JP7418005B2 - 自由水測定装置、自由水測定方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、自由水測定装置、自由水測定方法、及びプログラムに関する。

皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等に含まれる水は、自由水（バルク水）と水和水（結合水）とに分類される。自由水は、生体組織等の内部を自由に移動することができる。これに対して、水和水は、タンパク質等の構造物に結合し、生命活動等に非常に重要な役割を果たす。いずれの分野においても、自由水の量及び水和水の量は、水を含む物質の状態を詳細に把握するための重要なパラメータの１つになり得る。このような自由水の量又は水和水の量を評価することは水の「質」を評価することを意味し、今後、その重要性がより一層高まると考えられる。

例えば、特許文献１には、全反射減衰分光法により皮膚の表面にテラヘルツ波を照射し、表皮層の複素屈折率と角層の厚みを用いて二界面モデルを適用して吸収係数を求めることにより、皮膚の水分による吸収を評価する手法が開示されている。例えば、非特許文献１には、テラヘルツ波を用いた全反射減衰分光法により皮膚の表面から既定の深さ範囲における複素誘電率を求めてヒトがん細胞における水分の誘電応答を特性評価する手法が開示されている。

例えば、特許文献２には、無極性の液体を媒質とするテラヘルツ波を用いた細胞評価において、細胞内におけるテラヘルツ波電場に対する誘電応答を複素誘電率として数値化して検出し、その検出結果に基づいて、細胞内の状態を評価する手法が開示されている。例えば、特許文献３～特許文献６には、電極の近傍の試料により生じた誘電率の変化を電極の寄生容量の変化に伴う発振周波数の変化として検出することにより、試料に含まれる水分を評価する手法が開示されている。

特開２０１６－５３５２８号公報 特開２０１９－６０６０９号公報 特開２０１７－１８７４６３号公報 国際公開第２０１７／１３０９６２号 特開２０１８－１５８号公報 特開２０１７－１３１２３０号公報

Ｋ．Ｓｈｉｒａｇａ ｅｔ ａｌ．，"Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｃａｎｃｅｒ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｒｅｇｉｏｎ"， Ｊ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｕｌｔｉ Ｔｅｒａｈｚ Ｗａｖｅｓ， ２０１４年、 ３５：４９３－５０２

しかしながら、特許文献１～特許文献６に開示された手法では、自由水と水和水とを分離して測定することができず、自由水又は水和水の量だけを高精度に測定することができない。また、非特許文献１に開示された手法では、皮膚の表面から所望の深さ範囲における水分の誘電応答を評価することができず、深さ位置に応じた水の状態を評価することができない。

以上のように、従来の手法では、被測定試料に含まれる水（水分）の「質」を高精度に評価することは困難である。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価するための新たな技術を提供することにある。

いくつかの実施形態の第１態様は、被測定試料の表面から第１深さ位置までの第１深さ範囲の第１誘電損失と、前記表面から前記第１深さ位置より浅い第２深さ位置までの第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得する取得部と、前記第１誘電損失と、前記第２誘電損失と、前記第１深さ範囲における誘電損失に対する前記第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、前記第１深さ位置から前記第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出する算出部と、純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を基準に前記第３誘電損失に対応する自由水量を特定する特定部と、を含む自由水測定装置である。

いくつかの実施形態の第２態様では、第１態様において、前記取得部は、純水を前記被測定試料として前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得し、前記特定部は、前記第３誘電損失を被除数とし、純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより前記自由水量を求める。

いくつかの実施形態の第３態様では、第１態様又は第２態様において、前記取得部は、互いに異なる２以上の前記第２深さ範囲について前記第２誘電損失を取得し、前記算出部は、前記取得部により取得された２以上の前記第２誘電損失のそれぞれについて前記第３誘電損失を算出し、前記特定部は、前記算出部により算出された２以上の前記第３誘電損失のそれぞれに対応する自由水量を特定し、前記特定部により特定された２以上の前記自由水量に基づいて深さプロファイルを生成するプロファイル生成部を含む。

いくつかの実施形態の第４態様では、第１態様～第３態様のいずれかにおいて、前記取得部は、テラヘルツ全反射減衰分光測定により得られたスペクトルに基づいて前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得する。

いくつかの実施形態の第５態様は、第４態様において、時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施すことにより得られた周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルと被測定試料がないときの周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて反射率スペクトルと位相差スペクトルとを求める第１スペクトル算出部と、フレネルの式と前記第１スペクトル算出部により求められた前記反射率スペクトルと前記位相差スペクトルとから誘電損失スペクトルを算出する第２スペクトル算出部と、を含み、前記取得部は、前記第２スペクトル算出部により算出された前記誘電損失スペクトルに基づいて前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得する。

いくつかの実施形態の第６態様では、第４態様又は第５態様において、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、前記第２深さ位置をｚと表し、周波数νの関数として前記第１深さ範囲における前記寄与率をＣ_０ｚ（ν）と表すと、下記の式を満たす。

いくつかの実施形態の第７態様では、第４態様～第６態様のいずれかにおいて、前記第１深さ位置をｚ_ｍと表し、前記第２深さ位置をｚ_ｎと表し、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍ、ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎとし、前記第１誘電損失に対する前記第２誘電損失の寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、前記第１誘電損失をε″（ν_ｍ）と表し、前記第２誘電損失をε″（ν_n）と表し、前記第３誘電損失をε″_ｚｎｚｍと表すと、下記の式を満たす。

いくつかの実施形態の第８態様では、第１態様～第７態様のいずれかにおいて、前記取得部は、テラヘルツ全反射減衰分光測定系を含み、前記テラヘルツ全反射減衰分光測定系は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、前記テラヘルツ波が照射される表面に前記被測定試料が接触可能なプリズムと、前記表面からの反射波を検出する検出部と、を含む。

いくつかの実施形態の第９態様では、第１態様～第８態様のいずれかにおいて、前記被測定試料は、第１試料の表面に前記第１試料と電気的性質が異なる物質が塗布された試料である。

いくつかの実施形態の第１０態様では、第１態様～第８態様のいずれかにおいて、前記被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

いくつかの実施形態の第１１態様では、第１０態様において、前記被測定試料は、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

いくつかの実施形態の第１２態様では、第１態様～第８態様のいずれかにおいて、前記被測定試料は、食品である。

いくつかの実施形態の第１３態様は、被測定試料の表面から第１深さ位置までの第１深さ範囲の第１誘電損失と、前記表面から前記第１深さ位置より浅い第２深さ位置までの第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得する取得ステップと、前記第１誘電損失と、前記第２誘電損失と、前記第１深さ範囲における誘電損失に対する前記第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、前記第１深さ位置から前記第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出する算出ステップと、純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を基準に前記第３誘電損失に対応する自由水量を特定する特定ステップと、を含む自由水測定方法である。

いくつかの実施形態の第１４態様では、第１３態様において、前記取得ステップは、純水を前記被測定試料として前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得し、前記特定ステップは、前記第３誘電損失を被除数とし、純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより前記自由水量を求める。

いくつかの実施形態の第１５態様では、第１３態様又は第１４態様において、前記取得ステップは、互いに異なる２以上の前記第２深さ範囲について前記第２誘電損失を取得し、前記算出ステップは、前記取得ステップにおいて取得された２以上の前記第２誘電損失のそれぞれについて前記第３誘電損失を算出し、前記特定ステップは、前記算出ステップにおいて算出された２以上の前記第３誘電損失のそれぞれに対応する自由水量を特定し、前記特定ステップにおいて特定された２以上の前記自由水量に基づいて深さプロファイルを生成するプロファイル生成ステップを含む。

いくつかの実施形態の第１６態様では、第１３態様～第１５態様のいずれかにおいて、前記取得ステップは、テラヘルツ全反射減衰分光測定により得られたスペクトルに基づいて前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得する。

いくつかの実施形態の第１７態様は、第１６態様において、時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施すことにより得られた周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルと被測定試料がないときの周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて反射率スペクトルと位相差スペクトルとを求める第１スペクトル算出ステップと、フレネルの式と前記第１スペクトル算出ステップにおいて求められた前記反射率スペクトルと前記位相差スペクトルとから誘電損失スペクトルを算出する第２スペクトル算出ステップと、を含み、前記取得ステップは、前記第２スペクトル算出ステップにおいて算出された前記誘電損失スペクトルに基づいて前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得する。

いくつかの実施形態の第１８態様では、第１６態様又は第１７態様において、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、前記第２深さ位置をｚと表し、周波数νの関数として前記第１深さ範囲における前記寄与率をＣ_０ｚ（ν）と表すと、下記の式を満たす。

いくつかの実施形態の第１９態様では、第１６態様～第１８態様のいずれかにおいて、前記第１深さ位置をｚ_ｍと表し、前記第２深さ位置をｚ_ｎと表し、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍ、ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎとし、前記第１誘電損失に対する前記第２誘電損失の寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、前記第１誘電損失をε″（ν_ｍ）と表し、前記第２誘電損失をε″（ν_n）と表し、前記第３誘電損失をε″_ｚｎｚｍと表すと、下記の式を満たす。

いくつかの実施形態の第２０態様では、第１３態様～第１９態様のいずれかにおいて、前記被測定試料は、第１試料の表面に前記第１試料と電気的性質が異なる物質が塗布された試料である。

いくつかの実施形態の第２１態様では、第１３態様～第１９態様のいずれかにおいて、前記被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

いくつかの実施形態の第２２態様では、第２１態様において、前記被測定試料は、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

いくつかの実施形態の第２３態様では、第１３態様～第１９態様のいずれかにおいて、前記被測定試料は、食品である。

いくつかの実施形態の第２４態様は、コンピュータに、第１３態様～第２３態様のいずれかの自由水測定方法の各ステップを実行させるプログラムである。

なお、上記した複数の態様に係る構成を任意に組み合わせることが可能である。

本発明によれば、被測定試料に含まれる水を高精度に評価するための新たな技術を提供することが可能になる。

テラヘルツ領域における水の吸収特性の一例を示す概略図である。 実施形態に係る自由水測定装置の構成の一例を示す概略図である。 実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。 実施形態に係る演算処理装置の構成の一例を示す概略図である。 実施形態に係る演算処理装置の構成の一例を示す概略図である。 実施形態に係る演算処理装置の構成の一例を示す概略図である。 実施形態に係る自由水測定装置の動作の一例を示すフロー図である。 実施形態に係る自由水測定装置の動作の一例を示すフロー図である。 実施形態に係る自由水測定装置を用いた評価例を説明するための説明図である。 実施形態に係る自由水測定装置を用いた評価例を説明するための説明図である。 実施形態に係る自由水測定装置を用いた評価例を説明するための説明図である。 実施形態に係る自由水測定装置を用いた評価例を説明するための説明図である。 実施形態に係る自由水測定装置を用いた評価例を説明するための説明図である。 実施形態に係る自由水測定装置を用いた評価例を説明するための説明図である。

