JP2000237165A - 電子スピン共鳴の計測方法および計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】生体などの大型試料を簡単に計測することがで
きるＥＳＲ計測方法と、共振器、主磁石および磁場変調
コイルを小型一体化してフリーラジカル検出プローブヘ
ッドとして活用しうるＥＳＲ計測装置を提供すること。 【解決手段】共振器のループが構成する面に平行な電磁
波磁界成分を用いて、試料の電子スピン共鳴を計測する
方法；および共振器、該共振器のループが構成する面に
垂直な方向に静磁場を与えることができる主磁石、およ
び該共振器のループが構成する面に垂直な方向に変調磁
界を与えることができる磁場変調コイルから少なくとも
構成される電子スピン共鳴計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大型試料中のフリーラ
ジカル検出に有用な電子スピン共鳴（ＥＳＲ）の計測方
法および計測装置に関する。さらに詳しくいえば、共振
器のループが構成する面に平行な電磁波磁界成分を用い
て試料のＥＳＲを計測する方法と、共振器のループ軸線
上に主磁石および磁場変調コイルを配置して小型一体化
したＥＳＲ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フリーラジカルは、癌、炎症性疾患、潰
瘍、脳血管疾患、心筋梗塞などの各種疾患を誘起もしく
は増悪することが知られている。従って、生体中のフリ
ーラジカルを検出することは、フリーラジカルが関る疾
患の診断、治療、予防法の確立に応用し得るものとして
期待されている。

【０００３】従来からＥＳＲの計測方法は、物質内のフ
リーラジカルの有する不対電子を高感度かつ非破壊で検
出する優れた手法として知られている。また、不対電子
の磁場中のラーモア才差運動周波数の変化や、変動幅か
ら、物質の様々な情報を読みとることができる。このた
め、生体という、大容積で高誘電損失の試料を常温で計
測することができれば極めて有用である。しかし、初期
のＥＳＲは検出部である共振器の試料挿入空間が狭く、
共振周波数（約９．５ＧＨｚ）も水の誘電損失の大きい
帯域であったため、生体計測は不可能だった。

【０００４】そこで、これまでは試料挿入空間を広げる
ために共振器を大型化し、誘電損失を軽減させるために
共振周波数を下げるという方法がとられてきた。添付の
図１に示すとおり、一般にＥＳＲ装置は外部静磁場を与
える主磁石１、変調磁界を発生させるための磁場変調コ
イル２、試料に有効に電磁波磁界を照射させ同時に計測
部として機能する共振器３からなりたつ。このように、
ＥＳＲ計測を行うためには共振器の外部にさらに主磁石
や磁場変調コイルが必要とされるため、大型の試料を計
測するためには装置自体を大型化しなければならない。
これまで作成されてきた共振器は実験用小動物が挿入可
能な大きさに留まっており、実用に耐えうる装置は提供
されていない。

【０００５】一方、共振器をプローブヘッドとして、生
体などの大型試料の表面にあてフリーラジカルを観測す
るという方法も検討されている。それには主磁石や変調
コイルを共振器と小型一体化させた装置を提供すること
が必要とされるが、従来の装置構成を採用する限りその
ような装置の提供は困難である。つまり、従来のＥＳＲ
計測法では、共振器のループが構成する面に垂直な電磁
波磁界成分を用いるために、それに直交する静磁場と変
調磁界を与えなければならない。したがって、共振器の
ループが構成する面に直交する面上に主磁石と磁場変調
コイルを配置することが不可欠であり、装置全体をプロ
ーブヘッドとして小型一体化するのは困難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来技術の問題点を解決することを課題とした。すなわち
本発明は、生体などの大型試料を簡単にＥＳＲ計測する
ことができるＥＳＲ計測法および装置を提供することを
解決すべき課題とした。また本発明は、共振器、主磁石
および磁場変調コイルを小型一体化してフリーラジカル
検出プローブヘッドとして活用することができる、新た
な装置構成をもったＥＳＲ装置を提供することも解決す
べき課題とした。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、共振器のループが
構成する面に平行な電磁波磁界成分を用いることによ
り、その面と垂直なループ軸線上に主磁石および磁場変
調コイルを配置することが可能となり、装置全体をフリ
ーラジカル検出プローブヘッドとして小型一体化できる
ことを見出した。本発明はこれらの知見を基に完成され
たものである。

