JPH08220033A - Method for analyzing paramagnetic species - Google Patents

Method for analyzing paramagnetic species

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JPH08220033A
JPH08220033A JP1998095A JP1998095A JPH08220033A JP H08220033 A JPH08220033 A JP H08220033A JP 1998095 A JP1998095 A JP 1998095A JP 1998095 A JP1998095 A JP 1998095A JP H08220033 A JPH08220033 A JP H08220033A
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JP
Japan
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double layer
electric double
sample
magnetic field
paramagnetic species
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Application number
JP1998095A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Oya
博昭 大矢
Hidekatsu Yokoyama
秀克 横山
Toshiyuki Sato
敏幸 佐藤
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YAMAGATA PREF GOV TECHNOPOLIS ZAIDAN
Original Assignee
YAMAGATA PREF GOV TECHNOPOLIS ZAIDAN
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To selectively analyze a paramagnetic species existing in a very small area of a living body by detecting the electrical spin resonance of the paramagnetic species existing in an electric double layer from the variation of the impedance in the electric double layer. CONSTITUTION: A resonator 2 introduces electromagnetic waves of a fixed frequency generated from a signal source 1 and only efficiently radiates the magnetic field component of the electromagnetic waves upon a sample section 3. The section 3 is provided with a micro electrode 7 and reference electrode 8 inserted into a sample and a DC bias current flows to the electrodes from a power source 4. The sample section 3 is provided in a static magnetic field formed by a magnet 5 so that a sample can be put in a uniform static magnetic field. when the intensity of the magnetic field is slowly raised while the resonator 2 radiates the electromagnetic waves upon the section 3, a paramagnetic species existing in an electric double layer causes electric spin resonance when the intensity reaches a certain value and the impedance in the electric double layer varies. The paramagnetic species can be analyzed by detecting the impedance variation in the electric double layer as a signal after amplifying 6 the variation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、不対電子を有する常磁
性種の分析方法及びその方法に使用する分析装置に関す
るものである。さらに詳しくいえば、本発明は、微小領
域内における常磁性種を選択的に分析することが可能な
分析方法およびその方法に使用する装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for analyzing paramagnetic species having unpaired electrons and an analyzer used in the method. More specifically, the present invention relates to an analysis method capable of selectively analyzing paramagnetic species in a minute region and an apparatus used for the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】生体内に存在するフリーラジカル、遷移
金属などの常磁性種が、癌、炎症性疾患、潰瘍、脳血管
疾患、及び心筋梗塞などの各種疾患を誘起ないしは増悪
することが知られている。従って、生体中の細胞レベ
ル、すなわちサブミクロン単位の微小領域における常磁
性種の検出や分析は、常磁性種の生理作用に関する研究
や、常磁性種が関与する上記の疾患の診断、治療、及び
予防に応用し得るものとして期待されている。
2. Description of the Related Art Paramagnetic species such as free radicals and transition metals existing in the living body are known to induce or aggravate various diseases such as cancer, inflammatory diseases, ulcers, cerebrovascular diseases, and myocardial infarction. ing. Therefore, the detection and analysis of paramagnetic species in the cellular level in the living body, that is, in the submicron microscopic region, is carried out to study the physiological action of paramagnetic species, and to diagnose, treat, and It is expected to be applicable to prevention.

【0003】物質内の常磁性種の有する不対電子を高感
度かつ非破壊状態で検出する優れた手法としては、従来
より電子スピン共鳴法(ESR法)が知られている。電子ス
ピン共鳴法によれば、磁場中での不対電子のラーモア才
差運動周波数の変化や変動幅などから、常磁性種を有す
る物質の様々な情報を読みとることが可能である。しか
しながら、従来の電子スピン共鳴法は、試料全体に照射
したマイクロ波により試料中に存在する常磁性種が電子
スピン共鳴した結果(電子スピン共鳴吸収)を試料全体
として観測しているにすぎず、特定の微小領域の情報を
選択的に得るものではなかった。
An electron spin resonance method (ESR method) has been conventionally known as an excellent method for detecting unpaired electrons possessed by paramagnetic species in a substance in a highly sensitive and non-destructive state. According to the electron spin resonance method, it is possible to read various information of a substance having a paramagnetic species from the change and fluctuation range of the Larmor precession frequency of unpaired electrons in a magnetic field. However, the conventional electron spin resonance method merely observes the result (electron spin resonance absorption) of the electron spin resonance of the paramagnetic species present in the sample due to the microwave irradiated to the whole sample, It did not selectively obtain information on a specific minute area.