この発明に係る自由水測定装置、自由水測定方法、及びプログラムの実施形態の例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この明細書において引用された文献の記載内容や任意の公知技術を、以下の実施形態に援用することが可能である。

以下、本明細書において、特に言及しない限り、「深さ方向」は被測定試料の表面から被測定試料の内部に向かう方向を意味するものとする。すなわち、「深さ方向」は、鉛直下向きに限定されることのなく、鉛直上向き、横向き等の任意の方向であってよい。いくつかの実施形態では、「深さ方向」は、被測定試料の表面の接線に直交する方向又は後述するＡＴＲプリズムの表面に直交する方向である。

また、本明細書において、「深さ位置」は、被測定試料の内部における上記の「深さ方向」の位置を意味し、「深さ範囲」は、被測定試料の内部における上記の「深さ方向」の範囲を意味するものとする。従って、例えば、「第１深さ位置より浅い第２深さ位置」は、被測定試料の表面から被測定試料の内部における第２深さ位置までの深さ方向の距離が、被測定試料の表面から被測定試料の内部における第１深さ位置までの深さ方向の距離より短いことを意味する。

テラヘルツ領域の電磁波であるテラヘルツ波（テラヘルツ光）は、０．１～１０ＴＨｚの周波数領域において定義される。テラヘルツ波は、可視光に比べて１０００倍以上も光子エネルギーが小さい安全な光として生物等を被測定対象とした応用の開拓が進められている。特に、自由水は、テラヘルツ領域において高い吸収を示すことが知られている。

図１に、被測定試料としての水に測定波を入射したときの水の吸収特性の測定結果の一例を表す。図１では、横軸は周波数を表し、縦軸は吸収の大きさを表す誘電損失を示す。

図１に示すように、０．０１ＧＨｚ以上の周波数領域において、水の誘電損失は大きい。特に、５０ＧＨｚ以上の周波数領域では、自由水の誘電損失が顕著に大きくなる。このようなテラヘルツ領域の電磁波（テラヘルツ波）のもつエネルギーは、自由水のピコ秒揺らぎと一致するため、テラヘルツ帯の分光スペクトルには自由水の動的状態が直接的に反映される。従って、５０ＧＨｚ以上の周波数領域の電磁波（特に、テラヘルツ波）を測定波に用いた分光測定により、自由水を選択的に測定することができる。

テラヘルツ波を用いた分光測定の１つに、テラヘルツ全反射減衰（ＴＨｚ Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＴＨｚ ＡＴＲ）分光測定（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）がある。ＴＨｚ ＡＴＲ分光測定は、被測定試料の表面で全反射するようにテラヘルツ波を入射し、表面からの反射波を測定することにより、被測定試料の表面における吸収スペクトルを取得する手法である。例えば、テラヘルツ領域のＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）波を被測定試料の表面に入射させることで、被測定試料の表面における吸収に対応した周波数領域の強度成分を取得することができる。また、近年、テラヘルツ全反射減衰分光測定として、テラヘルツ領域のパルス波を被測定試料の表面に入射することで被測定試料の表面における吸収に対応した周波数領域の強度成分及び位相成分を取得することが可能なテラヘルツ時間領域全反射減衰（ＴＨｚ Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ）分光測定が注目されている。

実施形態に係る自由水測定装置は、ＴＨｚ ＡＴＲ分光測定等の所定の測定により得られた測定結果を用いて、被測定試料における所望の深さ範囲の自由水量を特定し、特定された２以上の深さ範囲の自由水量を用いて深さプロファイルを生成することが可能である。これにより、被測定試料の深さ方向の自由水量の分布又は自由水量の変化を観察することが可能になり、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価するができるようになる。

被測定試料に含まれる水の量が既知の場合、水の量から自由水量を差し引くことにより水和水量が求められる。それにより、自由水量を測定（評価）することは、実質的に水和水量を測定（評価）することを意味する。いくつかの実施形態では、被測定試料に含まれる水の量は、静電容量又は導電率を測定する電気的な手法、又は共焦点ラマン分光法等の公知の手法により測定することが可能である。

実施形態に係る自由水測定方法は、実施形態に係る自由水測定装置により実現される。実施形態に係るプログラムは、コンピュータに、実施形態に係る自由水測定方法の各ステップを実行させる。

以下では、被測定試料が皮膚（例えば、マウス又はヒトの皮膚）であり、皮膚における水の状態をＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光法で測定する場合について説明する。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚（爪を含む）、又は表皮組織である。いくつかの実施形態では、被測定試料は、粘膜又は毛髪である。いくつかの実施形態では、被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織（第１試料）と電気的性質（例えば、電気伝導度）が異なる物質が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。いくつかの実施形態では、被測定試料は、化粧品（化粧水を含む）、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。いくつかの実施形態では、被測定試料は、食品である。

いくつかの実施形態では、位相スペクトルの測定を行うことなく、強度スペクトルからＡＴＲ吸収が求められる。実施形態に係る被測定試料に対する測定は、ＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定でなく、他の手法を用いた測定であってよい。いくつかの実施形態では、被測定試料に対する測定は、測定波としてＣＷ波を用いるＴＨｚ ＡＴＲ分光測定である。ＣＷ波を用いるＴＨｚ ＡＴＲ分光測定では、以下のＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定における「電場波形」を「スペクトル」に読み替えることで、下記の実施形態を適用することが可能である。ＴＨｚ－ＡＴＲ測定を行う場合であっても、測定により得られた位相スペクトルを用いることなく、測定により得られた強度スペクトルからＡＴＲ吸収を求めてもよい。

＜構成＞
図２に、実施形態に係る自由水測定装置の構成例のブロック図を示す。

自由水測定装置１は、光源としてのフェムト秒レーザー１０と、光遅延ユニット２０と、測定ユニット３０と、プリアンプ４０と、ロックインアンプ５０と、演算処理装置１００とを含む。いくつかの実施形態では、自由水測定装置１は、演算処理装置１００を含み、外部に設けられた測定ユニット３０により得られた測定結果（電場波形、スペクトル）を取得するように構成される。

（フェムト秒レーザー１０）
フェムト秒レーザー１０は、１００フェムト秒以下のパルス幅（半値全幅）を有するパルス光を出力する。例えば、フェムト秒レーザー１０は、中心波長が７８０ｎｍのフェムト秒ファイバーレーザー（ＦｅｍｔｏＦＥｒｂ７８０、トプティカフォトニクス株式会社）を用いて構成される。

フェムト秒レーザー１０から出力されたパルス光は、ビームスプリッタＢＳ１により、ポンプ光とプローブ光とに分割される（例えば、５０：５０）。ビームスプリッタＢＳ１を透過したポンプ光は、ミラーＭ１、Ｍ２を介して測定ユニット３０に導かれる。ビームスプリッタＢＳ１により反射されたプローブ光は、ミラーＭ３、Ｍ４を介して光遅延ユニット２０に導かれる。

（光遅延ユニット２０）
光遅延ユニット２０は、ポンプ光に対してプローブ光を遅延させる。光遅延ユニット２０は、プローブ光の光路長を変更し、ポンプ光の光路長とプローブ光の光路長との差を変化させることにより、ポンプ光に対するプローブ光の遅延時間を変化させる。

光遅延ユニット２０は、プリズム２１と、リトロリフレクタ２２とを含む。リトロリフレクタ２２は、例えば、ミラーＭａ、Ｍｂを含む。

光遅延ユニット２０に導かれてきたプローブ光は、プリズム２１の第１反射面において所定の方向に偏向され、リトロリフレクタ２２に導かれる。リトロリフレクタ２２は、ミラーＭａ、Ｍｂにより入射方向と反対の方向にプローブ光を反射するように構成される。リトロリフレクタ２２は、図示しない可動ステージに搭載されており、演算処理装置１００又は図示しないコントローラの制御の下でプローブ光の入射方向（又はその反対方向）に移動可能である。

リトロリフレクタ２２により反射されたプローブ光は、プリズム２１の第２反射面において偏向され、ミラーＭ５を介して測定ユニット３０に導かれる。

（測定ユニット３０）
測定ユニット３０は、ミラーＭ２を介して入射したポンプ光を用いて光伝導アンテナからテラヘルツ（パルス）波を発生させ、ミラーＭ５を介して入射したプローブ光を用いて光伝導アンテナによりテラヘルツ波を検出する。

測定ユニット３０は、パラボリックミラーＰＢ１～ＰＢ６と、光伝導アンテナＯＡ１、ＯＡ２と、ＡＴＲプリズム３１とを含む。なお、測定環境中に含まれる水分に起因した測定結果の影響をなくすために、測定ユニット３０の内部は真空排気されたり、測定ユニット３０の内部に乾燥ガスを充填させることが望ましい。

ミラーＭ２を介して入射したポンプ光は、パラボリックミラーＰＢ１の放物面状の反射面において光伝導アンテナＯＡ１の光伝導膜に集光される。光伝導アンテナＯＡ１は、アンテナ間ギャップに集光されたポンプ光により励起された光伝導膜中の自由電子をバイアス電圧で加速させることで、テラヘルツ波を発生させる。光伝導アンテナＯＡ１により発生されたテラヘルツ波は、パラボリックミラーＰＢ２、ＰＢ３を介して、ＡＴＲプリズム３１の入射面に集光される。ＡＴＲプリズム３１の入射面に入射したテラヘルツ波は、全反射するような入射角でＡＴＲプリズム３１の反射面（測定面）に入射する。ＡＴＲプリズム３１の反射面には、皮膚（被測定試料）の表面が接触するように配置されている。

ＡＴＲプリズム３１の反射面において反射されたテラヘルツ波は、ＡＴＲプリズム３１の出射面から出射する。このとき、反射面において反射されるテラヘルツ波の一部が皮膚の表面から深さ方向（皮膚の内部の方向）にしみ出す現象が起こる。このしみ出すテラヘルツ波は、エバネッセント波（エバネッセント光）と呼ばれる。

