JP5481651B2

JP5481651B2 - 電子スピン共鳴装置

Info

Publication number: JP5481651B2
Application number: JP2010163278A
Authority: JP
Inventors: 公一中川
Original assignee: 公一中川
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: JP2012026769A

Description

本発明は、電子スピン共鳴装置に関する。

電子スピン共鳴（ＥＳＲ）を利用して、例えば動物の皮膚のような試料の測定や分析を行う際には、通常、静磁場中に配置された空洞共振器に試料を挿入し、空洞共振器内にマイクロ波を照射する。このとき、静磁場中でゼーマン分裂したエネルギー準位間のエネルギー差に相当する電磁波（マイクロ波）を試料が吸収することによって電子スピン共鳴が生じ、得られたＥＳＲスペクトルから試料の測定・分析が行われている。

例えば、非特許文献１には、周波数2.2 GHzのマイクロ波によるＥＳＲを用いて皮膚を画像化する方法が開示されている。この方法では、皮膚を特殊なリング状の器具に押し当て、その部位をＥＳＲで測定する。

また、ＥＳＲによる測定では、空洞共振器内に挿入する試料の大きさには限界があり、例えば試料のサイズを数ミリメートル程度にする必要がある。そこで、特許文献１には、大きな試料を破壊せずにＥＳＲ測定可能とする電子スピン共鳴装置が開示されている。この装置では、空洞共振器の外周壁に内部のマイクロ波を外部へ漏洩させるための穴を設け、空洞共振器の外部からこの穴に試料を接近させて配置し、測定を行うようにしている。

特公昭６０−０５１６５９号公報

Journal of Magnetic Resonance 151(2001) 124-128

しかしながら、非特許文献１に開示されている方法では、特殊な器具を用意することが必要であるために実用的でなく、測定対象も限られるという問題がある。

また、特許文献１に開示された装置では、空洞共振器の上下方向に延びた外周壁の穴に試料を接近させて配置するため、試料を上下方向に移動しないように且つ穴の位置から外れないように保持する器具や特別な手段が必要である。すなわち、非特許文献１と同様に特別な器具あるいは手段を備えなければならず、手間もかかるという問題がある。

本発明は、ＥＳＲによる試料測定に際し、特別な器具あるいは手段を用意することなく、例えば動物の皮膚や毛髪、爪の表面とその下層あるいは局所面など、試料の微細な部位を、高い解析度で簡便かつ迅速に測定できる電子スピン共鳴装置を提供することを目的とする。

本発明は、円筒形の空洞を有する空洞共振器に静磁場を印加すると共に、該空洞共振器内に高周波のマイクロ波を加えるように構成した電子スピン共鳴装置において、前記空洞共振器は、その内部空洞の円形断面が内接する平面を備え、該平面上の前記円形断面が接する位置に前記マイクロ波を前記空洞共振器の外に放出させるための孔を有し、前記空洞が水平方向に延びると共に前記平面が上面又は下面になるように配置されていることを特徴とする。

本発明の装置で用いられるマイクロ波の周波数は、例えば９ＧＨｚであり、その場合に空洞共振器の平面に設けられる孔は１〜３ミリメートルの径を有するものとする。

本発明のＥＳＲ装置によれば、測定は、空洞共振器に試料を挿入して行うのではなく、空洞共振器に設けた孔から放出されるマイクロ波を用いて試料を検出する。その際、空洞共振器の孔は平面に設けられているので、試料は平面上に置くだけで孔に近接することとなり、従来のように保持のために特別な器具や手段を要しない。特に、平面が上面である場合には、試料を載せればよく、平面が下面の場合は、支持台の上に試料を置いてその上に空洞共振器の下面が接するように配置する。

また、前記孔は空洞共振器の内部空洞の円形断面が内接する平面上の位置に設けられているので、孔から放出されるマイクロ波は、空洞内の強度に対し一定の割合で試料に吸収される。その結果得られた信号からＥＳＲスペクトルを抽出して、詳細な局所環境の運動性や構造性を解析する。