【0004】試料中の特定の部位の電子スピン共鳴吸収
を観察する手法として、磁場勾配を使ったズーグマトグ
ラフィやプローブの小型化を図ったマイクロコイルなど
が利用されている(文献:High-sensitivity broad ban
d microwave spectroscopy with small non resonant c
oils, Rev. Sci. Instrnm., 57(6), 1986)。しかしなが
ら、これらの手法によってサブミクロン単位の空間分解
能を達成することは実際上不可能であり、また、観測部
位(体積)を小さくするに従って測定感度が低下してし
まうという問題もあった。さらに、これらの手法ではマ
イクロ波の変化を観測するために高価なマイクロ波検出
器が必要とするということも問題である。特に、ミリ波
に近い高周波数帯において高感度で広いダイナッミクレ
ンジを有する検出器は従来知られていないので、装置構
築上の大きな問題点となっている。
As a method for observing the electron spin resonance absorption at a specific site in a sample, there are used a Zougmatography using a magnetic field gradient and a microcoil with a miniaturized probe (Reference: High-sensitivity). broad ban
d microwave spectroscopy with small non resonant c
oils, Rev. Sci. Instrnm., 57 (6), 1986). However, it is practically impossible to achieve a spatial resolution in the submicron unit by these methods, and there is a problem that the measurement sensitivity decreases as the observation site (volume) is reduced. Another problem with these methods is that expensive microwave detectors are needed to observe microwave changes. In particular, a detector having high sensitivity and a wide dynamic range in a high frequency band close to a millimeter wave has not been known so far, which is a big problem in constructing the device.

【0005】一方、微小電極にバイアス電圧/電流を印
加した場合、微小電極の表面に電気二重層が生じてその
界面が高抵抗になるので、電界が界面に集中するように
なることが知られている。その結果、微小電極に流れる
電流は界面の特性を反映したものになるので、電気化学
等の分野では、この現象を利用した様々な計測法が提案
されている。しかしながら、この現象を電子スピン共鳴
法に応用し、不対電子をもつ常磁性種の情報を選択的に
得た例は未だ報告されていない。
On the other hand, when a bias voltage / current is applied to the microelectrode, it is known that an electric double layer is generated on the surface of the microelectrode and the interface thereof has a high resistance, so that the electric field concentrates on the interface. ing. As a result, the current flowing through the microelectrode reflects the characteristics of the interface, and therefore various measurement methods utilizing this phenomenon have been proposed in the fields of electrochemistry and the like. However, no example has been reported yet in which this phenomenon was applied to the electron spin resonance method to selectively obtain information on paramagnetic species having unpaired electrons.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、試料
中のサブミクロン単位の微小領域内に存在する常磁性種
の分析を行なう方法を提供することにある。より具体的
には、本発明は、試料中のサブミクロン単位の微小領域
内での電子スピン共鳴吸収を効率的に検出することによ
り、微小領域内に存在する常磁性種の検出、定量、同定
などの分析を行なう方法を提供することを目的としてい
る。別の観点からは、高価なマイクロ波検出器を必要と
せずに、高い測定感度で微小領域中の常磁性種の電子ス
ピン共鳴吸収を測定する方法を提供することも本発明の
目的の一つである。本発明のさらに別の目的は、上記の
方法に使用する装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for analyzing a paramagnetic species existing in a submicron minute region in a sample. More specifically, the present invention efficiently detects electron spin resonance absorption in a submicron microscopic region of a sample to detect, quantify, and identify paramagnetic species present in the microscopic region. It is intended to provide a method for performing analysis such as. From another point of view, it is also one of the objects of the present invention to provide a method for measuring electron spin resonance absorption of paramagnetic species in a minute region with high measurement sensitivity without requiring an expensive microwave detector. Is. Yet another object of the invention is to provide an apparatus for use in the above method.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、常磁性種を含む試
料内に微小電極を留置し、電極表面に生じる電気二重層
内を流れる微小電流を静磁場中で高周波の電磁波を与え
ながら観測したところ、電気二重層内に存在する常磁性
種の電子スピン共鳴による電流の変化を検出できること
を見出した。また本発明者は、このような微小電極の電
気二重層のインピーダンス変化を検出することにより、
電気二重層内という極めて微小な領域における常磁性種
の電子スピン共鳴を選択的に検出できることを見出し
た。本発明はこれらの知見を基にして完成されたもので
ある。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor left a microelectrode in a sample containing a paramagnetic species, and an electric double layer formed on the surface of the electrode. When we observed a small current flowing in the magnetic field in a static magnetic field while applying a high-frequency electromagnetic wave, we found that the change in current due to electron spin resonance of paramagnetic species existing in the electric double layer can be detected. Further, the present inventor detects the change in impedance of the electric double layer of such a microelectrode,
It was found that the electron spin resonance of paramagnetic species can be selectively detected in an extremely small area in the electric double layer. The present invention has been completed based on these findings.