このようなエバネッセント波の電場強度は、ＡＴＲプリズム３１の反射面（皮膚の表面）からの距離に応じて指数関数的に減少する。光強度が１／ｅ^２倍に減衰する深さ位置ｄ_ｐは、周波数νの関数として、次の式（１）のように表される（例えば、Ｋ．Ｏｈｔａ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｉｎ ＦＴ－ＩＲ／ＡＴＲ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”， Ａｐｐｌ．Ｓｐｅｃｔｒｅ， Ｖｏｌｕｍｅ ３９（３），ｐｐ．４１８－４２５，（１９８５））。

式（１）において、真空中の光の速度をｃと表し、ＡＴＲプリズム３１の反射面（測定面）に対する入射角をθと表し、ＡＴＲプリズム３１の誘電率の実部をε_ｐと表し、被測定試料の複素誘電率をε［～］（ν）＝ε′（ν）－ｉε″（ν）と表している。なお、本明細書中では、複素数であることを示す“～”を文字の上に付することができないため、ｘ［～］のように表記するものとする。

例えば、ＡＴＲプリズム３１の材質が高抵抗シリコン単結晶（ε_ｐ＝１１．７）である場合、周波数ν＝１ＴＨｚのとき、ｄ_ｐは、ほぼ２５μｍとなる。この厚みは、ヒトなどの哺乳類の角層の厚みとほぼ同じである。例えば、ヒトの皮膚の場合は、角層の厚みは、一般的に１５～２５μｍ程度である。従って、テラヘルツ波を用いたＡＴＲ分光測定では、ヒトの表皮の角層だけを選択的に測定することができる。図１に示すように、テラヘルツ波は、自由水に対して非常に敏感であるため、角層における自由水だけを測定することができる。

ＡＴＲプリズム３１の出射面から出射したテラヘルツ波は、パラボリックミラーＰＢ４、ＰＢ５を介して、光伝導アンテナＯＡ２の光伝導膜に集光される。

一方、ミラーＭ５を介して入射したプローブ光は、パラボリックミラーＰＢ６の放物面状の反射面において光伝導アンテナＯＡ２の光伝導膜に集光される。光伝導アンテナＯＡ２は、アンテナ間ギャップに集光されたＡＴＲプリズム３１からのテラヘルツ波とプローブ光とが時間的に重なるタイミングで、アンテナ間ギャップにテラヘルツ波の強度に対応した電位差を発生させて電流が流れる。

このような光伝導アンテナＯＡ１、ＯＡ２は、ダイポール型光伝導アンテナ（Ｇ１０６２０－１１、浜松ホトニクス株式会社）を用いて構成することができる。

（プリアンプ４０）
プリアンプ４０は、光伝導アンテナＯＡ２により検出された電流を含む測定信号を増幅する。

（ロックインアンプ５０）
ロックインアンプ５０は、プリアンプ４０により増幅された測定信号に埋もれた繰り返し成分を増幅する。例えば、ロックインアンプ５０は、光遅延ユニット２０によるポンプ光に対するプローブ光の遅延時間に対応した周波数の参照信号を測定信号に乗算することにより、当該周波数と等しい周波数成分を抽出して所望の繰り返し信号を増幅する。ロックインアンプ５０により増幅された信号成分は、例えば、時間領域における電場波形として演算処理装置１００に送られる。

以上のように、光遅延ユニット２０によりポンプ光に対するプローブ光の遅延時間をシフトしつつ光伝導アンテナＯＡ２により検出された測定信号の取得を繰り返すことで、電場波形を取得することが可能になる。

（演算処理装置１００）
演算処理装置１００は、取得された時間領域の電場波形から所望の深さ範囲における誘電損失を求め、求められた誘電損失に対応した自由水量を特定し、２以上の深さ範囲における誘電損失を用いて皮膚の深さ方向の自由水量の変化を表す深さプロファイルを生成することが可能である。

図３に、実施形態に係る演算処理装置１００の動作を説明するための概略図を示す。図３では、被測定試料としての皮膚の表面の位置を「０」と表し、皮膚の内部の方向である深さ方向の深さ位置ｚ_ｎ、ｚ_ｍ（０＜ｚ_ｎ＜ｚ_ｍ）におけるエバネッセント波が模式的に表されている。

演算処理装置１００は、皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｍまでの第１深さ範囲Ｒ１における第１誘電損失と、皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｎまでの第２深さ位置Ｒ２における第２誘電損失とを取得する。

第１例では、演算処理装置１００は、上記のように取得された電場波形に対して所定の演算処理を施すことにより第１誘電損失及び第２誘電損失を取得する。第２例では、演算処理装置１００は、上記のように、外部に設けられた装置から第１誘電損失及び第２誘電損失を取得する。

以下、第１例について説明する。

演算処理装置１００は、第１誘電損失と第２誘電損失と第１深さ範囲Ｒ１における誘電損失に対する第２深さ範囲Ｒ２における誘電損失の寄与率とに基づいて、深さ位置ｚ_ｎから深さ位置ｚ_ｍまでの第３深さ範囲Ｒ３における第３誘電損失を算出する。いくつかの実施形態では、寄与率は、上記のように取得された電場波形を用いて算出される。いくつかの実施形態では、寄与率は、経験則等によって推定されたり、算出された所定の寄与率を経験則等によって補正することにより得られる。

演算処理装置１００は、純水における第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失を基準に、算出された皮膚の第３誘電損失に対応する自由水量を特定する。これにより、皮膚の所望の深さ範囲における自由水量を特定することができる。

演算処理装置１００は、深さ位置ｚ_ｎ、ｚ_ｍを変更しつつ上記の手順を繰り返すことで、互いに異なる２以上の深さ範囲における自由水量を特定し、特定された２以上の自由水量を用いて深さプロファイルを生成することができる。

図４～図６に、演算処理装置１００の構成例のブロック図を示す。図４は、演算処理装置１００の構成例の機能ブロック図を表す。図５は、図４のスペクトル算出部１１０の構成例の機能ブロック図を表す。図６は、図４の誘電損失算出部１２０の構成例の機能ブロック図を表す。

演算処理装置１００は、スペクトル算出部１１０と、誘電損失算出部１２０と、自由水量特定部１３０と、深さプロファイル生成部１４０とを含む。

（スペクトル算出部１１０）
スペクトル算出部１１０は、上記のように取得された時間領域の電場波形から誘電損失スペクトルを算出する。スペクトル算出部１１０は、図５に示すように、第１スペクトル算出部１１１と、第２スペクトル算出部１１２とを含む。第１スペクトル算出部１１１は、フーリエ変換処理部１１１Ａと、反射率スペクトル算出部１１１Ｂと、位相差スペクトル算出部１１１Ｃとを含む。

第１スペクトル算出部１１１は、時間領域の電場波形から反射率スペクトルＲ（ν）と位相差スペクトルφ（ν）とを算出する。

具体的には、フーリエ変換処理部１１１Ａは、時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施し、周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトル（波形）を生成する。実施形態では、フーリエ変換処理部１１１Ａは、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料としての皮膚が接触された状態で取得された電場波形に対してフーリエ変換を施し、強度スペクトル及び位相スペクトルを生成する。また、フーリエ変換処理部１１１Ａは、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料がない状態で取得された電場波形に対してフーリエ変換を施し、強度スペクトル及び位相スペクトルを生成する。

反射率スペクトル算出部１１１Ｂは、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料としての皮膚が接触された状態で取得された強度スペクトルと、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料がない状態で取得された強度スペクトルとを用いて、反射率スペクトルＲ（ν）を算出する。

位相差スペクトル算出部１１１Ｃは、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料としての皮膚が接触された状態で取得された位相スペクトルと、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料がない状態で取得された位相スペクトルとを用いて、位相差スペクトルφ（ν）を算出する。

ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料としての皮膚が接触された状態で取得された強度スペクトル及び位相スペクトルをＥ_ｓａｍ［～］（ν）と表し、ＡＴＲプリズム３１の反射面に被測定試料がない状態で取得された強度スペクトル及び位相スペクトルをＥ_ｒｅｆ［～］（ν）と表すと、式（２）のように表すことができる。

従って、反射率スペクトル算出部１１１Ｂは、フーリエ変換処理後のＥ_ｓａｍ［～］（ν）とＥ_ｒｅｆ［～］（ν）を用いて式（２）に従って演算処理を行い、求められた演算結果の実部から反射率スペクトルＲ（ν）を算出することができる。同様に、位相差スペクトル算出部１１１Ｃは、フーリエ変換処理後のＥ_ｓａｍ［～］（ν）とＥ_ｒｅｆ［～］（ν）を用いて式（２）に従って演算処理を行い、求められた演算結果から位相差スペクトルφ（ν）を算出することができる。

第２スペクトル算出部１１２は、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）の式と、第１スペクトル算出部１１１（反射率スペクトル算出部１１１Ｂ）により求められた反射率スペクトルＲ（ν）と第１スペクトル算出部１１１（位相差スペクトル算出部１１１Ｃ）により求められた位相差スペクトルφ（ν）とから誘電損失スペクトルを算出する。

フレネルの式を用いると、ｐ偏光のとき、式（３）のように表すことができる。

式（２）と式（３）を連立して解くと、複素誘電率ε［～］（ν）（＝ε′（ν）－ｉε″（ν））を求めることができる。誘電損失スペクトルは、複素誘電率ε［～］（ν）の虚部ε″（ν）に相当する。

（誘電損失算出部１２０）
誘電損失算出部１２０は、第１深さ範囲Ｒ１における第１誘電損失と、第２深さ位置Ｒ２における第２誘電損失と、第１深さ範囲Ｒ１における誘電損失に対する第２深さ範囲Ｒ２における誘電損失の寄与率とに基づいて、第３深さ範囲Ｒ３の第３誘電損失を算出する（図３参照）。

誘電損失算出部１２０は、第２スペクトル算出部１１２により算出された誘電損失スペクトルε″（ν）から第１誘電損失及び第２誘電損失を取得する。また、誘電損失算出部１２０は、上記の寄与率を算出するための寄与率算出部１２１を含む。

