、AFMの atomic force 測定が magnetic resonance force 測定に置き換わったもので、空間分解能は非常に高く、AFMと異なる力をプローブするという意義があるが、空洞共振器内に試料を入れ、ガン発振器でミリ波領域の電磁波を照射するといった従来のESR測定装置の構成を用いているため、感度に限界がある。
また、ESRによる磁化の変化をカンチレバーのトルクとして観測できることは知られていなかった。
In addition, it is known that electron spin resonance can be measured with an AFM configuration using a cantilever (Patent Document 3). In this measurement, the AFM atomic force measurement is replaced with the magnetic resonance force measurement, and the spatial resolution is very high, and there is a significance of probing a force different from that of the AFM. Since the configuration of a conventional ESR measurement device that irradiates electromagnetic waves in the millimeter wave region with an oscillator is used, sensitivity is limited.
Further, it has not been known that a change in magnetization due to ESR can be observed as a torque of a cantilever.

特開平05−107327号公報JP 05-107327 A 特開2000−180341号公報JP 2000-180341 A U.S.Patent Patent Number:5585722(Embodiment5,FIG.6)U.S.Patent Patent Number: 5585722 (Embodiment5, FIG.6)

従来のESR装置は、電磁石により定常静磁場を作り、試料内の電子にゼーマン分裂を起こさせ、そのエネルギー差に合う電磁場をマイクロ発信器などで与えることにより、不対電子を共鳴させる。通常は、一定の電磁波を与えるので、どの磁場で吸収が起きたのかが情報になる。普通の装置では、空洞共振器(入れ物)の箱に入れたエネルギーがどれだけ失うか、すなわちQ値が変わることを増幅して検出している。しかし、この入れ物の大きさは周波数と関係しており、高周波測定とするには、入れ物を小さくする必要があり、また、試料は共振器の働きを乱さないように、入れ物よりも微小としなければいけないため、測定分解能を上げるために高周波測定しようとしても、入れ物の大きさの制約で高周波測定自身が困難であるという問題があった。   A conventional ESR apparatus creates a stationary static magnetic field with an electromagnet, causes Zeeman splitting of electrons in a sample, and gives an electromagnetic field matching the energy difference by a micro-transmitter or the like to resonate unpaired electrons. Usually, since a certain electromagnetic wave is given, information on which magnetic field is absorbed becomes information. In an ordinary apparatus, the amount of energy stored in the box of the cavity resonator (container) is lost, that is, the change in the Q value is amplified and detected. However, the size of the container is related to the frequency, and it is necessary to make the container small for high-frequency measurement, and the sample must be smaller than the container so as not to disturb the function of the resonator. Therefore, there is a problem that even if high frequency measurement is attempted to increase the measurement resolution, the high frequency measurement itself is difficult due to the size of the container.

一般的に使用されているX−band ESR装置は、9GHzの電磁波を用い、共鳴磁場が0.3Tにすぎないので水冷の定常磁場が用いられている。このX−band ESR装置は、電波を使用し、電磁波の波長がcmオーダーであることを活かして空洞共振器を用いてQ値を上げ、磁場変調によるロックイン検出を行っており、原理的限界に近い感度(最小観測可能電子スピン数1010個)をもっている。しかしながら、異なる共鳴磁場を識別する分解能が低く、また、空洞共振器を用いているため空間分解能を上げることが原理的に不可能となっている。このX−band ESR装置の感度では、スピンエレクトロニクス材料などの薄膜試料を測定しようとすると、膜厚1μmで1018/cm3ほどのスピン数であり感度がギリギリとなってしまう。従って、空洞共振器を用いず空間分解能を上げ、限られた空間を選択的に測定でき、より高感度なESR測定法が望まれている。 A commonly used X-band ESR apparatus uses a 9 GHz electromagnetic wave, and a resonant magnetic field is only 0.3 T, so a water-cooled steady magnetic field is used. This X-band ESR device uses radio waves, makes use of the fact that the wavelength of electromagnetic waves is on the order of cm, raises the Q value using a cavity resonator, performs lock-in detection by magnetic field modulation, and is limited in principle. Sensitivity (minimum observable electron spin number 10 10 ). However, the resolution for discriminating different resonant magnetic fields is low, and the use of a cavity resonator makes it impossible in principle to increase the spatial resolution. With regard to the sensitivity of this X-band ESR apparatus, when a thin film sample such as a spin electronics material is to be measured, the spin number is about 10 18 / cm 3 at a film thickness of 1 μm, and the sensitivity is very limited. Therefore, there is a demand for a more sensitive ESR measurement method that can increase the spatial resolution without using a cavity resonator and can selectively measure a limited space.

また一方で、電子スピン共鳴は、共鳴から得られるいわゆるg値を通して電子状態を調べるが、このg値が近いふたつの共鳴が存在する場合、高周波で強磁場にいくほど共鳴磁場の差が大きくなるので、線幅を考慮した場合、分離が容易になるため高分解能となる。これは磁気共鳴に共通な利点で、核磁気共鳴では、タンパク質の高分解能測定のため、1GHzの核磁気共鳴の開発が行われている。電子スピン共鳴の場合は、電子の質量が核より約2000倍軽いため電波でなく、光に近い電磁波による測定が必要である。このように光に近い電磁波で測定する場合、電磁波の波長がミニ波からサブミリ波(THz光)と短く、空洞共振器が用いることが不可能となる。   On the other hand, in the electron spin resonance, the electronic state is examined through a so-called g value obtained from the resonance. When two resonances having close g values exist, the difference between the resonance magnetic fields increases as the magnetic field increases at a high frequency. Therefore, when the line width is taken into consideration, the separation becomes easy and the resolution becomes high. This is an advantage common to magnetic resonance. In nuclear magnetic resonance, 1 GHz nuclear magnetic resonance has been developed for high-resolution measurement of proteins. In the case of electron spin resonance, the mass of electrons is about 2000 times lighter than that of the nucleus, and measurement using electromagnetic waves close to light is required instead of radio waves. Thus, when measuring with the electromagnetic wave close | similar to light, the wavelength of electromagnetic waves is short from a mini wave to a submillimeter wave (THz light), and it becomes impossible to use a cavity resonator.