【０００８】すなわち本発明は、共振器のループが構成
する面に平行な電磁波磁界成分を用いて、試料の電子ス
ピン共鳴を計測する方法を提供するものである。本発明
の好ましい態様によれば、試料に電磁波を印加し、共振
器のループが構成する面に垂直な方向に静磁場および変
調磁場を与えたうえで、該共振器のループが構成する面
に平行な電磁波磁界成分を用いて該試料の電子スピン共
鳴を計測する。本発明の方法で使用する電磁波として
は、低周波マイクロ波〜ラジオ波を用いるのが好まし
い。また本発明の方法によれば、共振器を試料表面に接
触させた状態で電子スピン共鳴を計測することができ
る。

【０００９】また本発明は、共振器、該共振器のループ
が構成する面に垂直な方向に静磁場を与えることができ
る主磁石、および該共振器のループが構成する面に垂直
な方向に変調磁界を与えることができる磁場変調コイル
から少なくとも構成される電子スピン共鳴計測装置も提
供する。

【００１０】

【発明の実施の態様】以下において、本発明の方法およ
び装置について図２を参照しながら具体的に説明する
が、本発明の範囲は以下に記載する例に限定されること
はない。本発明は、共振器のループが構成する面と平行
な電磁波磁界成分を用いて、試料内のフリーラジカルを
検出することを特徴とする。共振器のループが構成する
面と平行な電磁波磁界成分を用いるためには、電磁波磁
界成分と直交するように静磁場及び変調磁界を与えるよ
うに、ループ軸線上に主磁石および磁場変調コイルを配
置すればよい。添付の図２は、本発明を実施するのに適
した装置の一例を示したものである。この装置では、共
振器３のループ軸線上に主磁石１と磁場変調コイル２が
配置されているために、全体が小型一体化している。

【００１１】本発明で用いられる共振器の部材および形
状については、いずれも当業者に公知であり適宜選択可
能である。例えば、部材として、銀、銅、セラミックな
どがあげられる。形状については表面コイル型やループ
ギャップ型などがあげられる。共振器のループ径は使用
する波長より充分に小さい径を使うことが望ましい。照
射電磁波の周波数、すなわち共振器の共振周波数に特に
制約は設けないが、１ＧＨｚ以下の低周波マイクロ波〜
ラジオ波が望ましい。

【００１２】主磁石は磁界方向が共振器のループが構成
する面と垂直な方向（軸線方向）になるように配置され
ることが必要である。形状については、いずれも当業者
に公知であり適宜選択可能である。例えば、永久磁石、
鉄心コイル電磁石、空心コイル電磁石などがあげられ
る。磁界強度は、使用する共振周波数によって適宜選択
可能であるが、共振周波数が１ＧＨｚ以下の場合は４０
ｍＴ以下が望ましい。

【００１３】変調磁界コイルは磁界方向が共振器のルー
プが構成する面と垂直な方向になるように配置されるこ
とが必要である。形状については、いずれも当業者に公
知であり適宜選択可能である。例えば、ソレノイド型、
スパイラル型などがあげられる。変調磁界強度は、対象
とするフリーラジカル信号の線幅により適宜選択可能で
ある。変調周波数も適宜選択可能であるが、１／ｆノイ
ズ除去のため１００ｋＨｚ近辺が望ましい。