上記のように、エバネッセント波が局在する深さ位置ｄ_ｐ（ν）が光の強度が１／ｅ^２倍になる深さ位置である。従って、皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｍまでの範囲に局在しているエバネッセント波は、全体の（１－１／ｅ^２）の割合である。

すなわち、周波数ν_ｍにおける深さ位置ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍであるとき、皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｍまでの第１深さ範囲Ｒ１における第１誘電損失は、（１－１／ｅ^２）×ε″（ν_ｍ）（≒０．８６４×ε″（ν_ｍ））により求められる。従って、誘電損失算出部１２０は、第２スペクトル算出部１１２により算出された誘電損失スペクトルε″（ν）から第１誘電損失を取得することが可能である。

同様に、周波数ν_ｎにおける深さ位置ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎであるとき、皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｎまでの第２深さ範囲Ｒ２における第２誘電損失は、（１－１／ｅ^２）×ε″（ν_ｎ）により求められる。従って、誘電損失算出部１２０は、第２スペクトル算出部１１２により算出された誘電損失スペクトルε″（ν）から第２誘電損失を取得することが可能である。

皮膚の表面から深さ位置ｚまでの範囲における誘電損失が全体の誘電損失（吸収）に占める寄与率をＣ_０ｚと表すと、式（４）のように表すことができる（Ｋ．Ｏｈｔａ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｉｎ ＦＴ－ＩＲ／ＡＴＲ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｐｙ”， Ａｐｐｌ．Ｓｐｅｃｔｒｅ， ３９，ｐｐ．４１８－４２５，（１９８５））。

すなわち、寄与率算出部１２１は、式（４）に従って寄与率Ｃ_０ｚ（ν）を算出することができる。なお、全体の誘電損失を皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｍまでの範囲の誘電損失とし、式（４）における深さ位置ｚを深さ位置ｚ_ｎとすることで、第１深さ範囲Ｒ１における誘電損失に対する第２深さ範囲Ｒ２における誘電損失の寄与率が求められる。なお、式（４）において、ｄ_ｐ（ν）は、式（１）から求められる。

ここで、皮膚の表面（ＡＴＲプリズム３１の反射面）から深さ位置ｚ_ｎまでの寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、誘電損失をε″_０ｚｎ（ν）と表し、深さ位置ｚ_ｎから深さ位置ｚ_ｍまでの第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失をε″_ｚｎｚｍ（ν）と表すと、皮膚の表面から深さ位置ｚ_ｍまでの第１深さ範囲Ｒ１における誘電損失ε″_０ｚｍ（ν）は、式（５）のように表すことができる。

式（５）において、エバネッセント波が局在する深さ位置ｄ_ｐ（ν）についてｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎ、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍを満たす周波数ν_ｎ、ν_ｍ（ν_ｎ＞ν_ｍ）を考慮すると、式（５）は式（６）のように変形することができる。

式（６）において、（１－１／ｅ^２）は、皮膚の表面から深さ位置ｄ_ｐ（ν）までの範囲に局在しているエバネッセント波に由来する誘電損失の割合に対応する係数である。

第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失ε″_ｚｎｚｍについて式（６）を変形すると、式（７）が得られる。

式（７）において、寄与率Ｃ_０ｚｎ（ν_ｍ）は式（４）より求められる。従って、測定により得られた皮膚の表面から第１深さ位置ｚ_ｍまでの第１深さ範囲Ｒ１における誘電損失ε″_０ｚｍと皮膚の表面から第２深さ位置ｚ_ｎまでの第２深さ範囲Ｒ２における誘電損失ε″_０ｚｎを用いて、第１深さ位置ｚ_ｍから第２深さ位置ｚ_ｎまでの第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失ε″_ｚｎｚｍを算出することができる。

以上のように、誘電損失算出部１２０は、第３深さ範囲Ｒ３の第３誘電損失である誘電損失ε″_ｚｎｚｍを算出することができる。

（自由水量特定部１３０）
自由水量特定部１３０は、純水における第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失を基準に、誘電損失算出部１２０により算出された第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失ε″_ｚｎｚｍに対応する自由水量を特定する。

例えば、自由水量特定部１３０は、誘電損失算出部１２０により算出された第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失ε″_ｚｎｚｍを被除数とし、純水における第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより自由水量を求める。

具体的には、被測定試料としての純水に対してＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定により得られた電場波形に対して上記のように第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失ε″_{ｗａｔｅｒ}が求められる。同様に、被測定試料としての皮膚に対してＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定により得られた電場波形に対して上記のように第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失ε″_ｚｎｚｍが求められる。純水では自由水が１００％であるため、自由水量特定部１３０は、ε″_ｚｎｚｍ／ε″_{ｗａｔｅｒ}の比を求めることにより第１深さ位置ｚ_ｍから第２深さ位置ｚ_ｎまでの第３深さ範囲Ｒ３における自由水量（誘電損失ε″_ｚｎｚｍに対応する自由水量）を算出する。

（深さプロファイル生成部１４０）
深さプロファイル生成部１４０は、互いに異なる２以上の第３深さ範囲における誘電損失ε″_ｚｎｚｍのそれぞれに対応する２以上の自由水量に基づいて深さプロファイルを生成する。

いくつかの実施形態では、深さプロファイル生成部１４０は、互いに異なる２以上の第１深さ範囲における誘電損失ε″_０ｚｍと、互いに異なる２以上の第２深さ範囲における誘電損失ε″_０ｚｎを用いて算出された２以上の第３深さ範囲における誘電損失ε″_ｚｎｚｍのそれぞれに対応する２以上の自由水量に基づいて深さプロファイルを生成する。

いくつかの実施形態では、深さプロファイル生成部１４０は、１つの第１深さ範囲における誘電損失ε″_０ｚｍと、互いに異なる２以上の第２深さ範囲における誘電損失ε″_０ｚｎを用いて算出された２以上の第３深さ範囲における誘電損失ε″_ｚｎｚｍのそれぞれに対応する２以上の自由水量に基づいて深さプロファイルを生成する。

すなわち、深さプロファイル生成部１４０は、互いに異なる２以上の第２深さ範囲における誘電損失ε″_０ｚｎを少なくとも用いて算出された２以上の第３深さ範囲における誘電損失ε″_ｚｎｚｍのそれぞれに対応する２以上の自由水量に基づいて深さプロファイルを生成する。

それにより、皮膚の深さ方向について自由水量の変化を容易に評価することが可能になるため、皮膚に含まれる水の「質」をより高精度に評価することができるようになる。

このような演算処理装置１００の機能は、１以上のプロセッサにより実現される。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、ＳＰＬＤ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ））等の回路を含む。プロセッサは、例えば、記憶回路又は記憶装置に格納されているプログラムを読み出し実行することで、実施形態に係る機能を実現する。記憶回路又は記憶装置がプロセッサに含まれていてよい。また、記憶回路又は記憶装置がプロセッサの外部に設けられていてよい。

いくつかの実施形態では、演算処理装置１００の機能は、演算処理装置１００の各部に対応した複数のプロセッサにより実現される。

フェムト秒レーザー１０、ビームスプリッタＢＳ１、光遅延ユニット２０、測定ユニット３０、及びスペクトル算出部１１０は、実施形態に係る「取得部」の一例である。誘電損失算出部１２０は、実施形態に係る「算出部」の一例である。自由水量特定部１３０は、実施形態に係る「特定部」の一例である。深さプロファイル生成部１４０は、実施形態に係る「プロファイル生成部」の一例である。フェムト秒レーザー１０、ビームスプリッタＢＳ１、光遅延ユニット２０、及び測定ユニット３０は、実施形態に係る「テラヘルツ全反射減衰分光測定系」の一例である。フェムト秒レーザー１０、ビームスプリッタＢＳ１、光伝導アンテナＯＡ１は、実施形態に係る「テラヘルツ発生部」の一例である。ＡＴＲプリズム３１は、実施形態に係る「プリズム」の一例である。光遅延ユニット２０及び光伝導アンテナＯＡ２は、実施形態に係る「検出部」の一例である。

＜動作例＞
次に、実施形態に係る自由水測定装置１の動作例について説明する。以下では、演算処理装置１００が自由水測定装置１の各部を制御するものとして説明するが、実施形態に係る構成はこれに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、以下で説明する動作フローの一部（例えば、ステップＳ１及びステップＳ２の少なくとも一方）が手動により実行される。

図７及び図８に、実施形態に係る自由水測定装置１の動作例を示す。図７は、実施形態に係る自由水測定装置１の動作例のフロー図を表す。図８は、図７のステップＳ３の動作例のフロー図を表す。演算処理装置１００の図示しない記憶部には、図７及び図８に示す処理を実現するためのコンピュータプログラムが記憶されている。演算処理装置１００は、このコンピュータプログラムに従って動作することにより、図７及び図８に示す処理を実行することが可能である。

（Ｓ１：皮膚に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定）
被測定試料としての皮膚がＡＴＲプリズム３１の反射面に接触されると、演算処理装置１００は、フェムト秒レーザー１０、光遅延ユニット２０、プリアンプ４０、ロックインアンプ５０、及び演算処理装置１００の一部を制御することにより、皮膚に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定を実行する。いくつかの実施形態では、演算処理装置１００は、必要に応じて測定ユニット３０を制御する。

具体的には、演算処理装置１００は、フェムト秒レーザー１０を制御してパルス光を発生させて、ＡＴＲプリズム３１の反射面に照射させるテラヘルツ波を発生させる。同時に、演算処理装置１００は、ポンプ光に対するプローブ光の遅延時間が連続的に又は段階的にシフトするように光遅延ユニット２０を制御し、光伝導アンテナＯＡ２からの検出信号をプリアンプ４０、及びロックインアンプ５０を介して取得することで、電場波形を取得する。

演算処理装置１００は、上記のようにスペクトル算出部１１０を制御し、取得された電場波形から皮膚の誘電損失スペクトルを求める。

（Ｓ２：純水に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定）
続いて、演算処理装置１００は、ステップＳ１と同様に、被測定試料としての純水に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定を実行する。

演算処理装置１００は、上記のようにスペクトル算出部１１０を制御し、取得された電場波形から純水の誘電損失スペクトルを求める。

いくつかの実施形態では、ステップＳ２の後にステップＳ１が実行される。いくつかの実施形態では、ステップＳ２が事前に（例えば、別日に）実行されており、ステップＳ１の後に次のステップＳ３が実行される。