【0008】すなわち本発明は、試料中に挿入された微
小電極表面に形成された電気二重層内に存在する常磁性
種の電子スピン共鳴を電気二重層内のインピーダンス変
化により検出することを特徴とする常磁性種の分析方法
を提供するものである。本発明の好ましい態様によれ
ば、電気二重層がバイアス電圧/電流の印加により形成
される上記方法;及びインピーダンス変化を電圧及び/
又電流の変化により検出する上記方法が提供される。
That is, the present invention is characterized in that the electron spin resonance of paramagnetic species existing in the electric double layer formed on the surface of the microelectrode inserted in the sample is detected by impedance change in the electric double layer. The present invention provides a method for analyzing paramagnetic species. According to a preferred embodiment of the present invention, the above method, wherein the electric double layer is formed by applying a bias voltage / current;
Also provided is the above method of detecting by a change in current.

【0009】また、本発明の別の態様によれば、常磁性
種の分析方法であって、以下の工程:(a) 試料中に挿入
された微小電極にバイアス電圧/電流を印加することに
より微小電極表面に電気二重層を形成する工程;(b) 電
気二重層内に存在する常磁性種の電子スピン共鳴を惹起
する工程;及び(c) 電子スピン共鳴を電気二重層内のイ
ンピーダンス変化により検出する工程を含む方法が提供
される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing paramagnetic species, which comprises the steps of: (a) applying a bias voltage / current to microelectrodes inserted in a sample. A step of forming an electric double layer on the surface of the microelectrode; (b) a step of inducing electron spin resonance of a paramagnetic species present in the electric double layer; and (c) an electron spin resonance caused by impedance change in the electric double layer. Methods are provided that include the step of detecting.

【0010】さらに本発明の別の態様によれば、上記の
各方法に使用するための装置が提供される。すなわち、
本発明により、静磁場を形成するための磁石5、該静磁
場内に配置された試料部3、該静磁場内で該試料部3に
電磁波を照射するためのレゾネータ2、試料内に挿入す
るための微小電極7及び参照電極8、該微小電極7と該
参照電極8の間にバイアス電圧/電流を印加し該微小電
極7の表面に電気二重層を形成するための該微小電極7
に接続された電源4、並びに該微小電極7に接続され該
電気二重層のインピーダンス変化を検出するための増幅
器6を備えた常磁性種の分析装置が提供される。この発
明の好ましい態様により、さらに電磁波の信号源1を備
えた上記装置;及び電源4及び増幅器6が一体の電子回
路として形成された上記装置が提供される。
According to yet another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for use in each of the above methods. That is,
According to the present invention, a magnet 5 for forming a static magnetic field, a sample part 3 arranged in the static magnetic field, a resonator 2 for irradiating the sample part 3 with an electromagnetic wave in the static magnetic field, and a sample part 3 are inserted into the sample. Microelectrode 7 and reference electrode 8 for applying a bias voltage / current between the microelectrode 7 and the reference electrode 8 to form an electric double layer on the surface of the microelectrode 7.
An analyzer for paramagnetic species is provided, which comprises a power source 4 connected to the microelectrode 7 and an amplifier 6 connected to the microelectrode 7 for detecting a change in impedance of the electric double layer. According to a preferred embodiment of the present invention, there is provided the above device further including an electromagnetic wave signal source 1; and the above device in which the power supply 4 and the amplifier 6 are formed as an integrated electronic circuit.