【００１４】このようなＥＳＲ計測装置を用いて試料の
ＥＳＲ計測を行うときには、試料表面を共振器３に接触
させるだけでよい。このようにＥＳＲ計測装置をプロー
ブヘッドとして利用することができるために、本発明は
生体などの大型試料の計測に極めて有用である。試料の
位置決めを行った後は、試料に電磁波を印加し、共振器
のループが構成する面に垂直な方向に静磁場および変調
磁場を与える。電磁波、製磁場および変調磁場の印加方
法は当業者に公知であり適宜選択される。ＥＳＲの計測
は、共振器のループが構成する面に平行な電磁波磁界成
分を用いて行う。

【００１５】本発明では、計測の対象となる試料は特に
限定されない。例えば、固体試料、水溶液もしくは非水
溶液、生体から分離採取された臓器組織体液、生体のい
ずれも計測の対象とすることが可能である。特に本発明
によれば、生体を破壊することなくそのまま計測するこ
とができる。生体としては、マウス、ラット、モルモッ
ト、ウサギ、ネコ、イヌ、サル、チンパンジー、ゴリラ
などの実験用動物の他、ヒトを対象とすることも可能で
ある。

【００１６】本発明による計測を行うにあたっては、ス
ピンラベル剤やスピントラップ剤などのラジカル試薬を
併用してもよい。ラジカル試薬の種類は、ＥＳＲ計測に
より生体内のフリーラジカルを検出することができるも
のであればいかなるものであってもよい。例えば、３−
カルバモイルー２，２，５，５−テトラメチルピロリジ
ン−１−オキシル（カルバモイルＰＲＯＸＹＬ）等のス
ピンラベル剤を好ましく使用することができる。また、
これらのラジカル試薬を被計測部位に送り込むことがで
きるラジカル試薬供給子を使用して、生体の特定部位の
計測を行うこともできる。

【００１７】

【実施例】以下に実施例を記載して本発明をさらに具体
的に説明する。以下の実施例に示す材料、寸法、操作手
順等は、本発明の趣旨から逸脱しない限り適宜変更する
ことができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す
具体例に制限されるものではない。

【００１８】図３に実施例で作成した電子スピン共鳴計
測装置の断面図を示す。共振器には１回巻コイルと平衡
線路からなる表面コイル型を用いた。１回巻コイルのル
ープ径は５ｍｍであり、線材は直径０．５１ｍｍの銅線
である。平衡線路５は長さ２７８ｍｍの５０Ω同軸セミ
リジットケーブルを用いた。ケーブルの外径は２ｍｍで
あり、心線は直径０．５１ｍｍの銅線である。マイクロ
波は線路上に挿入した分岐コネクタに、整合用のスリー
スターブチューナーを介して給電され、共振周波数は７
２０ＭＨｚである。

【００１９】主磁石１には永久磁石を用いた。これは外
径１６ｍｍ、内径７ｍｍ、軸長５ｍｍのトーラス型であ
り、材質はサマリウムコバルト合金である。この磁石は
軸方向に磁化されており、静磁場の磁界方向は磁石の軸
方向である。トーラスの穴の中に共振器のループ４が挿
入され、ループが構成する面は磁石の軸方向すなわち静
磁場方向と直交する。この主磁石１には、静磁場微調整
兼磁場掃引用のコイル７が主磁石１と共振器の間に付属
する。これは外径３０ｍｍ、内径１０ｍｍ、軸長２ｍｍ
のソレノイド型であり線材は銅線である。このコイル７
と主磁石１との間にはテフロン製のスペーサ６が位置す
る。静磁場の強度は共振器位置で２６ｍＴ、磁場掃引幅
は１０ｍＴである。

【００２０】磁場変調コイル２は外径３０ｍｍ、内径１
０ｍｍ、軸長１ｍｍのソレノイド型であり線材は銅線で
ある。このコイルは共振器のループ４が構成する面に配
置され、変調磁界発生方向はループが構成する面と直交
する。変調磁界強度は０．２ｍＴ、変調周波数は１００
ｋＨｚである。