また昨今、カーボンナノチューブ,ナノワイヤー,ナノドットなどの物質群に代表されるナノマテリアルの研究が盛んに行われているが、このような系は、微量であるとともに微小であるため、その電子スピン共鳴測定には高感度とともに高い空間分解能が要求される。また、ナノサイズまでいかないまでも有機結晶や生体物質は、得られる試料がmg以下と微量であり、このような微量系の電子スピン共鳴の観測は、X−band ESRでは非常に困難であった。   Recently, research on nanomaterials represented by a group of substances such as carbon nanotubes, nanowires, and nanodots has been actively conducted. However, since such a system is very small and minute, its electron spin resonance. Measurement requires high sensitivity and high spatial resolution. In addition, organic crystals and biological materials can be obtained in trace amounts of mg or less, even if they are not nano-sized, and observation of such a minute amount of electron spin resonance is very difficult with X-band ESR. It was.

また、高周波・高磁場測定では、従来、InSb(インジウムアンチモン)検出器で透過率を観察し、それが変化するのを検知していたが、ある程度の試料の量がないと感度が得られないという問題があった。さらに、InSb検出器の場合は、室温でも熱エネルギーで電子・正孔対ができてしまうため、測定ノイズ(雑音)が多く、InSb検出器を用いる場合には、低温に保つための冷却設備を必要とする。   Further, in high frequency / high magnetic field measurement, the transmittance was conventionally observed with an InSb (indium antimony) detector to detect the change, but sensitivity cannot be obtained without a certain amount of sample. There was a problem. Furthermore, in the case of an InSb detector, electron-hole pairs are generated with thermal energy even at room temperature, so there is a lot of measurement noise (noise). When using an InSb detector, a cooling facility for keeping the temperature low is used. I need.

また、従来のESR装置では、不対電子が共鳴した時に起こる吸収エネルギーをクリスタルダイオード検出器などで検出し、その微小信号を増幅し記録しており、微小信号の増幅に高度の装置が必要であった。
この他、測定分解能を向上すべく定常静磁場で磁場の強さを大きくするには、電源、冷却設備など大規模な施設が必要であり、強磁場ESR装置のコンパクト化が課題である。
Also, in the conventional ESR device, the absorption energy that occurs when the unpaired electrons resonate is detected by a crystal diode detector, etc., and the minute signal is amplified and recorded, and an advanced device is required for amplification of the minute signal. there were.
In addition, in order to increase the strength of the magnetic field with a stationary static magnetic field in order to improve the measurement resolution, a large-scale facility such as a power supply and a cooling facility is required, and downsizing of the strong magnetic field ESR device is a problem.

本発明に係るカンチレバーによる磁化検出を応用したパルス磁場による高磁場・高周波ESR測定装置は、上記の課題を解決すべくなされたものである。   A high magnetic field / high frequency ESR measuring apparatus using a pulsed magnetic field to which magnetization detection by a cantilever according to the present invention is applied is made to solve the above problems.

本発明者らは、電子スピン共鳴(ESR)測定についての検討を長年進めた結果、パルスによる強磁場発生とカンチレバーとの組み合わせにより従来よりも簡単な設備で高感度なESR測定が可能であることを知見し、また、カンチレバーで試料の磁化反転量そのものを測り、試料の磁化反転をカンチレバーで検出して、電子スピン共鳴そのものを高感度で直接観測できることを知見して、本発明を完成するに至った。   As a result of studying electron spin resonance (ESR) measurement for many years, the present inventors are able to perform highly sensitive ESR measurement with simpler equipment than before by combining a strong magnetic field generation by a pulse and a cantilever. In addition, by measuring the amount of magnetization reversal of the sample itself with a cantilever and detecting the magnetization reversal of the sample with the cantilever, the electron spin resonance itself can be directly observed with high sensitivity, thereby completing the present invention. It came.

本発明の第1の観点からは、「カンチレバーと、前記カンチレバーに取り付けられた試料にパルス磁場をかけるパルス磁場印加手段と、前記試料にミリ波,サブミリ波,テラヘルツなど高周波電磁波を照射させる電磁波印加手段と、前記カンチレバーの撓み量を検出する検出手段とを少なくとも備え、試料の電子スピン共鳴による磁気トルクの変化により発生するカンチレバーの撓み変位を検出することを特徴とするカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置」が提供される。   From the first aspect of the present invention, “cantilever, pulse magnetic field applying means for applying a pulse magnetic field to a sample attached to the cantilever, and electromagnetic wave application for irradiating the sample with a high frequency electromagnetic wave such as millimeter wave, submillimeter wave, terahertz, etc. And a cantilever-detecting electron spin resonance measuring apparatus characterized by detecting at least a bending displacement of the cantilever caused by a change in magnetic torque due to electron spin resonance of the sample. Is provided.

本発明では、試料をカンチレバーの先端にとりつけ、パルス磁場により強磁場を発生させ、ミリ波,サブミリ波,テラヘルツなどの高周波の電磁波を照射することで、試料中の不対電子の共鳴により生ずる磁化により、カンチレバーに働くモーメント力による撓み変位を測定するものである。
すなわち、磁場中で電子のスピン準位はZeeman分裂してupスピンとdownスピンの分布が平衡状態にあるが、ここに電磁波を照射し、磁場を掃引すると電磁波のエネルギーとZeeman分裂が一致した磁場のみで吸収が生じ(ESR)、この時に平衡状態からずれた磁化が生じるので、その磁化の変化を試料を装着したカンチレバーのトルクとして観測するのである。
カンチレバーの撓み変位を光てこ方式やピエゾ素子抵抗方式などの微小変位検出測定を用いて検出して電子スピン共鳴による物性の検出を可能とするものである。カンチレバーに働く微小変位検出測定方法としては、光てこ方式の他、光ファイバー干渉計による測定や、フォーカス誤差検出方式による測定や、ピエゾ素子抵抗付きカンチレバーを用いることができる。
In the present invention, a sample is attached to the tip of a cantilever, a strong magnetic field is generated by a pulsed magnetic field, and a high frequency electromagnetic wave such as millimeter wave, submillimeter wave, terahertz, etc. is irradiated to generate magnetization caused by resonance of unpaired electrons in the sample. Thus, the deflection displacement due to the moment force acting on the cantilever is measured.
In other words, the spin level of electrons in a magnetic field is Zeeman split and the distribution of up and down spins is in an equilibrium state, but when an electromagnetic wave is irradiated here and the magnetic field is swept, the magnetic field energy and Zeeman splitting match. Absorption only occurs (ESR), and magnetization that deviates from the equilibrium state occurs at this time, and the change in magnetization is observed as the torque of the cantilever on which the sample is mounted.
It detects the physical displacement by electron spin resonance by detecting the deflection displacement of the cantilever using a micro displacement detection measurement such as an optical lever method or a piezo element resistance method. As a measurement method for detecting a small displacement acting on the cantilever, in addition to the optical lever method, a measurement by an optical fiber interferometer, a measurement by a focus error detection method, or a cantilever with a piezo element resistance can be used.