【0011】いかなる特定の理論に拘泥するわけではな
いが、微小電極では電界のほとんどが電気二重層に集中
しているので、本発明の方法により電気二重層内でのイ
ンピーダンス変化が検出された場合、その結果は電気二
重層内において常磁性種の電子スピン共鳴により電気二
重層の特性が変化したことを直接的に示している。本明
細書において電気二重層とは、組成の異なる2相の接触
界面において界面の一方の側には余分の正電荷が他の側
には余分の負電荷が連続的に分布するものの、全体とし
ては電気的中性の条件を満足する境界層のことをいう。
例えば、電解質溶液中に電極を挿入して荷電した場合
に、電極表面近傍に形成される電気二重層などがその一
例である。本発明の方法に従えば、電気二重層内の極微
小領域における常磁性種の電子スピン共鳴を選択的に取
り出すことができ、試料中の微小領域に存在する常磁性
種のみを分析することが可能である。なお、本発明の常
磁性種の分析には、常磁性種の同定、検出、定量などの
あらゆる分析概念が包含されることはいうまでもない。
Without being bound to any particular theory, in the case of microelectrodes, most of the electric field is concentrated in the electric double layer, so that when the method of the present invention detects a change in impedance in the electric double layer. , The results directly show that the characteristics of the electric double layer are changed by the electron spin resonance of the paramagnetic species in the electric double layer. In the present specification, the electric double layer means that, in a contact interface between two phases having different compositions, an extra positive charge is continuously distributed on one side of the interface and an extra negative charge is continuously distributed on the other side, but as a whole. Refers to a boundary layer that satisfies the condition of electrical neutrality.
For example, an electric double layer formed near the surface of an electrode when the electrode is charged by being inserted into an electrolyte solution is one example. According to the method of the present invention, the electron spin resonance of the paramagnetic species in the extremely small area in the electric double layer can be selectively extracted, and only the paramagnetic species existing in the minute area in the sample can be analyzed. It is possible. Needless to say, the paramagnetic species analysis of the present invention includes all analytical concepts such as identification, detection, and quantification of paramagnetic species.

【0012】本発明の分析方法に用いる試料は特に限定
されず、分析の対象となる常磁性種を含む溶液の他、生
体から分離・採取された組織、体液、細胞、又はそれら
の懸濁液、あるいは生体そのものを用いることができ
る。溶液や懸濁液を形成するための溶媒としては、例え
ば、水、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラ
ヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類、ア
セトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホ
キシド、液体アンモニア、硫酸などを用いることができ
る。以下、本発明の方法および装置について、添付の図
1を参照しつつより具体的に説明するが、本発明の範囲
はこれらの例に限定されることはない。
The sample used in the analysis method of the present invention is not particularly limited, and in addition to the solution containing the paramagnetic species to be analyzed, tissues, body fluids, cells or suspensions thereof separated and collected from the living body. Alternatively, the living body itself can be used. As the solvent for forming the solution or suspension, for example, water, diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, ethers such as tetrahydropyran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, liquid ammonia, sulfuric acid and the like can be used. it can. Hereinafter, the method and apparatus of the present invention will be described more specifically with reference to the attached FIG. 1, but the scope of the present invention is not limited to these examples.

【0013】信号源1により発生した一定周波数の電磁
波はレゾネータ2に導入されるようになっており、レゾ
ネータ2は電磁波の磁界成分だけを効率よく試料部3に
照射できるような材質および形状となっている。レゾネ
ータ2としては、例えば、空洞、ループギャップ、ファ
ブリーペロー、伝送線路など各種の当業者が利用可能な
素子を用いることができ、分析の対象や目的に応じて当
業者が適宜選択可能である。
An electromagnetic wave having a constant frequency generated by the signal source 1 is introduced into the resonator 2, and the resonator 2 has a material and shape that can efficiently irradiate only the magnetic field component of the electromagnetic wave onto the sample portion 3. ing. As the resonator 2, for example, a cavity, a loop gap, a Fabry-Perot, a transmission line, or any other element that can be used by those skilled in the art can be used, and the person skilled in the art can appropriately select the element depending on the analysis target and purpose.