（Ｓ３：自由水量の特定処理）
次に、演算処理装置１００は、ステップＳ１において取得された皮膚の誘電損失スペクトルとステップＳ２において取得された純水の誘電損失スペクトルとを用いて、皮膚における所望の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行する。ステップＳ３の詳細については、後述する。

（Ｓ４：次の深さ範囲？）
次に、演算処理装置１００は、次の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行するか否かを判定する。

いくつかの実施形態では、演算処理装置１００は、既定の深さについてのステップＳ３の処理があらかじめ決められた回数だけ実行されたか否かを判定することにより、次の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行するか否かを判定する。

いくつかの実施形態では、演算処理装置１００は、既定の深さについてのステップＳ３の処理であらかじめ決められた深さ範囲が網羅されたか否かを判定することにより、次の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行するか否かを判定する。

ステップＳ４において、次の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行すると判定されたとき（Ｓ４：Ｙ）、自由水測定装置１の動作はステップＳ３に移行する。このとき、２回目以降に実行されるステップＳ３では、直前に実行された深さ範囲と異なる深さ範囲における自由水量が特定される。

ステップＳ４において、次の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行しないと判定されたとき（Ｓ４：Ｎ）、自由水測定装置１の動作はステップＳ５に移行する。

（Ｓ５：深さプロファイルを生成）
ステップＳ４において、次の深さ範囲における自由水量の特定処理を実行しないと判定されたとき（Ｓ４：Ｎ）、演算処理装置１００は、深さプロファイル生成部１４０を制御し、２回以上ステップＳ３を実行することにより特定された２以上の自由水量を用いて深さプロファイルを生成する。

以上で、自由水測定装置１の動作は終了である（エンド）。

図７のステップＳ３では、図８に示すように実行される。

図８では、ステップＳ１において取得された皮膚の誘電損失スペクトルに対してステップＳ１１～ステップＳ１６が実行された後に、ステップＳ２において取得された純水の誘電損失スペクトルに対してステップＳ１１～ステップＳ１６が実行される場合について説明する。しかしながら、図８において、ステップＳ２において取得された皮膚の誘電損失スペクトルに対してステップＳ１１～ステップＳ１６が実行された後に、ステップＳ１において取得された皮膚の誘電損失スペクトルに対してステップＳ１１～ステップＳ１６が実行されてもよい。

（Ｓ１１：フーリエ変換処理）
まず、演算処理装置１００において、フーリエ変換処理部１１１Ａは、ステップＳ１において取得された皮膚の電場波形に対してフーリエ変換を施し、周波数領域における強度スペクトル及び位相スペクトルを生成する。

（Ｓ１２：反射率スペクトルを算出、位相差スペクトルを算出）
続いて、演算処理装置１００において、反射率スペクトル算出部１１１Ｂは、上記のように、ステップＳ１１において得られた強度スペクトル及び位相スペクトルとあらかじめ取得された被測定試料がないときの強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて式（２）に従って演算処理を実行し、求められた演算結果から反射率スペクトルを算出する。

同様に、位相差スペクトル算出部１１１Ｃは、上記のように、ステップＳ１１において得られた強度スペクトル及び位相スペクトルとあらかじめ取得された被測定試料がないときの強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて式（２）に従って演算処理を実行し、求められた演算結果から位相差スペクトルを算出する。

いくつかの実施形態では、ステップＳ１２において、被測定試料がないときの電場波形を取得し、取得された電場波形から被測定試料がないときの強度スペクトル及び位相スペクトルが求められる。

（Ｓ１３：誘電損失スペクトルを算出）
続いて、演算処理装置１００において、第２スペクトル算出部１１２は、上記のように、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）の式と、ステップＳ１２において求められた反射率スペクトル及び位相差スペクトルから誘電損失スペクトルを算出する。

（Ｓ１４：ｚ_ｉ～ｚ_ｍの深さ範囲及びｚ_ｉ～ｚ_ｎの深さ範囲の誘電損失を算出）
次に、演算処理装置１００において、誘電損失算出部１２０は、上記のように、ステップＳ１３において算出された誘電損失スペクトルから深さ位置ｚ_ｉから深さ位置ｚ_ｍまでの第１深さ範囲における誘電損失を算出する。

深さ位置ｚ_ｉの初期値は、被測定試料の表面に相当する深さ位置である。ステップＳ１４が２回目以降に実行されるとき、深さ位置ｚ_ｉ、ｚ_ｍを更新することにより、互いに異なる２以上の第１深さ範囲における誘電損失を算出することができる。

同様に、誘電損失算出部１２０は、上記のように、ステップＳ１３において算出された誘電損失スペクトルから深さ位置ｚ_ｉから深さ位置ｚ_ｎまでの第２深さ範囲における誘電損失を算出する。ステップＳ１４が２回目以降に実行されるとき、深さ位置ｚ_ｉ、ｚ_ｎを更新することにより、互いに異なる２以上の第２深さ範囲における誘電損失を算出することができる。

（Ｓ１５：寄与率を算出）
次に、演算処理装置１００において、寄与率算出部１２１は、上記のように式（４）に従って、第１深さ範囲における誘電損失に対する第２深さ範囲における誘電損失の寄与率を算出する。

（Ｓ１６：ｚ_ｎ～ｚ_ｍの深さ範囲の誘電損失を算出）
次に、演算処理装置１００において、誘電損失算出部１２０は、上記のように、ステップＳ１４において取得された第１深さ範囲における誘電損失と第２深さ範囲における誘電損失とステップＳ１５において取得された寄与率とを用いて、深さ位置ｚ_ｎから深さ位置ｚ_ｍまでの第３深さ範囲における誘電損失を算出する。

（Ｓ１７：次？）
続いて、演算処理装置１００は、次の第３深さ範囲における誘電損失を算出するか否かを判定する。ここでは、ステップＳ１１～ステップＳ１６がステップＳ１において取得された皮膚の誘電損失スペクトルに対して実行されたとき、演算処理装置１００は、純水について第３深さ範囲における誘電損失を算出すると判定する。ステップＳ１１～ステップＳ１６がステップＳ２において取得された純水の誘電損失スペクトルに対して実行されたとき、演算処理装置１００は、次の第３深さ範囲における誘電損失を算出しないと判定する。

ステップＳ１７において、次の第３深さ範囲における誘電損失を算出すると判定されたとき（Ｓ１７：Ｙ）、自由水測定装置１の動作はステップＳ１１に移行する。このとき、例えば、深さ位置ｚ_ｉは深さ位置ｚ_ｎに更新され、深さ位置ｚ_ｎは深さ位置ｚ_ｍに更新され、深さ位置ｚ_ｍは新たな深さ位置ｚ_ｑ（０＜ｚ_ｎ＜ｚ_ｍ＜ｚ_ｑ）に更新される。

ステップＳ１７において、次の第３深さ範囲における誘電損失を算出しないと判定されたとき（Ｓ１７：Ｎ）、自由水測定装置１の動作はステップＳ１８に移行する。

（Ｓ１８：自由水量を特定）
ステップＳ１７において、次の第３深さ範囲における誘電損失を算出すると判定されたとき（Ｓ１７：Ｙ）、演算処理装置１００において、自由水量特定部１３０は、被測定試料としての皮膚について算出された第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失を被除数とし、被測定試料としての純水における第３深さ範囲Ｒ３における誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより自由水量を求める。

以上で、図７のステップＳ３の処理は終了である（エンド）。

なお、純水についてステップＳ１６の演算結果があらかじめ既知である場合、皮膚についてステップＳ１１～ステップＳ１６の処理を実行した後、ステップＳ１８が実行される。

＜評価例＞
上記の実施形態によれば、従来では評価すら困難であった以下のような自由水量（又は水和水）の分布又は変化を高精度に評価することができるようになる。それにより、新たに水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

以下、実施形態に係る自由水測定装置１を用いた測定により取得された自由水量（又は水和水量）の評価例について説明する。

以下、ヘアレスマウスの腹部の皮膚（２０ｍｍ×３０ｍｍ）に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定により得られた測定結果の評価例について説明する。

測定対象のヘアレスマウスは、顆粒層における表皮側に最も近いＳＧ１層で特異的に発現するＳｋｉｎ Ａｓｐａｒｔｉｃ Ｐｒｏｔｅａｓｅ（ＳＡＳＰａｓｅ）遺伝子をヘテロで有する。このヘアレスマウスは、電気伝導率測定計（ＡＳＡ－Ｍ３、日本アッシュ株式会社）を用いた予備測定において、ＳＡＳＰａｓｅ遺伝子をホモで有する野生型と同程度の水分量が角層に含まれていることが確認されている。

（第１評価例）
第１評価例は、皮膚に塗布される化粧水中の水の状態を評価した例である。本評価例では、化粧水として１ミリリットルの薬用雪肌精（登録商標）（株式会社コーセー）がヘアレスマウスの腹部に塗布される。

図９Ａに、純水に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定により得られた電場波形と、化粧水を塗布したヘアレスマウスの腹部の皮膚に対するＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定により得られた電場波形とを示す。図９Ａにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は光伝導アンテナＯＡ２により検出された電流レベル（単位：ｐＡ）を表す。なお、図９Ａでは、バックグランド測定（被測定試料がない場合）により得られた電場波形も図示されている。また、図９Ａの右上の挿入図は、ピーク位置付近の拡大図である。

図９Ａに示すように、バックグラウンド測定結果と比較すると、純水（波形Ｐ１）も化粧水が塗布された腹部の皮膚（波形Ｐ２）も、パルスの振幅が減少し、且つ、パルスのピーク位置の遅延が認められる。これは、エバネッセント波が、被測定試料の内部にしみ出し、被測定試料の内部における水と相互作用し、吸収及び位相遅延が発生していることを意味する。

また、吸収に由来する振幅の減少幅は、化粧水が塗布された腹部の皮膚（波形Ｐ２）に比べて純水（波形Ｐ１）の方が顕著に大きい。これは、化粧水中に様々な基剤が含まれているため、一部の水分子が水和水として基剤に関与し、自由水のみからな純水に比べてテラヘルツ波の吸収が小さくなっていることを意味する。

図９Ｂに、図９Ａの純水の誘電スペクトルとヘアレスマウスの腹部の皮膚に塗布された化粧水の誘電スペクトルの一例を示す。図９Ｂにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸は誘電損失（吸収の大きさ）を表す。