本発明に係るESR装置では、空洞共振器を用いないため、従来と比べ、ミリ波,サブミリ波,テラヘルツなどのワイドレンジの測定が可能で、周波数制限のない測定装置となり、特に周波数依存性測定が重要な微小試料系の測定にメリットが大きい。
例えば、ヘモグロビンのゼロ磁場分裂の決定などへの応用があげられる。
また、カンチレバーの感度は吸収強度に比例するため、高周波および強磁場測定ほど有利に作用することとなる。
Since the ESR device according to the present invention does not use a cavity resonator, it can measure a wide range of millimeter waves, submillimeter waves, terahertz, and the like, and has a frequency-free measuring device, in particular, frequency-dependent measurement. This is a great merit for the measurement of minute sample systems.
For example, it can be applied to the determination of zero magnetic field splitting of hemoglobin.
Further, since the sensitivity of the cantilever is proportional to the absorption intensity, the higher frequency and the higher magnetic field measurement are more advantageous.

また、従来のESR装置において、InSb検出器で透過率を観察する方法では、ある程度の試料の量がないと感度が得られないという問題に対し、カンチレバーの場合は高周波・高磁場測定でも微小な試料で感度が得られることとなる。   In addition, in the conventional ESR apparatus, the method of observing the transmittance with an InSb detector cannot obtain sensitivity unless there is a certain amount of sample. In the case of a cantilever, even a high frequency / high magnetic field measurement is very small. Sensitivity is obtained with the sample.

さらに、従来のESR装置は電磁石により定常静磁場を作り、その磁場の強さは大体、0.3テスラ程度、不対電子を共鳴させる発信器はマイクロ波発信器で10GHz程度の周波数を使用するのに対し、本発明に係るESR測定装置では、パルス磁場を用いることにより、0テスラから80テスラ程度まで磁場を掃引でき、電磁波の周波数も30GHzから3000GHz程度の周波数を使用できる。
なお、非破壊パルス磁場のレコードとしては、現在のところ80テスラ程度である。
定常磁場の場合、20テスラ以上の磁場を作り出すには、大規模な施設が必要となるのに対し、本発明に係るESR装置の場合、パルス磁場を用いることにより、20テスラ以上の磁場を小規模な施設でも作り出すことができるのである。
Furthermore, the conventional ESR device creates a stationary static magnetic field with an electromagnet, the strength of the magnetic field is about 0.3 Tesla, and the transmitter that resonates unpaired electrons is a microwave transmitter that uses a frequency of about 10 GHz. On the other hand, the ESR measurement apparatus according to the present invention can sweep the magnetic field from about 0 Tesla to about 80 Tesla by using a pulsed magnetic field, and the frequency of electromagnetic waves can be from about 30 GHz to about 3000 GHz.
The record of the non-destructive pulse magnetic field is currently about 80 Tesla.
In the case of a stationary magnetic field, a large-scale facility is required to generate a magnetic field of 20 Tesla or higher, whereas in the case of the ESR device according to the present invention, a magnetic field of 20 Tesla or higher is reduced by using a pulsed magnetic field. Even large-scale facilities can be created.

磁場を印加された電子はスピンによってゼーマン分裂をし、エネルギー準位が分裂し、この分裂準位に対応したエネルギーをもつ電磁波を入射したときに共鳴吸収が起こる。印加する磁場が強ければ強いほど、観測しにくい不規則な電子のスピンの向きを安定させることが可能となるのである。これはすわなちESR測定の感度と直結する。つまり、本発明ではパルス磁場により小規模施設においても高磁場を発生させ、ESR測定の感度を向上させているのである。   Electrons to which a magnetic field is applied undergo Zeeman splitting by spin, the energy level splits, and resonance absorption occurs when an electromagnetic wave having energy corresponding to this split level is incident. The stronger the applied magnetic field, the more stable the spin direction of irregular electrons that are difficult to observe. This is directly related to the sensitivity of ESR measurement. That is, in the present invention, a high magnetic field is generated even in a small-scale facility by a pulsed magnetic field, and the sensitivity of ESR measurement is improved.

また、高感度化により試料が微小にできるため、パルス磁場を使用しても磁場均一度を上げることが可能となり、高周波数化と相まって測定の高分解能化をすすめられるのである。   In addition, since the sample can be made minute by increasing the sensitivity, it is possible to increase the magnetic field uniformity even if a pulsed magnetic field is used, and to increase the resolution of the measurement in combination with the higher frequency.

次に、本発明の第2の観点からは、「強磁性材料を取り付けたカンチレバーと、試料と、前記試料にパルス磁場をかけるパルス磁場印加手段と、前記試料にミリ波,サブミリ波,テラヘルツなど高周波電磁波を照射させる電磁波印加手段と、前記カンチレバーの撓み量を検出する検出手段とを少なくとも備え、試料の電子スピン共鳴による前記強磁性材料と試料との相互作用により発生するカンチレバーの撓み変位を検出することを特徴とするカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置」が提供される。   Next, according to the second aspect of the present invention, “a cantilever having a ferromagnetic material attached thereto, a sample, pulse magnetic field applying means for applying a pulse magnetic field to the sample, millimeter wave, submillimeter wave, terahertz, etc. At least an electromagnetic wave applying means for irradiating a high frequency electromagnetic wave and a detecting means for detecting the amount of bending of the cantilever, and detecting the bending displacement of the cantilever generated by the interaction between the ferromagnetic material and the sample due to electron spin resonance of the sample A cantilever-detecting electron spin resonance measuring apparatus ”is provided.