【0014】信号源1は、周波数と振幅が安定な電磁波
を発生することができ、周波数の微調整が可能であれ
ば、いかなるものを用いてもよい。例えば、シンセサイ
ズド信号発生器などが一般的であるが、周波数等に応じ
て、ガン発振器、ジャイロトロン等他の方式の発振器も
適宜使用可能である。常磁性種の電子スピン共鳴は静磁
場内で電磁波を照射することにより惹起されるが、電磁
波の周波数としては、HF帯から遠赤外までの任意の周波
数帯域を用いることが可能である。本発明の方法は、電
気二重層内のインピーダンス変化を検出することにより
常磁性種の電子スピン共鳴を検出することを特徴として
おり、電子スピン共鳴を起こす電磁波を直接検知する必
要がない。従って、高性能検波器の入手が困難なミリ波
や遠赤外線などを用いてもよい。
As the signal source 1, any source may be used as long as it can generate an electromagnetic wave having a stable frequency and amplitude and can finely adjust the frequency. For example, a synthesized signal generator is generally used, but other types of oscillators such as a Gunn oscillator and a gyrotron can also be appropriately used depending on the frequency and the like. Electron spin resonance of paramagnetic species is induced by irradiating an electromagnetic wave in a static magnetic field, and the frequency of the electromagnetic wave can be any frequency band from the HF band to the far infrared. The method of the present invention is characterized by detecting electron spin resonance of paramagnetic species by detecting impedance change in the electric double layer, and it is not necessary to directly detect electromagnetic waves causing electron spin resonance. Therefore, millimeter waves, far infrared rays, or the like, for which it is difficult to obtain a high-performance detector, may be used.

【0015】試料部3は、上記試料を充填した適当な材
質および形状の試料管や試料を乗せるための試料台を配
置できるような構造になっており、さらに試料部3に
は、試料に挿入するための微小電極7及び必要により対
極、並びに参照電極8が配置されている。これらの電極
は電源4に接続されており、この電源4により電極間に
はバイアス電圧/電流、好ましくは直流バイアス電流が
流れるようになっている。
The sample section 3 has a structure in which a sample tube of an appropriate material and shape filled with the sample and a sample stand for mounting the sample can be arranged. Further, the sample section 3 is inserted into the sample. A microelectrode 7 for performing the operation, a counter electrode if necessary, and a reference electrode 8 are arranged. These electrodes are connected to a power supply 4, which allows a bias voltage / current, preferably a DC bias current, to flow between the electrodes.

【0016】本発明で用いられる微小電極7は、バイア
ス電圧/電流により表面に数オングストローム程度の厚
さの電気二重層を形成できるものならば、いかなる部材
および形状のものを用いてもよい。例えば、微小電極7
および対極の部材としては、磁性を有しないステンレ
ス、金、炭素などが望ましい。微小電極の形状として
は、例えば、ディスク型、リング型、アレイ型などが好
ましい。参照電極8の部材としは、例えば銀/塩化銀電
極やカロメル電極などが用いられる。なお、参照電極に
対して微小電極が十分に小さい場合には、対極を省略し
てもよい。
As the microelectrode 7 used in the present invention, any member and shape may be used as long as an electric double layer having a thickness of about several angstroms can be formed on the surface by a bias voltage / current. For example, the microelectrode 7
As the counter electrode member, stainless steel, gold, carbon or the like having no magnetism is desirable. The shape of the microelectrodes is preferably, for example, disk type, ring type, array type, or the like. As a member of the reference electrode 8, for example, a silver / silver chloride electrode or a calomel electrode is used. The counter electrode may be omitted when the microelectrode is sufficiently smaller than the reference electrode.