図９Ｂに示す誘電損失スペクトルは、図９Ａに示す電場波形に対してフーリエ変換を施し、得られた複素誘電率の虚部から求められる。

純水（波形Ｐ３）及び化粧水（波形Ｐ４）のそれぞれの誘電スペクトルは、０．２～３．０ＴＨｚの周波数領域において単調減少する。これは、ＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定の帯域が、２０ＧＨｚの近傍にピークが位置する自由水の吸収特性の裾野領域（図１参照）に対応することに起因する。

また、純水（波形Ｐ３）のスペクトル形状と化粧水（波形Ｐ４）のスペクトル形状とは類似している。これは、テラヘルツ領域において、化粧水に含まれる基剤に特有の吸収ピークが現れず、化粧水に含まれる自由水だけが誘電損失スペクトルに寄与していることを表している。すなわち、波形Ｐ３に対する波形Ｐ４の比は、純水に対する化粧水中の自由水量の比を表し、本測定例では６６．１±０．０５％であると見積もられる。

この自由水量の比は、赤外領域で見られるＨ－Ｏ－Ｈ変角振動ピークから推定される水分量比（８９．９％）よりも有意に大きい。これは、水分量比が自由水と水和水とを区別することなく観測されるのに対して、本測定例では、自由水だけを区別して観測できることを意味する。従って、本測定例によれば、推定された水分量比に対する上記の自由水量の差分である２３．８（＝８９．９－６６．１）％が水和水量であることを特定することができる。

（第２評価例）
第２評価例は、皮膚における自由水量の分布を評価した例である。テラヘルツ波は、自由水のみで吸収され、水以外の角質構成成分でほとんど吸収されない。従って、ヘアレスマウスの腹部の皮膚を測定対象として得られた誘電損失スペクトルから角質層内の自由水量を定量的に評価することが可能である。

図１０Ａに、純水を測定対象としたときの誘電損失スペクトルとヘアレスマウスの腹部の皮膚を測定対象としたときの誘電損失スペクトルの一例を示す。図１０Ａにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸は誘電損失を表す。また、図１０Ａの右上の挿入図は、純水の誘電損失に対するヘアレスマウスの腹部の皮膚の誘電損失の比（吸収比）を表す。

ヘアレスマウスの腹部の皮膚の誘電損失スペクトル（波形Ｐ５）の形状は、純水の誘電損失スペクトル（波形Ｐ６）の形状に類似し、非常に小さい値を持つ。図１０Ａの挿入図に示すように、純水の誘電損失に対するヘアレスマウスの腹部の皮膚の誘電損失の比は周波数依存性があり、周波数の増加に伴い自由水量が減少する傾向がある。式（１）に示すように、エバネッセント波が局在する深さ位置ｄ_ｐ（ν）は、周波数が高くなるほど浅くなる。すなわち、周波数ごとに上記の比が減少することは、ヘアレスマウスの表皮内の深さ方向における自由水量の勾配を反映していると考えられる。

図１０Ｂに、ヘアレスマウスの腹部における自由水量の深さプロファイルの一例を示す。図１０Ｂにおいて、横軸は深さ方向の深さ位置を表し、縦軸は含水量を表す。なお、図１０Ｂにおいて、共焦点ラマン分光測定により得られたヒトの前腕における水分量の深さプロファイル（波形Ｐ７）が示されている。

図１０Ｂは、図１０Ａの測定結果から算出される。図１０Ｂに示す自由水量の深さプロファイル（波形Ｐ８）は、ヘアレスマウスの腹部の皮膚の表面から深さ位置１０μｍから深さ位置１５μｍまでの範囲で自由水量が急激に増加し、深さ位置５０μｍまで自由水量がなだらかに増加することを示している。更に深い領域では、自由水量が略一定になる。

図１０Ｂに示す共焦点ラマン分光測定により得られた水分量（波形Ｐ７）は、自由水量と水和水量との和である。従って、波形Ｐ７と波形Ｐ６との差分は、ヘアレスマウスの皮膚の表皮内の水和水量を反映したものである。

（第３評価例）
第３評価例は、ヘアレスマウスの腹部の皮膚に対して純水を塗布したときの自由水量の変化と化粧水を塗布したときの自由水量の変化を評価した例である。本評価例において、化粧水は第１評価例と同様のものである。また、腹部の皮膚に塗布される純水の量及び化粧水の量のそれぞれは、１ミリリットルである。

図１１Ａに、ヘアレスマウスの腹部の皮膚に純水を塗布したときの自由水量の深さプロファイルの経時変化の一例と、ヘアレスマウスの腹部の皮膚に化粧水を塗布したときの自由水量の深さプロファイルの経時変化の一例とを示す。図１１Ａの上段は、腹部の皮膚に純水を塗布したときの自由水量の深さプロファイルの経時変化の一例を表す。図１１Ａの下段は、腹部の皮膚に化粧水を塗布したときの自由水量の深さプロファイルの経時変化の一例を表す。図１１Ａにおいて、横軸は深さ位置を表し、縦軸は自由水量を表す。

図１１Ａでは、純水又は化粧水の塗布前の深さプロファイル、純水又は化粧水の塗布後１分経過した時点での深さプロファイルと、純水又は化粧水の塗布後１１分経過した時点での深さプロファイルとが示されている。

純水を塗布した後に１分が経過した時点と化粧水を塗布した後に１分が経過した時点では、自由水量が増加し、特に皮膚の表面付近で著しく増加する。しかし、塗布後に１１分が経過した時点では、純水を塗布した皮膚の表皮内の自由水量が塗布直前と同程度まで減少している。これに対して、化粧水を塗布した皮膚の表皮内の自由水量は、有意に高いレベルに保たれている。

図１１Ｂに、純水の塗布前の自由水量に対する塗布後の自由水量の比（相対自由水量）の経時変化の一例と、化粧水の塗布前の自由水量に対する塗布後の自由水量の比の経時変化の一例とを示す。図１１Ｂの上段は、純水の塗布前の自由水量に対する塗布後の自由水量の比の経時変化を表す。図１１Ｂの下段は、化粧水の塗布前の自由水量に対する塗布後の自由水量の比の経時変化を表す。図１１Ｂにおいて、横軸は深さ位置を表し、縦軸は塗布前後の自由水量の比を表す。

図１１Ｂでは、純水又は化粧水の塗布前の自由水量に対する塗布後１分経過した時点での自由水量の比の深さプロファイルと、純水又は化粧水の塗布前の自由水量に対する塗布後１１分経過した時点での自由水量の比の深さプロファイルとが示されている。

塗布後１分が経過した時点では、純水を塗布したときと化粧水を塗布したときは、相対自由水量の変化は略同じである。このとき、角質層（深さ位置２０μｍ以下）では自由水量が約３倍に増加し、深さ位置が深くなるのに伴い相対自由水量が「１．５」に収束する。特に、５０μｍより深い領域において、相対自由水量が５０％だけ増加することは、皮膚の表面に晒されていた自由水が角質層のバリアをくぐり抜けて急速に深部へ到達していることを示唆している。

一方、塗布後１１分が経過した時点では、純水を塗布したときと化粧水を塗布したときは、相対自由水量の変化に有意な差がある。具体的には、純水を塗布したときは、相対自由水量が「１」（すなわち、塗布前の定常状態）に戻る。これは、塗布した水が蒸発によって失われたものである。これに対して、化粧水を塗布したときは、深さ位置にかかわらず、一様に相対自由水量が５０％程度増加している。化粧水中の約１／３は、自由水ではない成分（溶質基剤、水和水）で占められているにもかかわらず、純水に比べて化粧水の方が自由水の保湿能力が優れている。

上記の評価例のように化粧品等の外用剤を塗布した皮膚では、塗布物によって電気伝導度が変化してしまうため、従来の手法では、皮膚に含まれる水分量を正確に測定することが困難であった。これに対して、実施形態に係る装置、方法、又はプログラムによれば、誘電損失によって皮膚の水分量を評価するができる。すなわち、実施形態によれば、電気的性質から水分量を測定するものでないため、化粧品等の外用剤を塗布した皮膚の水分量計測も可能である。

（その他の評価例）
また、ＳＡＳＰａｓｅ遺伝子をヘテロで有するマウス（正常肌マウス）とＳＡＳＰａｓｅ遺伝子ノックアウトに由来するマウス（乾燥肌マウス）のそれぞれについて共焦点ラマン分光測定により皮膚の表皮内の水分量を測定すると、両者に有意に差がある（図示せず）。しかしながら、正常肌マウスと乾燥肌マウスのそれぞれについて上記のように自由水量を算出すると、両者に有意な差がない（図示せず）。これは、皮膚の表皮内の水和水量の差があることを意味する。すなわち、皮膚疾患に水和水が重要であることが示唆される。実施形態によれば、自由水量又は水和水量又はその変化をｉｎ－ｖｉｖｏで観察することが可能になり、水の「質」を加味した新たな知見を得ることができるようになる。

(変形例）
上記の実施形態では、測定波として光パルスを用いたＴＨｚ ＴＤ－ＡＴＲ分光測定により自由水量を特定する場合について説明したが、実施形態に係る測定方法はこれに限定されるものではない。

いくつかの実施形態では、測定波としてＣＷ波を用いたＴＨｚ ＡＴＲ分光測定により自由水量が特定される。この場合、測定ユニット３０により得られた測定結果（スペクトル）から複素誘電率の実部だけが得られる。従って、式（５）では、式（４）から算出される寄与率に代えて、経験則等で推定された寄与率が適用される点を除いて、上記の実施形態と同様に自由水量を特定することが可能である。従って、測定波としてＣＷ波を用いたＴＨｚ ＡＴＲ分光測定により、上記の実施形態と同様に深さプロファイルを生成することが可能である。

いくつかの実施形態では、量子カスケードレーザのような単一周波数のテラヘルツ波を発振するレーザを用いた測定や、メタマテリアルやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のような狭帯域で動作するセンサを用いた測定により、誘電応答が観測される。この場合、電磁波が局在する深さ位置を連続的又は段階的に変更することで、上記の実施形態と同様に自由水量を特定し、上記の実施形態と同様に深さプロファイルを生成することが可能である。

いくつかの実施形態では、誘電損失算出部１２０は、外部に設けられた装置から誘電損失スペクトルを取得し、取得された誘電損失スペクトルを用いて、上記の実施形態と同様に自由水量を特定し、上記の実施形態と同様に深さプロファイルを生成する。