本発明の第1の観点の如く、カンチレバーに試料を取り付けるのではなく、第2の観点では、パーマロイなどの強磁性体をカンチレバーにつけることにより、強磁性体と試料の磁化を相互作用させることで、試料の非接触測定を可能とするものである。カンチレバー先端部の強磁性と試料を対向させるように配置して、試料の電子スピン共鳴により生ずる磁化の変化をカンチレバーの撓みの変化として捉えるものである。第2の観点も第1の観点と同様、カンチレバーを用いて磁化の変化によるトルク(撓み)変化をESR信号として捉まえるため、空洞共振器が不要で、照射する電磁波周波数(磁場の強さ)を制限なく高くでき、それにより高感度化が図られるというものである。本発明の第2の観点により、カンチレバーに試料をとりつける必要が無く、利便性が向上するとともに、測定した試料の回収も容易になる。   Instead of attaching the sample to the cantilever as in the first aspect of the present invention, in the second aspect, by attaching a ferromagnetic material such as permalloy to the cantilever, the magnetization of the ferromagnetic material and the sample is allowed to interact. Thus, non-contact measurement of a sample is possible. By arranging the ferromagnet at the tip of the cantilever and the sample to face each other, a change in magnetization caused by electron spin resonance of the sample is regarded as a change in bending of the cantilever. Similarly to the first aspect, the second aspect uses a cantilever to capture the torque (deflection) change caused by the change in magnetization as an ESR signal, so that no cavity resonator is required and the electromagnetic wave frequency (magnetic field strength) to irradiate. Can be increased without limitation, thereby achieving higher sensitivity. According to the second aspect of the present invention, it is not necessary to attach the sample to the cantilever, the convenience is improved, and the measured sample can be easily collected.

次に、本発明の第3の観点からは、第1の観点又は第2の観点において、「カンチレバー及び試料を微小化して、磁場発生空間を狭小化することにより、パルス磁場印加手段がミニコイルと小容量のコンデンサで構成されるカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置」が提供される。   Next, according to a third aspect of the present invention, in the first aspect or the second aspect, the pulse magnetic field applying means is configured as a minicoil by miniaturizing the cantilever and the sample to narrow the magnetic field generation space. A cantilever-detecting electron spin resonance measuring apparatus including a small-capacitance capacitor is provided.

カンチレバーを用いたESR測定装置の心臓部は、カンチレバーと試料で構成される簡単な構造であるため、カンチレバーと試料を微小化することによって、磁場発生が必要な空間を容易に小さくできる。すなわち、ミニコイル内部にカンチレバー及び試料を設置して、ミニコイルのパルス磁場にするのである。ミニコイルのパルス磁場にすることで、磁場の二乗かける磁場空間体積がエネルギーに相当するため、同じ強磁場を発生させる場合であっても、ミニコイル中では非常に小さなコンデンサーで強磁場を発生することができるのである。これによって、テーブルトップのカンチレバー検出ESR測定装置にすることができる。   Since the heart of an ESR measurement apparatus using a cantilever has a simple structure composed of a cantilever and a sample, a space that requires magnetic field generation can be easily reduced by miniaturizing the cantilever and the sample. In other words, a cantilever and a sample are installed inside the minicoil to form a minicoil pulse magnetic field. By using a mini-coil pulse magnetic field, the magnetic field space volume to which the magnetic field is squared corresponds to energy, so even if the same strong magnetic field is generated, a strong magnetic field can be generated with a very small capacitor in the mini-coil. It can be done. As a result, a table top cantilever detection ESR measurement device can be obtained.

現在、一般に使用されているパルス磁場を発生する磁石(パルス磁石)のコイルの内径は、10数mmであるが、例えば、内径3mm以下のミニコイルを用いてパルス磁石を用いた場合には、磁場を発生させるためのコンデンサのエネルギーは磁場の二乗に比例するので、コンデンサのエネルギーを100kJから数kJに小さくできる。   Currently, the inner diameter of a coil of a magnet (pulse magnet) that generates a pulsed magnetic field that is generally used is several tens of millimeters. For example, when a pulse magnet is used using a minicoil with an inner diameter of 3 mm or less, the magnetic field Since the energy of the capacitor for generating is proportional to the square of the magnetic field, the energy of the capacitor can be reduced from 100 kJ to several kJ.

ミニコイルのパルス磁石を用いることにより、コンデンサのエネルギーを小さくできることで、パルス磁石による振動などを抑え、安全性の向上にも寄与するとともに、コンデンサーの小容量化により、装置のコンパクト化が図られる。   By using a mini-coil pulse magnet, the energy of the capacitor can be reduced, so that vibration due to the pulse magnet can be suppressed and the safety can be improved, and the device can be made compact by reducing the capacity of the capacitor.

また、試料を微小化することにより、パルス磁場を使用しても磁場均一度を上げることが可能となり、高周波数化と相まって測定の高分解能化を飛躍的に向上させることができるのである。   In addition, by miniaturizing the sample, it is possible to increase the magnetic field uniformity even when using a pulsed magnetic field, and it is possible to dramatically improve the resolution of measurement in combination with the increase in frequency.

本発明に係るESR測定装置は、磁化検出をカンチレバー方式で行うため、微小試料の測定に適しており、また温度依存性がなくIbSb検出器のように冷却装置など不要で、さらにカンチレバーを磁石の中に設置するだけでよいという簡単な検出回路でよいといった効果がある。   Since the ESR measurement apparatus according to the present invention performs magnetization detection by a cantilever method, it is suitable for measurement of a minute sample, has no temperature dependency, and does not require a cooling device like an IbSb detector. There is an effect that a simple detection circuit that only needs to be installed inside may be used.

また、本発明に係るESR測定装置は、パルス磁場を用いるため、20テスラ以上の高磁場を小規模設備で発生させることができ、ESR測定感度を高めることができる。この他、パルス磁場で測定するため、数ms〜数10msといった短時間内で測定が完了するといった効果を有し、いわゆるスナップショット測定が可能となる。   Moreover, since the ESR measurement apparatus according to the present invention uses a pulsed magnetic field, a high magnetic field of 20 Tesla or more can be generated in a small-scale facility, and the ESR measurement sensitivity can be increased. In addition, since measurement is performed using a pulsed magnetic field, the measurement is completed within a short time of several ms to several tens of ms, and so-called snapshot measurement is possible.

本発明に係るESR測定装置は、電子スピン共鳴による磁化の変化を、カンチレバーのトルクとして観測するため、検出は周波数によらず可能で、従来のESR測定のように検出器による周波数の制限は存在しない。また、カンチレバーの感度は吸収強度に比例し、高周波および強磁場ほど有利になる。さらに、パルス磁場による強磁場下で、ミリ波、サブミリ波、テラHzまでワイドバンドの電磁波を用いることができることから、分解能が非常に高く、類似のフリーラジカルを区別でき、生体への応用が可能である。   Since the ESR measurement apparatus according to the present invention observes the change in magnetization due to electron spin resonance as the torque of the cantilever, the detection is possible regardless of the frequency, and there is a limit on the frequency by the detector as in the conventional ESR measurement. do not do. Further, the sensitivity of the cantilever is proportional to the absorption intensity, and the higher the frequency and the stronger the magnetic field, the more advantageous. Furthermore, because it can use wideband electromagnetic waves up to millimeter waves, submillimeter waves, and terahertz in a strong magnetic field by pulsed magnetic fields, it has a very high resolution, can distinguish similar free radicals, and can be applied to living bodies. It is.