【0017】磁石5により形成される静磁場内には試料
部3が設けられており、試料が均一な静磁場内に配置さ
れるようになっている。レゾネータ2は該静磁場内で試
料部3に電磁波を照射できるように配置されている。磁
石5としては必要な強度の均一な磁場を形成できるもの
ならばいかなるものを用いてもよい。例えば、電磁石、
超伝導磁石、永久磁石などを利用でき、分析の目的、必
要な磁場強度や均一度などに応じて適宜選択可能であ
る。静磁場発生用の磁石5の他に、磁場掃引や変調など
磁場の微調整のためにに磁場掃引コイルや変調コイルを
用いてもよい。なお、磁石5、及びレゾネータ2のそれ
ぞれの手段および各手段の配置方法は、従来のESR 装置
によりいずれも当業者に公知である。
The sample portion 3 is provided in the static magnetic field formed by the magnet 5 so that the sample is placed in a uniform static magnetic field. The resonator 2 is arranged so that the sample portion 3 can be irradiated with electromagnetic waves within the static magnetic field. Any magnet may be used as the magnet 5 as long as it can form a uniform magnetic field having a required strength. For example, an electromagnet,
A superconducting magnet, a permanent magnet, or the like can be used, and can be appropriately selected depending on the purpose of analysis, required magnetic field strength, homogeneity, and the like. In addition to the magnet 5 for generating the static magnetic field, a magnetic field sweep coil or a modulation coil may be used for fine adjustment of the magnetic field such as magnetic field sweep or modulation. It should be noted that the respective means of the magnet 5 and the resonator 2 and the method of arranging the respective means are known to those skilled in the art by the conventional ESR device.

【0018】このような装置において、レゾネータ2か
ら試料に電磁波を照射しつつ磁場の強度をゆっくり上げ
ていくと、ある磁場強度のときに電気二重層内に存在す
る常磁性種の電子スピン共鳴が起こり、その結果、電気
二重層内のインピーダンスが変化する。微小電極に接続
された増幅器6によりこのインピーダンス変化を増幅
し、好ましくは信号として検出することにより、常磁性
種の分析を行うことができる。インピーダンスの変化
は、通常、電圧及び/又は電流の変化により観察され
る。
In such a device, when the intensity of the magnetic field is slowly increased while irradiating the sample with the electromagnetic wave from the resonator 2, the electron spin resonance of the paramagnetic species existing in the electric double layer at a certain magnetic field intensity is generated. Occurs, which results in a change in impedance within the electric double layer. The paramagnetic species can be analyzed by amplifying this impedance change by the amplifier 6 connected to the microelectrode and preferably detecting it as a signal. Changes in impedance are usually observed by changes in voltage and / or current.

【0019】電源4としては、微小電極7の表面に形成
される電気二重層を最適な状態にするために、微小電極
7に任意のバイアス電圧/電流を印加できる制御可能な
バイアス電源を用いることが好ましい。本発明の方法で
は、試料と電極間に安定した電気二重層を形成するため
に、電極−試料間に直流の一定電圧を印加する必要があ
る。電気二重奏の状態は印加電圧の値により状態が変化
するので、印加電圧は、本発明の方法により最も良好な
信号が観察される値に設定すべきである。このように電
圧を印加している状態では電気二重層を貫通して微弱電
流が流れるが、この電流値は一般に印加電圧の関数であ
り、逆に言えば、電流を一定値になるように印加電圧値
を制御すればその電圧も一定になる。本明細書では、こ
れらの印加電圧、電流をバイアス電圧/電流という。
As the power source 4, a controllable bias power source capable of applying an arbitrary bias voltage / current to the microelectrode 7 is used in order to bring the electric double layer formed on the surface of the microelectrode 7 into an optimum state. Is preferred. In the method of the present invention, it is necessary to apply a constant DC voltage between the electrode and the sample in order to form a stable electric double layer between the sample and the electrode. Since the state of the electric duo changes depending on the value of the applied voltage, the applied voltage should be set to a value at which the best signal is observed by the method of the present invention. A weak current flows through the electric double layer when a voltage is applied in this way, but this current value is generally a function of the applied voltage, and conversely, when the current is applied at a constant value. If the voltage value is controlled, the voltage also becomes constant. In this specification, these applied voltages and currents are referred to as bias voltage / current.