従って、本発明によれば、皮膜のような試料を破壊することなく、空洞共振器の孔から放出されるマイクロ波を効率よく試料に当てて局所磁場を発生させることができ、皮膜のような試料の状態を高精度のＥＳＲ画像として生成することができる。

更に、本発明によれば、マイクロ波の周波数が１０ＧＨｚ近傍（例えば、９ＧＨｚ）又はそれ以上のＥＳＲ装置を構成することにより、マイクロモル濃度もしくはそれより低い濃度の検出濃度を実現できる。より高い周波数では、より低濃度の検出が可能になる。

また、マイクロ波周波数９ＧＨｚのＥＳＲ装置に磁場勾配コイルを装着した装置に改良することで、磁場勾配コイルを印加して局所磁界を発生させ、上下方向にある試料を分離することが可能になる。得られたＥＳＲ信号を画像処理することで試料状態の画像分離ができる。

上記のように、本発明では、空洞共振器に試料を挿入することなく、しかも特殊な器具を用いることなく試料を測定することができる。このため、試料のサイズや部位にとらわれることなく迅速な測定を可能にする。すなわち、非侵襲で、培養皮膚や皮膚表面と内部・皮膜表面と内部・髪の毛表面と内部・爪の表面と内部、内層の流動性や構造性を画像評価することが可能になる。

また、生体の皮膚の構造状態をＥＳＲ画像生成で画像判定が可能になるので、皮膚科学関連の領域や分野の飛躍的進展に寄与することが期待される。

農業・食品分野で期待できる例として、果実・野菜・食品・魚貝類等に含まれる脂質、アミノ酸、セラミドなどの肌への効果検証が挙げられる。

また、皮膚科学関連分野とその化学系製造業での皮膚計測が可能な例として、以下のものが挙げられる。

紫外線や放射線暴露による皮膚状態の画像化、
化粧品・香粧品、家庭用洗剤・漂白剤、化学薬品等の肌荒れの検証、
肌に良いとされるクリーム等製品の肌への効果検証、
医薬品研究開発で経皮吸収剤の皮膚からの吸収性の検証。具体的には、経皮吸収剤をあらかじめ皮膚に添付し、その後、経皮吸収剤をふき取り、プローブ剤を添付することにより経皮吸収剤の効果を検証することができる。

実施形態のＥＳＲ装置の概略構成を示す図。空洞共振器と導波管の配置図。導波管を接続した空洞共振器の構成を示す斜視図。図３の空洞共振器の点Ａ、Ｂ、Ｃで示される３つの位置におけるマイクロ波の強度を示すグラフ。空洞共振器の上面に試料を配置して測定する場合の説明図。空洞共振器の下面に試料を配置して測定する場合の説明図。

図１は、本発明の実施形態に係るＥＳＲ装置１の主要な構成を示す。この装置は、
試料Ｓを配置する場所に静磁場を発生させる左右一対の電磁石２ａ，２ｂと、
本装置の電源（図示省略）とは別に設けた電源３から供給される電流によって静磁場中に磁場勾配を生じさせる左右一対の磁場勾配コイル４ａ，４ｂと、
本装置の電源から給電されて、後述のように空洞共振器６の外に置いた試料Ｓから信号を取り出すための磁場を形成する左右一対の磁場変調コイル５ａ，５ｂと、
図２に示すように導波管１６を通してマイクロ波が供給される空洞共振器６と、
この空洞共振器６の上面に置いた試料Ｓからの信号を検出し、ＥＳＲ信号として出力する検出器７と、
その検出信号（ＥＳＲ信号）を増幅する増幅器８とを備える。
ここで、増幅されたＥＳＲ信号は、試料分析に必要な画像を生成する装置９に送信されるようになっている。