【００２１】この計測装置は、共振器と主磁石と磁場変
調コイルが一体化し、平衡線路以外は直径３０ｍｍ、軸
長１６ｍｍの円筒状の空間内に収まっており、持ち運び
が可能な大きさである。これに、マイクロ波給電兼検波
のライン、磁場変調コイル磁場掃引コイルへの給電のラ
インを接続してＥＳＲ計測を行なった。

【００２２】シート状のフリーラジカル試料として、厚
さ０．０５ｍｍのセロハンシート２枚の間に１，１−ジ
フェニル−２−ピクリルヒドラジルの粉末をシート状に
してはさみこんだ試料を用いた。試料表面に共振器が触
れるように計測装置を配置してＥＳＲ計測を行なった。
その結果、図４に示すようなＥＳＲ信号を得ることがで
きた。計測条件は以下のとおり。マイクロ波電力、４０
ｍＷ；磁場変調幅、０．２ｍＴ；磁場変調周波数、１０
０ｋＨｚ；増幅率、２０倍；磁場掃引速度、１０ｍＴ／
秒；時定数、０．００１秒；積算回数、４回。

【００２３】実施例で作成した本発明の計測装置は、持
ち運びが可能な大きさであり、かつシート状フリーラジ
カル試料のＥＳＲ信号を観測することができた。このこ
とから、本発明の装置が、大型試料の表面にプローブヘ
ッドとして接触させることによって、試料表面のフリー
ラジカルを検出可能であることは明らかである。

【００２４】

【発明の効果】本発明の方法および装置を用いることに
より、今まで計測が困難であった大型の試料表面に存在
するフリーラジカルの検出が可能となる。したがって、
様々な大型試料中のフリーラジカルに関する検査や、フ
リーラジカルが関る疾患の診断、治療、予防法などの確
立のために極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＥＳＲ装置構成を示した図である。

【図２】本発明のＥＳＲ装置構成を示した図である。

【図３】本発明の実施例で作成したＥＳＲ装置の断面図
である。

【図４】本発明の実施例においてシート状フリーラジカ
ル試料を計測したときに得られた信号を示す図である。

【符号の説明】

１ 主磁石 ２ 磁場変調コイル ３ 共振器 ４ 共振器のループ ５ 共振器平衡線路 ６ スペーサ ７ 静磁場微調整兼磁場掃引コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 忠彰 山形県米沢市東１丁目10番53号 (72)発明者 本橋 元 山形県米沢市東１丁目10番53号 (72)発明者 高橋 富士雄 山形県米沢市東１丁目10番53号 (72)発明者 工藤 亮介 山形県米沢市東１丁目10番53号 Ｆターム(参考） 2G045 AA13 AA16 AA25 AA26 CA25 CB01 CB02 CB03 CB26 DA77 DA80 FA34 FA36 JA07 4C096 AA20 AB42 AD30

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振器のループが構成する面に平行な電
   磁波磁界成分を用いて、試料の電子スピン共鳴を計測す
   る方法。
2. 【請求項２】 試料に電磁波を印加し、共振器のループ
   が構成する面に垂直な方向に静磁場および変調磁場を与
   えたうえで、該共振器のループが構成する面に平行な電
   磁波磁界成分を用いて該試料の電子スピン共鳴を計測す
   る方法。
3. 【請求項３】 前記電磁波として低周波マイクロ波〜ラ
   ジオ波を用いる請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記共振器を試料表面に接触させた状態
   で電子スピン共鳴を計測する請求項１〜３のいずれかに
   記載の方法。
5. 【請求項５】 共振器、該共振器のループが構成する面
   に垂直な方向に静磁場を与えることができる主磁石、お
   よび該共振器のループが構成する面に垂直な方向に変調
   磁界を与えることができる磁場変調コイルから少なくと
   も構成される電子スピン共鳴計測装置。