【0020】電極と試料間の電圧を制御または観測する
方法は種々知られており、例えば、前述の電流値で制御
する方法や試料電極とは別の参照用電極に発生する電圧
をもとに制御する方法などがある。これらの方法は電気
化学分野では公知の手段であり、当業者が適宜選択可能
である。増幅器6としては、インピーダンスの微小変動
を検知するために高い内部抵抗をもつ増幅器が好まし
い。電源4及び増幅器6は、通常、一体不可分の単一の
電子回路、例えば、バイアス印加機能付き増幅器として
形成されており、微小電極7および参照電極8に接続さ
れる。
Various methods are known for controlling or observing the voltage between the electrode and the sample. For example, based on the method of controlling with the above-mentioned current value or the voltage generated at the reference electrode different from the sample electrode. There are ways to control. These methods are known means in the field of electrochemistry and can be appropriately selected by those skilled in the art. The amplifier 6 is preferably an amplifier having a high internal resistance in order to detect a minute change in impedance. The power source 4 and the amplifier 6 are usually formed as a single electronic circuit that is inseparable, for example, an amplifier with a bias applying function, and is connected to the microelectrode 7 and the reference electrode 8.

【0021】上記のような電源4及び増幅器6を含む一
体型のバイアス印加機能付き増幅器では、電極電圧を一
定にして電流変化を増幅する定電圧バイアス方式、又は
電極を流れる電流を一定に制御して電圧変化を増幅する
定電流バイアス方式のいずれかを利用できる。前者は、
電気化学的な特性が電圧値に依存する場合が多いために
制御特性に優れるという特徴があり、後者は試料の高抵
抗を生かした無理のない増幅回路を組むことが容易であ
るという特徴がある。両者は相補的関係にあるので、分
析の目的や装置の種類に応じて適宜選択すればよい。
In the integrated amplifier with a bias applying function including the power supply 4 and the amplifier 6 as described above, a constant voltage bias system in which the electrode voltage is kept constant and the current change is amplified, or the current flowing through the electrode is controlled to be constant. One of the constant current bias methods for amplifying the voltage change can be used. The former is
Since the electrochemical characteristics often depend on the voltage value, it has the characteristic of being excellent in control characteristics, and the latter is characterized in that it is easy to build a reasonable amplification circuit that makes use of the high resistance of the sample. . Since the two have a complementary relationship, they may be appropriately selected according to the purpose of analysis and the type of device.

【0022】また、1/f ノイズを低減させるためには、
通常のESR 装置と同様に、磁場変調コイルにより低周波
交流磁場を重畳させながら磁場掃引し、電流変化の変調
周波数成分のみをロックイン検出器で検出する手段を利
用することができる。磁場変調コイルにかかる交流磁場
の周波数としては 0.1Hz〜10MHz 程度、好ましくは40〜
80Hzの周波数帯域を用いることができ、さらに、試料に
照射する電磁波として一定周波数・振幅波形の他に、振
幅変調、周波数変調、位相変調あるいはパルス変調され
た波形を用いて、時間変化情報を引き出したり1/f ノイ
ズを低減してもよい。
In order to reduce 1 / f noise,
As in the case of a normal ESR device, it is possible to use a means for sweeping a magnetic field while superimposing a low-frequency alternating magnetic field by a magnetic field modulation coil and detecting only a modulation frequency component of a current change with a lock-in detector. The frequency of the alternating magnetic field applied to the magnetic field modulation coil is about 0.1 Hz to 10 MHz, preferably 40 to
The frequency band of 80Hz can be used. Furthermore, in addition to constant frequency / amplitude waveforms as electromagnetic waves for irradiating the sample, time-varying information is extracted using amplitude-modulated, frequency-modulated, phase-modulated or pulse-modulated waveforms. Or 1 / f noise may be reduced.

【0023】[0023]

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明するが、本発明は下記の例に限定されることはな
い。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

【0024】実施例1 (1) 常磁性種分析装置の構築 バイアス印加機能付き増幅器を以下のようにして製造し
た。バイアス電圧の基準電圧源として、シリーズ型定電
圧レギュレータをカスケードに二段用いた低リプル電源
をリファレンス電圧発生素子に導き基準電圧を発生させ
た。リファレンス電圧素子自体もノイズを発生している
ので、電圧平滑化回路でノイズを低減した後、低ノイズ
オペアンプを用いたバッファ回路と多回転ボリュームに
より、任意の安定化した電圧を発生できる電源4を構成
した。
Example 1 (1) Construction of a paramagnetic species analyzer An amplifier with a bias applying function was manufactured as follows. As a reference voltage source for the bias voltage, a low ripple power supply using two series constant voltage regulators in a cascade was introduced to the reference voltage generator to generate the reference voltage. Since the reference voltage element itself also generates noise, after reducing the noise with the voltage smoothing circuit, the power supply 4 capable of generating any stabilized voltage by the buffer circuit using the low-noise operational amplifier and the multi-turn volume control. Configured.