いくつかの実施形態では、自由水量ではなく、水和水量を特定し、水和水量の深さプロファイルを生成する。

上記の実施形態（又はその変形例）における被測定試料に塗布される化粧品は、被測定試料の保護、着色、賦香、又は保湿成分等の補給を目的とする塗布物を含む。このような化粧品の例として、基礎化粧品、メーキャップ化粧品、ヘアトニック、香水、歯磨き、シャンプー、リンス、石けん、入浴剤などがある。

上記の実施形態（又はその変形例）における被測定試料に塗布される医薬品は、病気の診断、予防、又は治療を目的として被測定試料に塗布する塗布物を含む。上記の実施形態（又はその変形例）における被測定試料に塗布される医薬部外品は、人体に対する作用が緩和な塗布物を含む。医薬部外品の例として、育毛剤、染毛剤、薬用化粧品、栄養剤などがある。

上記の実施形態（又はその変形例）における被測定試料に塗布される外用剤の例として、外用剤の例として、軟膏、クリーム剤、外用液剤、点眼剤、点鼻剤、座剤、貼付剤、吸入剤、舌下剤などがある。

いくつかの実施形態では、被測定試料の表面に貼付物が貼付される。

いくつかの実施形態では、被測定試料の表面又は内部には機器が装着（接触、又は貼付）される。このような機器の例として、病気の診断、予防、又は治療を目的とする医療機器がある。医療機器の例として、コンタクトレンズがある。

いくつかの実施形態では、上記の実施形態に係る自由水測定方法を実現するためのプログラムを、コンピュータによって読み取り可能な任意の非一時的な記録媒体に記憶させることができる。記録媒体は、磁気、光、光磁気、半導体などを利用した電子媒体であってよい。典型的には、記録媒体は、磁気テープ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ、ソリッドステートドライブなどである。

また、インターネットやＬＡＮ等のネットワークを通じてコンピュータプログラムを送受信することも可能である。

［効果］
実施形態に係る自由水測定装置、自由水測定方法、及びプログラムについて説明する。

いくつかの実施形態に係る自由水測定装置は、取得部（フェムト秒レーザー１０、ビームスプリッタＢＳ１、光遅延ユニット２０、測定ユニット３０、及びスペクトル算出部１１０）と、算出部（誘電損失算出部１２０）と、特定部（自由水量特定部１３０）とを含む。取得部は、被測定試料の表面から第１深さ位置（ｚ_ｍ）までの第１深さ範囲（Ｒ１）の第１誘電損失と、表面から第１深さ位置より浅い第２深さ位置（ｚ_ｎ）までの第２深さ範囲（Ｒ２）の第２誘電損失とを取得する。算出部は、第１誘電損失と、第２誘電損失と、第１深さ範囲における誘電損失に対する第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、第１深さ位置から第２深さ位置までの第３深さ範囲（Ｒ３）の第３誘電損失を算出する。特定部は、純水における第３深さ範囲の誘電損失を基準に第３誘電損失に対応する自由水量を特定する。

このような構成によれば、第１深さ範囲の第１誘電損失と第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得して第１深さ位置から第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出し、算出された第３誘電損失に対応する自由水量を特定するようにしたので、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を特定することが可能にある。それにより、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定することができ、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、取得部は、純水を被測定試料として第１誘電損失と第２誘電損失とを取得し、特定部は、第３誘電損失を被除数とし、純水における第３深さ範囲の誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより自由水量を求める。

このような構成によれば、簡素な処理で、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を求めることができる。

いくつかの実施形態では、取得部は、互いに異なる２以上の第２深さ範囲について第２誘電損失を取得する。算出部は、取得部により取得された２以上の第２誘電損失のそれぞれについて第３誘電損失を算出する。特定部は、算出部により算出された２以上の第３誘電損失のそれぞれに対応する自由水量を特定する。実施形態に係る自由水測定装置は、特定部により特定された２以上の自由水量に基づいて深さプロファイルを生成するプロファイル生成部（深さプロファイル生成部１４０）を含む。

このような構成によれば、被測定試料の内部に含まれる自由水量について深さ方向の変化を容易に観察することができるようになり、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、取得部は、テラヘルツ全反射減衰分光測定により得られたスペクトルに基づいて第１誘電損失と第２誘電損失とを取得する。

このような構成によれば、テラヘルツ全反射減衰分光測定を行うことにより、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を特定することが可能な自由水測定装置を提供することができるようになる。

いくつかの実施形態は、時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施すことにより得られた周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルと被測定試料がないときの周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて反射率スペクトルと位相差スペクトルとを求める第１スペクトル算出部（１１１Ｂ）と、フレネルの式と第１スペクトル算出部により求められた反射率スペクトルと位相差スペクトルとから誘電損失スペクトルを算出する第２スペクトル算出部（１１２）と、を含み、取得部は、第２スペクトル算出部により算出された誘電損失スペクトルに基づいて第１誘電損失と第２誘電損失とを取得する。

このような構成によれば、簡素な処理で、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能な自由水測定装置を提供することができるようになる。

いくつかの実施形態では、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、第２深さ位置をｚと表し、周波数νの関数として第１深さ範囲における寄与率をＣ_０ｚ（ν）と表すと、式（４）を満たす。

このような構成によれば、簡素な処理で、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、第１深さ位置をｚ_ｍと表し、第２深さ位置をｚ_ｎと表し、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍ、ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎとし、第１誘電損失に対する第２誘電損失の寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、第１誘電損失をε″（ν_ｍ）と表し、第２誘電損失をε″（ν_n）と表し、第３誘電損失をε″_ｚｎｚｍと表すと、式（７）を満たす。

このような構成によれば、簡素な処理で、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、取得部は、テラヘルツ全反射減衰分光測定系（フェムト秒レーザー１０、ビームスプリッタＢＳ１、光遅延ユニット２０、及び測定ユニット３０）を含む。テラヘルツ全反射減衰分光測定系は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部（フェムト秒レーザー１０、ビームスプリッタＢＳ１、光伝導アンテナＯＡ１）と、テラヘルツ波が照射される表面に被測定試料が接触可能なプリズム（ＡＴＲプリズム３１）と、表面からの反射波を検出する検出部（光遅延ユニット２０及び光伝導アンテナＯＡ２）と、を含む。

このような構成によれば、テラヘルツ全反射減衰分光測定を実行することにより、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を特定することが可能な自由水測定装置を提供することができるようになる。それにより、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、第１試料（上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織）の表面に第１試料と電気的性質が異なる物質が塗布された試料である。

このような構成によれば、電気的性質が異なる物質が塗布された第１試料の内部における自由水量の分布を特定し、第１試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

このような構成によれば、植物、動物等の生体の内部における自由水量の分布を特定し、生体に含まれる水の「質」をｉｎ－ｖｉｖｏで高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

このような構成によれば、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された植物、動物等の生体の内部における自由水量の分布を特定し、化粧品等が塗布された生体に含まれる水の「質」をｉｎ－ｖｉｖｏで高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、食品である。

このような構成によれば、食品の内部における自由水量の分布を特定し、食品に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態は、取得ステップと、算出ステップと、特定ステップとを含む。取得ステップは、被測定試料の表面から第１深さ位置（ｚ_ｍ）までの第１深さ範囲（Ｒ１）の第１誘電損失と、表面から第１深さ位置より浅い第２深さ位置（ｚ_ｎ）までの第２深さ範囲（Ｒ２）の第２誘電損失とを取得する。算出ステップは、第１誘電損失と、第２誘電損失と、第１深さ範囲における誘電損失に対する第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、第１深さ位置から第２深さ位置までの第３深さ範囲（Ｒ３）の第３誘電損失を算出する。特定ステップは、純水における第３深さ範囲の誘電損失を基準に第３誘電損失に対応する自由水量を特定する。

このような方法によれば、第１深さ範囲の第１誘電損失と第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得して第１深さ位置から第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出し、算出された第３誘電損失に対応する自由水量を特定するようにしたので、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を特定することが可能にある。それにより、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定することができ、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、取得ステップは、純水を被測定試料として第１誘電損失と第２誘電損失とを取得し、特定ステップは、第３誘電損失を被除数とし、純水における第３深さ範囲の誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより自由水量を求める。

このような方法によれば、簡素な処理で、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を求めることができる。

いくつかの実施形態では、取得ステップは、互いに異なる２以上の第２深さ範囲について第２誘電損失を取得する。算出ステップは、取得ステップにおいて取得された２以上の第２誘電損失のそれぞれについて第３誘電損失を算出する。特定ステップは、算出ステップにおいて算出された２以上の第３誘電損失のそれぞれに対応する自由水量を特定する。実施形態に係る自由水測定方法は、特定ステップにおいて特定された２以上の自由水量に基づいて深さプロファイルを生成するプロファイル生成ステップを含む。

このような方法によれば、被測定試料の内部に含まれる自由水量について深さ方向の変化を容易に観察することができるようになり、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、取得ステップは、テラヘルツ全反射減衰分光測定により得られたスペクトルに基づいて第１誘電損失と第２誘電損失とを取得する。

このような方法によれば、テラヘルツ全反射減衰分光測定を行うことにより、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を特定することが可能な自由水測定方法を提供することができるようになる。

いくつかの実施形態は、時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施すことにより得られた周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルと被測定試料がないときの周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて反射率スペクトルと位相差スペクトルとを求める第１スペクトル算出ステップと、フレネルの式と第１スペクトル算出ステップにおいて求められた反射率スペクトルと位相差スペクトルとから誘電損失スペクトルを算出する第２スペクトル算出ステップと、を含み、取得ステップは、第２スペクトル算出ステップにおいて算出された誘電損失スペクトルに基づいて第１誘電損失と第２誘電損失とを取得する。

このような方法によれば、簡素な処理で、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能な自由水測定方法を提供することができるようになる。

いくつかの実施形態では、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、第２深さ位置をｚと表し、周波数νの関数として第１深さ範囲における寄与率をＣ_０ｚ（ν）と表すと、式（４）を満たす。

このような方法によれば、簡素な処理で、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、第１深さ位置をｚ_ｍと表し、第２深さ位置をｚ_ｎと表し、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍ、ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎとし、第１誘電損失に対する第２誘電損失の寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、第１誘電損失をε″（ν_ｍ）と表し、第２誘電損失をε″（ν_n）と表し、第３誘電損失をε″_ｚｎｚｍと表すと、式（７）を満たす。