この他、1GHz以上の電磁波の周波数とパルス磁場を組み合わせることにより、高分解能核磁気共鳴(NMR)への適用も可能である。   In addition, it can be applied to high-resolution nuclear magnetic resonance (NMR) by combining the frequency of electromagnetic waves of 1 GHz or more and a pulsed magnetic field.

以下、本発明の実施の形態を図を示しながら、本発明に係るESR測定装置について詳細に説明する。   Hereinafter, an ESR measurement apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing an embodiment of the present invention.

本発明に係るESR測定装置は、カンチレバーと、前記カンチレバーに取り付けられた試料にパルス磁場をかけるパルス磁場印加手段と、前記試料に高周波電磁波を照射させる電磁波印加手段と、前記カンチレバーの撓み量を検出する検出手段とで構成され、試料の電子スピン共鳴による磁気トルクの変化により発生するカンチレバーの撓み量の変位を検出するものである。   An ESR measurement apparatus according to the present invention detects a cantilever, a pulse magnetic field applying means for applying a pulse magnetic field to a sample attached to the cantilever, an electromagnetic wave applying means for irradiating the sample with a high frequency electromagnetic wave, and a deflection amount of the cantilever And detecting the displacement of the bending amount of the cantilever generated by the change of the magnetic torque due to the electron spin resonance of the sample.

図1に、本発明に係るESR測定装置の実施例における構成図を示す。電磁石1により発生する磁場中に、カンチレバー4に取り付けられた測定対象物の試料2を置き、発振器3を用いて、その試料2に電磁波を照射する。磁場は、コンデンサ,スイッチ等から構成されるパルス磁場印加回路9によって発生する高磁場のパルス磁場である。   FIG. 1 shows a configuration diagram of an embodiment of an ESR measurement apparatus according to the present invention. A sample 2 to be measured attached to the cantilever 4 is placed in a magnetic field generated by the electromagnet 1, and the sample 2 is irradiated with electromagnetic waves using an oscillator 3. The magnetic field is a high magnetic field generated by a pulse magnetic field application circuit 9 including a capacitor, a switch, and the like.

試料中にある不対電子は、磁気モーメントをもち、この不対電子が強い磁場中にあるときに、電磁波を加えたとき生ずる共鳴吸収が電子スピン共鳴である。この磁場の強さと電磁波の周波数の間には一定の関係があり、電磁波の吸収の大きさ及び吸収が起きる磁場の大きさは、それぞれ不対電子の数およびその周囲の構造に依存するため、物質の測定や分析が可能になる。   The unpaired electrons in the sample have a magnetic moment, and when the unpaired electrons are in a strong magnetic field, resonance absorption that occurs when an electromagnetic wave is applied is electron spin resonance. There is a certain relationship between the strength of the magnetic field and the frequency of the electromagnetic wave, and the magnitude of electromagnetic wave absorption and the magnitude of the magnetic field at which absorption occurs depend on the number of unpaired electrons and the surrounding structure, respectively. Measurement and analysis of substances become possible.

本発明に係るESR測定装置は、カンチレバーの撓み量を検出する検出手段5によって、試料2の電子スピン共鳴による磁気トルクの変化により発生するカンチレバー4の撓み量の変位を検出している。カンチレバーの撓み量を検出する方法として、図1に示すように、カンチレバーに歪ゲージを内蔵させ、歪ゲージの出力である電圧値を測定することでカンチレバーの撓み量の変位を検出する。   In the ESR measuring apparatus according to the present invention, the detecting means 5 for detecting the amount of bending of the cantilever detects the displacement of the amount of bending of the cantilever 4 caused by the change of the magnetic torque due to the electron spin resonance of the sample 2. As a method of detecting the amount of bending of the cantilever, as shown in FIG. 1, a strain gauge is built in the cantilever, and the displacement of the amount of bending of the cantilever is detected by measuring the voltage value that is the output of the strain gauge.

パルス磁場を用いて測定する場合、測定時間は数10msといった短時間内に測定が終了するため、デジタルメモリ6を用いて歪ゲージの出力電圧値を測定データを記録させ、それを情報処理端末PC7で読込み、測定データを表示・解析している。
この他、コイルを磁場中におき、誘導起電力を測定して、磁場のモニタを行うため、この磁場測定データもデジタルメモリ6を用いて記録している。
When measurement is performed using a pulsed magnetic field, the measurement is completed within a short time such as several tens of ms. Therefore, the measurement data of the output voltage value of the strain gauge is recorded using the digital memory 6, and the measured data is stored in the information processing terminal PC7. Is used to display and analyze measurement data.
In addition, in order to monitor the magnetic field by placing the coil in the magnetic field and measuring the induced electromotive force, the magnetic field measurement data is also recorded using the digital memory 6.

図2に、パルス磁場における時間に対して磁場の強さの変化を示すグラフ図を示す。パルス磁場は、図2に示すように正弦波的な磁場の変化となる。電子スピン共鳴を起こさせるために、発振器から一定の電磁波を試料に照射するのであるが、上述したように、磁場の強さと電磁波の周波数の間には一定の関係がある。照射した電磁波の周波数において、電子スピン共鳴を起こす磁場の強さをHmとすると、図2に示す如く、パルス磁場のピークがこのHmの磁場を越えることが共鳴を生じる条件となる。従って、パルス磁場を用いることによって、測定のための磁場のチューニング作業は不要となる。   FIG. 2 is a graph showing a change in the strength of the magnetic field with respect to time in the pulse magnetic field. The pulse magnetic field is a sinusoidal magnetic field change as shown in FIG. In order to cause electron spin resonance, a sample is irradiated with a certain electromagnetic wave from an oscillator. As described above, there is a certain relationship between the strength of the magnetic field and the frequency of the electromagnetic wave. Assuming that the intensity of the magnetic field that causes electron spin resonance at the frequency of the irradiated electromagnetic wave is Hm, as shown in FIG. 2, the condition for causing resonance is that the peak of the pulsed magnetic field exceeds the magnetic field of Hm. Therefore, the use of a pulsed magnetic field eliminates the need for magnetic field tuning for measurement.