図３に示すように、空洞共振器６は、外形が略直方体形状で、その内部に水平方向に延びた円筒形の空洞１０を備えている。空洞共振器６の上面６ａは、空洞１０の円形断面１１が内接する平面となっており、この平面上の前記円形断面１１が接する位置（図示の場合、空洞１０の中心軸方向の接線１３の中点）に、空洞１０内に供給されたマイクロ波を空洞共振器６の外に放出させるための孔１２を有する。

この空洞共振器６では、マイクロ波の強度は空洞１０内の位置によって異なる。具体的には、空洞１０の円形断面１１の最も低い位置にある軸方向直線１４上で上記孔１２の真下の点をＡ、上面６ａ上で孔１２の中心上の点をＢ、空洞１０の内壁面上で上下方向の中点をＣとすれば、３つの点Ａ，Ｂ，Ｃで示される位置におけるマイクロ波の強度は、次のようになることが確認された。

例えば、周波数９．４４５ＧＨｚのマイクロ波の場合、図４に示すように、Ａ点では１９０ｎＡ／ｍ、Ｂ点では５２ｎＡ／ｍ、Ｃ点では０に近い値となった。従って、上面６ａ上の孔１２の位置では、空洞１０内のマイクロ波の２５％近くが出ていることがわかる。

従って、本実施形態の空洞共振器６を用いて測定する際には、図５に示すように、空洞共振器６の孔１２を設けた上面６ａ上に試料Ｓを置いて、空洞１０内にマイクロ波を供給すればよい。

或いは、図６に示すように、空洞共振器６の空洞１０を下面６ｂに円形断面が接するように形成してその接線上に孔１２を設けてもよい。この場合、適当な支持台１５の上に試料Ｓを置いて、その上に空洞共振器６の孔１２を設けた下面６ｂが接するように配置することができる。これにより、図５の場合と同様の測定結果が得られる。

本実施形態によれば、空洞共振器６の内部空洞１０から平面上の孔１２を通じて漏出するマイクロ波による磁界を利用して試料ＳのＥＳＲ量を測定する。そのため、磁場勾配コイル４ａ，４ｂを用いて局所磁界を発生させ、検出器７で得られたＥＳＲ信号を増幅機８で増幅して画像生成装置９で画像として生成処理することにより、試料の表面状態を示す画像を分離できる。

測定条件として、例えば、図１のＥＳＲ装置１における磁場勾配Ｇの強度を約４０ｍＴ／ｃｍとし、画像分解能を約0.005ミリメートルとすることができる。

また、マイクロ波の周波数が９ＧＨｚの場合、空洞共振器６の平面に設ける孔１２の径は１〜３ミリメートルとするとよい。他の周波数の場合には、孔１２の径は周波数に反比例する。例えば、１２ＧＨｚであれば、（１〜３）ミリメートル×９／１２＝（０．７５〜２．２５）ミリメートルとする。但し、実用上、孔の径は１ミリメートル以上である。

１…ＥＳＲ装置、２ａ，２ｂ…電磁石、３…電源、４ａ，４ｂ…磁場勾配コイル、５ａ，５ｂ…磁場変調コイル、６…空洞共振器、７…検出器、８…増幅器、９…画像生成装置、１０…空洞、１１…円形断面、１２…孔、１３…接線、１４…直線、１５…支持台、１６…導波管。

Claims

円筒形の空洞を有する空洞共振器に静磁場を印加すると共に、該空洞共振器内に高周波のマイクロ波を加えるように構成した電子スピン共鳴装置において、
前記空洞共振器は、その内部空洞の円形断面が内接する平面を備え、該平面上の前記円形断面が接する位置に前記マイクロ波を前記空洞共振器の外に放出させるための孔を有し、前記空洞が水平方向に延びると共に前記平面が上面又は下面になるように配置されていることを特徴とする電子スピン共鳴装置。
前記マイクロ波の周波数が９ＧＨｚの場合に前記孔は１〜３ミリメートルの径を有することを特徴とする請求項１記載の電子スピン共鳴装置。