このような方法によれば、簡素な処理で、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定し、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、第１試料（上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織）の表面に第１試料と電気的性質が異なる物質が塗布された試料である。

このような方法によれば、電気的性質が異なる物質が塗布された第１試料の内部における自由水量の分布を特定し、第１試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

このような方法によれば、植物、動物等の生体の内部における自由水量の分布を特定し、生体に含まれる水の「質」をｉｎ－ｖｉｖｏで高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である。

このような方法によれば、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された植物、動物等の生体の内部における自由水量の分布を特定し、化粧品等が塗布された生体に含まれる水の「質」をｉｎ－ｖｉｖｏで高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態では、被測定試料は、食品である。

このような方法によれば、食品の内部における自由水量の分布を特定し、食品に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

いくつかの実施形態は、コンピュータに、上記のいずれかに記載の自由水測定方法の各ステップを実行させるプログラムである。

このようなプログラムによれば、第１深さ範囲の第１誘電損失と第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得して第１深さ位置から第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出し、算出された第３誘電損失に対応する自由水量を特定するようにしたので、被測定試料の所望の深さ範囲における自由水量を特定することが可能にある。それにより、被測定試料の内部における自由水量の分布を特定することができ、被測定試料に含まれる水の「質」を高精度に評価することが可能になる。

＜その他＞
以上に示された実施形態は、この発明を実施するための一例に過ぎない。この発明を実施しようとする者は、この発明の要旨の範囲内において任意の変形、省略、追加等を施すことが可能である。

１ 自由水測定装置
１０ フェムト秒レーザー
２０ 光遅延ユニット
３０ 測定ユニット
３１ ＡＴＲプリズム
４０ プリアンプ
５０ ロックインアンプ
１００ 演算処理装置
１１０ スペクトル算出部
１１１ 第１スペクトル算出部
１１１Ａ フーリエ変換処理部
１１１Ｂ 反射率スペクトル算出部
１１１Ｃ 位相差スペクトル算出部
１１２ 第２スペクトル算出部
１２０ 誘電損失算出部
１２１ 寄与率算出部
１３０ 自由水量特定部
１４０ 深さプロファイル生成部

Claims (23)

1. テラヘルツ全反射減衰分光測定により得られたスペクトルに基づいて、被測定試料の表面から第１深さ位置までの第１深さ範囲の第１誘電損失と、前記表面から前記第１深さ位置より浅い第２深さ位置までの第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得する取得部と、
   前記第１誘電損失と、前記第２誘電損失と、前記第１深さ範囲における誘電損失に対する前記第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、前記第１深さ位置から前記第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出する算出部と、
   純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を基準に前記第３誘電損失に対応する自由水量を特定する特定部と、
   を含む自由水測定装置。
2. 前記取得部は、純水を前記被測定試料として前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得し、
   前記特定部は、前記第３誘電損失を被除数とし、純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより前記自由水量を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の自由水測定装置。
3. 前記取得部は、互いに異なる２以上の前記第２深さ範囲について前記第２誘電損失を取得し、
   前記算出部は、前記取得部により取得された２以上の前記第２誘電損失のそれぞれについて前記第３誘電損失を算出し、
   前記特定部は、前記算出部により算出された２以上の前記第３誘電損失のそれぞれに対応する自由水量を特定し、
   前記特定部により特定された２以上の前記自由水量に基づいて深さプロファイルを生成するプロファイル生成部を含む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自由水測定装置。
4. 時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施すことにより得られた周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルと被測定試料がないときの周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて反射率スペクトルと位相差スペクトルとを求める第１スペクトル算出部と、
   フレネルの式と前記第１スペクトル算出部により求められた前記反射率スペクトルと前記位相差スペクトルとから誘電損失スペクトルを算出する第２スペクトル算出部と、
   を含み、
   前記取得部は、前記第２スペクトル算出部により算出された前記誘電損失スペクトルに基づいて前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得する
   ことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
5. 周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、前記第２深さ位置をｚと表し、周波数νの関数として前記第１深さ範囲における前記寄与率をＣ_０ｚ（ν）と表すと、下記の式を満たす
   ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
   

   
6. 前記第１深さ位置をｚ_ｍと表し、前記第２深さ位置をｚ_ｎと表し、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍ、ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎとし、前記第１誘電損失に対する前記第２誘電損失の寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、前記第１誘電損失をε″（ν_ｍ）と表し、前記第２誘電損失をε″（ν_n）と表し、前記第３誘電損失をε″_ｚｎｚｍと表すと、下記の式を満たす
   ことを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
   

   
7. 前記取得部は、テラヘルツ全反射減衰分光測定系を含み、
   前記テラヘルツ全反射減衰分光測定系は、
   テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、
   前記テラヘルツ波が照射される表面に前記被測定試料が接触可能なプリズムと、
   前記表面からの反射波を検出する検出部と、
   を含む
   ことを特徴とする請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
8. テラヘルツ全反射減衰分光測定系を含み、被測定試料の表面から第１深さ位置までの第１深さ範囲の第１誘電損失と、前記表面から前記第１深さ位置より浅い第２深さ位置までの第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得する取得部と、
   前記第１誘電損失と、前記第２誘電損失と、前記第１深さ範囲における誘電損失に対する前記第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、前記第１深さ位置から前記第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出する算出部と、
   純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を基準に前記第３誘電損失に対応する自由水量を特定する特定部と、
   を含み、
   前記テラヘルツ全反射減衰分光測定系は、
   テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部と、
   前記テラヘルツ波が照射される表面に前記被測定試料が接触可能なプリズムと、
   前記表面からの反射波を検出する検出部と、
   を含む、自由水測定装置。
9. 前記被測定試料は、第１試料の表面に前記第１試料と電気的性質が異なる物質が塗布された試料である
   ことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
10. 前記被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である
    ことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
11. 前記被測定試料は、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の自由水測定装置。
12. 前記被測定試料は、食品である
    ことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の自由水測定装置。
13. テラヘルツ全反射減衰分光測定により得られたスペクトルに基づいて、被測定試料の表面から第１深さ位置までの第１深さ範囲の第１誘電損失と、前記表面から前記第１深さ位置より浅い第２深さ位置までの第２深さ範囲の第２誘電損失とを取得する取得ステップと、
    前記第１誘電損失と、前記第２誘電損失と、前記第１深さ範囲における誘電損失に対する前記第２深さ範囲における誘電損失の寄与率とに基づいて、前記第１深さ位置から前記第２深さ位置までの第３深さ範囲の第３誘電損失を算出する算出ステップと、
    純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を基準に前記第３誘電損失に対応する自由水量を特定する特定ステップと、
    を含む自由水測定方法。
14. 前記取得ステップは、純水を前記被測定試料として前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得し、
    前記特定ステップは、前記第３誘電損失を被除数とし、純水における前記第３深さ範囲の誘電損失を除数とする除算処理を行うことにより前記自由水量を求める
    ことを特徴とする請求項１３に記載の自由水測定方法。
15. 前記取得ステップは、互いに異なる２以上の前記第２深さ範囲について前記第２誘電損失を取得し、
    前記算出ステップは、前記取得ステップにおいて取得された２以上の前記第２誘電損失のそれぞれについて前記第３誘電損失を算出し、
    前記特定ステップは、前記算出ステップにおいて算出された２以上の前記第３誘電損失のそれぞれに対応する自由水量を特定し、
    前記特定ステップにおいて特定された２以上の前記自由水量に基づいて深さプロファイルを生成するプロファイル生成ステップを含む
    ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の自由水測定方法。
16. 時間領域の電場波形に対してフーリエ変換を施すことにより得られた周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルと被測定試料がないときの周波数領域の強度スペクトル及び位相スペクトルとを用いて反射率スペクトルと位相差スペクトルとを求める第１スペクトル算出ステップと、
    フレネルの式と前記第１スペクトル算出ステップにおいて求められた前記反射率スペクトルと前記位相差スペクトルとから誘電損失スペクトルを算出する第２スペクトル算出ステップと、
    を含み、
    前記取得ステップは、前記第２スペクトル算出ステップにおいて算出された前記誘電損失スペクトルに基づいて前記第１誘電損失と前記第２誘電損失とを取得する
    ことを特徴とする請求項１３～請求項１５のいずれか一項に記載の自由水測定方法。
17. 周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、前記第２深さ位置をｚと表し、周波数νの関数として前記第１深さ範囲における前記寄与率をＣ_０ｚ（ν）と表すと、下記の式を満たす
    ことを特徴とする請求項１３～請求項１６のいずれか一項に記載の自由水測定方法。
    

    
18. 前記第１深さ位置をｚ_ｍと表し、前記第２深さ位置をｚ_ｎと表し、周波数νの関数としてエバネッセント光の光強度が１／ｅ^２に減衰する深さ位置をｄ_ｐ（ν）と表し、ｄ_ｐ（ν_ｍ）＝ｚ_ｍ、ｄ_ｐ（ν_ｎ）＝ｚ_ｎとし、前記第１誘電損失に対する前記第２誘電損失の寄与率をＣ_０ｚｎ（ν）と表し、前記第１誘電損失をε″（ν_ｍ）と表し、前記第２誘電損失をε″（ν_n）と表し、前記第３誘電損失をε″_ｚｎｚｍと表すと、下記の式を満たす
    ことを特徴とする請求項１３～請求項１７のいずれか一項に記載の自由水測定方法。
    

    
19. 前記被測定試料は、第１試料の表面に前記第１試料と電気的性質が異なる物質が塗布された試料である
    ことを特徴とする請求項１３～請求項１８のいずれか一項に記載の自由水測定方法。
20. 前記被測定試料は、上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である
    ことを特徴とする請求項１３～請求項１８のいずれか一項に記載の自由水測定方法。
21. 前記被測定試料は、化粧品、医薬品、医薬部外品又は外用剤が塗布された上皮組織若しくは皮膚、又は表皮組織である
    ことを特徴とする請求項２０に記載の自由水測定方法。
22. 前記被測定試料は、食品である
    ことを特徴とする請求項１３～請求項１８のいずれか一項に記載の自由水測定方法。
23. コンピュータに、請求項１３～請求項２２のいずれか一項に記載の自由水測定方法の各ステップを実行させることを特徴とするプログラム。

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