また、図2に示すように、パルス磁場を用いる場合、電子スピン共鳴を起こす磁場の強さをHmは、パルス磁場の微少な測定時間中に2回あり、試料の電子スピン共鳴による磁気モーメントの変化により発生するカンチレバーの撓みの変位が2回発生することになる。   In addition, as shown in FIG. 2, when a pulsed magnetic field is used, the strength of the magnetic field causing electron spin resonance is Hm twice during a minute measurement time of the pulsed magnetic field, and the magnetic moment due to electron spin resonance of the sample is measured. The displacement of the bending of the cantilever generated by the change occurs twice.

図3に、電子スピン共鳴吸収が生じる磁場の強さと電子のエネルギー準位との関係を示している。不対電子が磁場中に置かれると、不対電子のスピンにより作られる磁場と外部磁場との相互作用によってエネルギー準位がゼーマン分裂し、また、照射する電磁波はエネルギーhν(h:プランク定数、ν:電磁波の振動数)を持っているため、その隣あった準位間のエネルギー差に等しい電磁波を加えたときに電子スピン共鳴吸収が起きる。不対電子のスピンは小磁石と同じであり、電子スピン共鳴吸収が起きることにより、高いエネルギー準位に移行するとともに、スピンの向きが反転すると考えられる。これは小磁石の向きも反転することになる。従って、カンチレバーに取り付けた試料は電子スピン共鳴吸収によって磁気が変化し、これによりカンチレバーに働く磁気モーメントに変化が生じて、カンチレバーの撓み量の変位が生じるのである。   FIG. 3 shows the relationship between the strength of the magnetic field where electron spin resonance absorption occurs and the energy level of electrons. When unpaired electrons are placed in a magnetic field, the energy level is Zeeman split by the interaction between the magnetic field created by the spins of the unpaired electrons and the external magnetic field, and the electromagnetic wave to be radiated has energy hν (h: Planck's constant, (v: frequency of electromagnetic wave), electron spin resonance absorption occurs when an electromagnetic wave equal to the energy difference between adjacent levels is applied. The spin of unpaired electrons is the same as that of a small magnet, and it is considered that the electron spin resonance absorption causes a transition to a higher energy level and the direction of the spin is reversed. This also reverses the direction of the small magnet. Accordingly, the magnetism of the sample attached to the cantilever changes due to electron spin resonance absorption, which causes a change in the magnetic moment acting on the cantilever, resulting in displacement of the deflection amount of the cantilever.

次に、実際に本発明に係るESR測定装置を用いて、遷移金属イオンCo2+を有するCo(NH4)2(SO4)2・6H2Oを試料として測定を行った結果を示す。図4は、実際に用いたパルス磁場強度の時間依存性を示している。図4からパルス幅は約60msであり、ピークの磁場強度が2テスラ程度の正弦波的な磁場が発生していることがわかる。 Next, a result of actually measuring using Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O having transition metal ion Co 2+ as a sample using the ESR measuring apparatus according to the present invention will be shown. FIG. 4 shows the time dependence of the pulse magnetic field strength actually used. FIG. 4 shows that a pulse width is about 60 ms and a sinusoidal magnetic field having a peak magnetic field strength of about 2 Tesla is generated.

ここで、本測定に用いたCo(NH4)2(SO4)2・6H2Oの磁性イオンCo2+は、その単結晶サイズが100x100x100μm,質量が約0.8μgである。これは電子スピン数で約1015個に相当するものである。 Here, the magnetic ion Co 2+ of Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O used in this measurement has a single crystal size of 100 × 100 × 100 μm 3 and a mass of about 0.8 μg. This corresponds to about 10 15 electron spins.

また、図5は、Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料を歪ゲージを内蔵したカンチレバーに取り付け、カンチレバーに働く磁気トルクの時間依存性をグラフに示したものである。図5の図中の“on”は、電磁波を照射した時の測定であり、“off”は電磁波を照射しない時の測定結果である。ここで、照射した電磁波の周波数は80GHzであり、測定温度は1.7Kである。 FIG. 5 is a graph showing the time dependence of magnetic torque acting on a cantilever when a Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 · 6H 2 O sample is attached to a cantilever with a built-in strain gauge. . In FIG. 5, “on” is a measurement when the electromagnetic wave is irradiated, and “off” is a measurement result when the electromagnetic wave is not irradiated. Here, the frequency of the irradiated electromagnetic wave is 80 GHz, and the measurement temperature is 1.7K.

カンチレバーには、セイコーエプソン社製のマイクロカンチレバー(400μmx50μmx4μm,バネ定数k=2N/m,共振周波数f=35kHz)を用いており、また、電磁波の放出には、Millitech社製ガン(Gunn)発振器を用いた。   The cantilever is a micro cantilever (400 μm × 50 μm × 4 μm, spring constant k = 2 N / m, resonance frequency f = 35 kHz) manufactured by Seiko Epson, Inc. Using.

図5において、“on”時の電磁波を照射しながら行った測定結果では、通常観測される磁気トルクに加えて、図中の矢印で示すところ2箇所に、こぶ状の磁気トルクの変位が観測されていることがわかる。これは、上述した如く、パルス磁場を用いる場合、電子スピン共鳴を起こす磁場の強さをHmは、パルス磁場の発生時間中に2回あり、試料の電子スピン共鳴による磁気モーメントの変化により発生するカンチレバーの撓みの変位が2回発生していることに対応するものである。   In FIG. 5, in the measurement result performed while irradiating the electromagnetic wave at “on”, in addition to the normally observed magnetic torque, the displacement of the hump-shaped magnetic torque is observed at two locations indicated by arrows in the figure. You can see that This is because, as described above, when a pulse magnetic field is used, the strength of the magnetic field causing electron spin resonance is Hm twice during the generation time of the pulse magnetic field, and is generated by a change in magnetic moment due to electron spin resonance of the sample. This corresponds to the fact that the displacement of the bending of the cantilever occurs twice.

磁場のベースの問題から、2回発生する撓み変位に若干のズレが生じるもののほぼ同じような値を示しており、データの信憑性を高めている。測定データとしては最初のデータを採用することとしている。   Although there is a slight deviation in the deflection displacement that occurs twice due to the problem of the magnetic field base, almost the same value is shown, and the reliability of the data is enhanced. The first data is adopted as measurement data.

ここで、今回の測定では、カンチレバーの撓み量を検出する検出手段に、歪ゲージを用いているが、さらに、感度を高めるには、光てこなどを使用するとよい。図5の縦軸の感度が上がり、より正確な測定を行うことができる。   Here, in this measurement, a strain gauge is used as a detection means for detecting the amount of bending of the cantilever, but an optical lever or the like may be used to further increase the sensitivity. The sensitivity on the vertical axis in FIG. 5 is increased, and more accurate measurement can be performed.

図6は、Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における磁気トルクの磁場依存性を示したものである。図5と同様、図中の“on”は、電磁波を照射した時の測定であり、“off”は電磁波を照射しない時の測定結果である。ここで、照射した電磁波の周波数は80GHzであり、測定温度は1.7Kである。
磁場の強さが1.6テスラ近傍で、試料の電子スピン共鳴による磁気モーメントの変化により発生するカンチレバーの撓みの変位が生じていることがわかる。
FIG. 6 shows the magnetic field dependence of the magnetic torque in the Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O sample. As in FIG. 5, “on” in the figure is a measurement when the electromagnetic wave is irradiated, and “off” is a measurement result when the electromagnetic wave is not irradiated. Here, the frequency of the irradiated electromagnetic wave is 80 GHz, and the measurement temperature is 1.7K.
It can be seen that when the strength of the magnetic field is around 1.6 Tesla, the displacement of the bending of the cantilever caused by the change of the magnetic moment due to the electron spin resonance of the sample occurs.

図7は、Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における電磁波を照射しない時の磁気トルクを、電磁波を照射した時の磁気トルクからバックグラウンドとして差し引いたデータを示している。図中の矢印で示した部分が電磁波の照射時に観測された磁気トルクの変位に対応している。図からわかるように、50Hz,80Hz,130Hzと照射する電磁波の周波数に伴って、磁気トルクの変位が観測される信号が高磁場にシフトしていっている。このことは観測された信号が電子スピン共鳴の可能性を示唆していることとなる。 FIG. 7 shows the data obtained by subtracting the magnetic torque of the Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 · 6H 2 O sample when the electromagnetic wave is not irradiated from the magnetic torque when the electromagnetic wave is irradiated as the background. Yes. The part indicated by the arrow in the figure corresponds to the displacement of the magnetic torque observed when the electromagnetic wave is irradiated. As can be seen from the figure, with the frequency of electromagnetic waves to be irradiated, such as 50 Hz, 80 Hz, and 130 Hz, a signal in which the displacement of the magnetic torque is observed is shifted to a high magnetic field. This means that the observed signal suggests the possibility of electron spin resonance.

図8は、Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における照射した電磁波の周波数と共鳴磁場の強さをプロットしたものである。得られたデータ点は、ほぼ原点を通る直線上に位置しており、この直線式から、電子スピン共鳴のg=3.55を得た。このg値は、Co2+イオンのg値として妥当な値である。 FIG. 8 is a plot of the frequency of the irradiated electromagnetic wave and the strength of the resonance magnetic field in a Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O sample. The obtained data point is located almost on a straight line passing through the origin, and g = 3.55 of electron spin resonance was obtained from this linear equation. This g value is a reasonable value as the g value of Co 2+ ions.

次に、本発明に係るESR測定装置を用いて、実施例1とは異なる試料である遷移金属イオンの1つであるマンガンイオンMn2+を有するMn(NH4)2(SO4)2・6H2Oを試料として測定を行った結果を示す。 Next, using the ESR measurement apparatus according to the present invention, Mn (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H having manganese ions Mn 2+ , which is one of transition metal ions, which is a sample different from Example 1. The results of measurement using 2 O as a sample are shown.

図9は、Mn(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における電磁波を照射しない時の磁気トルクを、電磁波を照射した時の磁気トルクからバックグラウンドとして差し引いたデータを示している。図中の矢印で示した部分が電磁波の照射時に観測された磁気トルクの変位に対応している。図からわかるように、50Hz,80Hzと照射する電磁波の周波数に伴って、磁気トルクの変位が観測される信号が高磁場にシフトしていっている。 FIG. 9 shows data obtained by subtracting the magnetic torque of the Mn (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 · 6H 2 O sample when the electromagnetic wave is not irradiated from the magnetic torque when the electromagnetic wave is irradiated as a background. Yes. The part indicated by the arrow in the figure corresponds to the displacement of the magnetic torque observed when the electromagnetic wave is irradiated. As can be seen from the figure, the signal at which the displacement of the magnetic torque is observed is shifted to a high magnetic field in accordance with the frequency of the electromagnetic wave to be irradiated, such as 50 Hz and 80 Hz.

図10は、Mn(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における照射した電磁波の周波数と共鳴磁場の強さをプロットしたものである。得られたデータ点は、ほぼ原点を通る直線上に位置しており、この直線式から、電子スピン共鳴のg=2.14を得た。このg値は、Mn2+イオンのg値として妥当な値である。 FIG. 10 is a plot of the frequency of the irradiated electromagnetic wave and the strength of the resonant magnetic field in a sample of Mn (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O. The obtained data points are located almost on a straight line passing through the origin, and g = 2.14 of electron spin resonance was obtained from this linear equation. This g value is a reasonable value as the g value of Mn 2+ ions.

図11に、本発明の第2の観点に係るESR測定装置(非接触型測定)の実施例における構成図を示す。図1の実施例1の構成と異なり、試料をカンチレバーに取り付けるのではなく、パーマロイなどの強磁性体10をカンチレバー4の先端部に取り付ける。そして、カンチレバー4の先端部の強磁性10と試料2を対向させるように配置する。試料2の電子スピン共鳴により生ずる磁化を、強磁性体10を用いて相互作用させ、カンチレバー4の撓みの変化として捉えて、試料2の非接触測定を可能としている。
尚、図11では、図1におけるカンチレバーの撓み量を検出する検出手段5とパルス磁場印加回路9は図示していない。
In FIG. 11, the block diagram in the Example of the ESR measuring apparatus (non-contact type | mold measurement) which concerns on the 2nd viewpoint of this invention is shown. Unlike the configuration of Example 1 in FIG. 1, the sample is not attached to the cantilever, but a ferromagnetic material 10 such as permalloy is attached to the tip of the cantilever 4. And it arrange | positions so that the ferromagnetic 10 and the sample 2 of the front-end | tip part of the cantilever 4 may be made to oppose. Magnetization caused by electron spin resonance of the sample 2 is caused to interact using the ferromagnetic material 10 and is regarded as a change in the bending of the cantilever 4 to enable non-contact measurement of the sample 2.
In FIG. 11, the detecting means 5 for detecting the bending amount of the cantilever and the pulse magnetic field applying circuit 9 in FIG. 1 are not shown.

本発明に係るESR測定装置は、化学試料の分析装置の一つとして、化学・生物学・医学等の分野に広く利用でき、特に、高周波・高磁場化により、従来のESR装置に比べて分解能が高く、類似のフリーラジカルを区別でき、生体への利用可能性が高い。   The ESR measurement apparatus according to the present invention can be widely used in the fields of chemistry, biology, medicine, etc. as one of chemical sample analysis apparatuses, and in particular, has higher resolution than conventional ESR apparatuses due to high frequency and high magnetic field. Is high, can distinguish similar free radicals, and is highly applicable to living bodies.

本発明に係るESR測定装置の実施例における構成図を示す。The block diagram in the Example of the ESR measuring apparatus which concerns on this invention is shown. パルス磁場の時間と磁場の変化を示すグラフ図を示す。The graph which shows the time of a pulse magnetic field and the change of a magnetic field is shown. 電子スピン共鳴吸収が生じる磁場の強さと電子のエネルギー準位との関係を示す。The relationship between the strength of the magnetic field where electron spin resonance absorption occurs and the energy level of electrons is shown. 実際に用いたパルス磁場強度の時間依存性を示す。The time dependence of the pulse magnetic field intensity actually used is shown. Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における磁気トルクの時間依存性を示す。The time dependence of the magnetic torque in the Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 · 6H 2 O sample is shown. Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における磁気トルクの磁場依存性を示す。The magnetic field dependence of the magnetic torque in the Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 · 6H 2 O sample is shown. Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における電磁波を照射しない時の磁気トルクを、電磁波を照射した時の磁気トルクからバックグラウンドとして差し引いたデータを示すグラフ図である。Co magnetic torque when the (NH 4) 2 (SO 4 ) without applying an electromagnetic wave in a sample of 2 · 6H 2 O, is a graph showing the data obtained by subtracting the background from the magnetic torque when irradiated with electromagnetic waves. Co(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における照射した電磁波の周波数と共鳴磁場の強さをプロットしたもののグラフ図を示す。The graph figure of what plotted the frequency of the electromagnetic wave irradiated and the intensity of the resonant magnetic field in the sample of Co (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 · 6H 2 O is shown. Mn(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における電磁波を照射しない時の磁気トルクを、電磁波を照射した時の磁気トルクからバックグラウンドとして差し引いたデータを示すグラフ図である。Mn magnetic torque when the (NH 4) 2 (SO 4 ) without applying an electromagnetic wave in a sample of 2 · 6H 2 O, is a graph showing the data obtained by subtracting the background from the magnetic torque when irradiated with electromagnetic waves. Mn(NH4)2(SO4)2・6H2Oの試料における照射した電磁波の周波数と共鳴磁場の強さをプロットしたもののグラフ図を示す。 Mn (NH 4) 2 (SO 4) Although plotting the intensity of the frequency and the resonance magnetic field of the electromagnetic wave irradiated in a sample of 2 · 6H 2 O shows a graph. 本発明の第2の観点に係るESR測定装置(非接触型測定)の実施例における構成図を示す。The block diagram in the Example of the ESR measuring apparatus (non-contact type measurement) which concerns on the 2nd viewpoint of this invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 電磁石
2 試料
3 発振器
4 カンチレバー
5 カンチレバーの撓み量を検出する検出手段
6 デジタルメモリ
7 情報処理端末PC
8 照射電磁波
9 パルス磁場印加回路
10 強磁性体


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electromagnet 2 Sample 3 Oscillator 4 Cantilever 5 Detection means which detects bending amount of cantilever 6 Digital memory 7 Information processing terminal PC
8 Irradiated electromagnetic wave 9 Pulsed magnetic field application circuit 10 Ferromagnetic material


Claims (4)

カンチレバーと、前記カンチレバーに取り付けられた試料にパルス磁場をかけるパルス磁場印加手段と、前記試料にミリ波,サブミリ波,テラヘルツなど高周波電磁波を照射させる電磁波印加手段と、前記カンチレバーの撓み量を検出する検出手段とを少なくとも備え、試料の電子スピン共鳴による磁気トルクの変化により発生するカンチレバーの撓み変位を検出することを特徴とするカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置。   A cantilever, pulsed magnetic field applying means for applying a pulsed magnetic field to a sample attached to the cantilever, electromagnetic wave applying means for irradiating the sample with a high frequency electromagnetic wave such as millimeter wave, submillimeter wave, terahertz, and the amount of bending of the cantilever A cantilever-detecting electron spin resonance measuring apparatus comprising: at least a detecting unit; and detecting a bending displacement of the cantilever generated by a change in magnetic torque due to electron spin resonance of the sample. 強磁性材料を取り付けたカンチレバーと、試料と、前記試料にパルス磁場をかけるパルス磁場印加手段と、前記試料にミリ波,サブミリ波,テラヘルツなど高周波電磁波を照射させる電磁波印加手段と、前記カンチレバーの撓み量を検出する検出手段とを少なくとも備え、試料の電子スピン共鳴による前記強磁性材料と試料との相互作用により発生するカンチレバーの撓み変位を検出することを特徴とするカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置。   A cantilever with a ferromagnetic material, a sample, a pulsed magnetic field applying means for applying a pulsed magnetic field to the sample, an electromagnetic wave applying means for irradiating the sample with a high frequency electromagnetic wave such as millimeter wave, submillimeter wave, terahertz, and the bending of the cantilever A cantilever-detecting electron spin resonance measuring apparatus, comprising: a detecting means for detecting a quantity; and detecting bending displacement of the cantilever caused by the interaction between the ferromagnetic material and the sample due to electron spin resonance of the sample. 前記カンチレバー及び試料を微小化して、磁場発生空間を狭小化することにより、前記パルス磁場印加手段がミニコイルと小容量のコンデンサで構成されることを特徴とする前記請求項1又は2に記載のカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置。   3. The cantilever according to claim 1 or 2, wherein the pulse magnetic field applying means is constituted by a mini-coil and a small-capacitance capacitor by miniaturizing the cantilever and the sample to narrow a magnetic field generation space. Detection electron spin resonance measuring device. 前記カンチレバーの撓み変位を検出する方法が、光てこ方式やピエゾ素子抵抗方式などの微小変位検出測定であることを特徴とする前記請求項1乃至3に記載のカンチレバー検出電子スピン共鳴測定装置。



4. The cantilever detection electron spin resonance measuring apparatus according to claim 1, wherein the method of detecting the bending displacement of the cantilever is a micro displacement detection measurement such as an optical lever method or a piezo element resistance method.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
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