【0025】増幅器6は定電圧バイアス型回路とし、定
電圧が印加されている微小電極7に流れる微小電流の変
化を増幅して電圧信号に変換した。増幅器6は高い入力
抵抗と低ノイズ特性を合わせ持つ必要があるので、モノ
リシックオペアンプの超低バイアス電流ローノイズ特性
を有する素子で増幅回路を構成した。さらに電極に印加
されているバイアス電圧と電流をモニタできるようにそ
れぞれバッファを介した出力端子を設けた。
The amplifier 6 is a constant voltage bias type circuit, which amplifies a change of a minute current flowing through the minute electrode 7 to which a constant voltage is applied and converts it into a voltage signal. Since the amplifier 6 needs to have both a high input resistance and a low noise characteristic, the amplifier circuit is composed of an element having a super low bias current low noise characteristic of a monolithic operational amplifier. Further, output terminals via buffers are provided so that the bias voltage and current applied to the electrodes can be monitored.

【0026】市販のXバンドESR 装置(日本電子製、TE
200)を、磁場変調成分の外部出力とレコーダの外部入力
が可能な状態に改造した。磁場変調成分の外部出力部に
はロックイン検出器の参照入力部を、レコーダの外部入
力部にはロックイン検出器の信号出力部を接続した。増
幅器6の信号出力部にはロックイン検出器の信号入力部
を接続し、増幅器6の信号入力部には微小電極7と参照
電極8とをそれぞれ接続した。微小電極7としてφ0.25
mmの被覆ステンレス線の先端を研磨したものを用い、参
照電極8にはφ0.7mm 長さ2cm の銀/ 塩化銀電極を用い
た。参照電極が微小電極に対して十分に大きいため対極
は用いなかった。
Commercially available X-band ESR device (TE, manufactured by JEOL Ltd.)
200) was modified so that the external output of the magnetic field modulation component and the external input of the recorder were possible. The reference output of the lock-in detector was connected to the external output of the magnetic field modulation component, and the signal output of the lock-in detector was connected to the external input of the recorder. The signal input section of the lock-in detector was connected to the signal output section of the amplifier 6, and the microelectrode 7 and the reference electrode 8 were connected to the signal input section of the amplifier 6. Φ0.25 as microelectrode 7
A mm-coated stainless steel wire having a polished tip was used, and the reference electrode 8 was a φ0.7 mm silver / silver chloride electrode having a length of 2 cm. The counter electrode was not used because the reference electrode was large enough for the microelectrodes.

【0027】(2) 常磁性種の分析 上記の装置を用いて常磁性種の分析を行なった。常磁性
種として、3-カルバモイル-2,2,5,5- テトラメチルピロ
リジン-1- イルオキシ(3-carbamoyl-2,2,5,5-tetrameth
ylpyrrolidin-1-yloxy: CarbamoylPROXYL)を用いた。生
理食塩水に溶解した75mM カルバモイル PROXYL を内径
1mmのキャピラリ管に40μl 注入した。キャピラリ管内
には上記の微小電極7と参照電極8を挿入し、電極先端
がカルバモイル PROXYL 溶液に浸漬されるように配置し
た。このキャピラリ管は電解漕として機能するものであ
る。この電解漕を内径 5 mm の石英ESR 試料管に挿入
し、上記装置のレゾネータ2の内部の試料部3に留置し
た。なお、上記装置の磁石5としては電磁石が用いられ
ており、試料部付近の磁束密度は約 335 mT であった。
(2) Analysis of paramagnetic species Paramagnetic species were analyzed using the above apparatus. As a paramagnetic species, 3-carbamoyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidin-1-yloxy (3-carbamoyl-2,2,5,5-tetrameth
ylpyrrolidin-1-yloxy: CarbamoylPROXYL) was used. Inner diameter of 75 mM carbamoyl PROXYL dissolved in physiological saline
40 μl was injected into a 1 mm capillary tube. The microelectrode 7 and the reference electrode 8 described above were inserted into the capillary tube, and the tip of the electrode was placed so as to be immersed in the carbamoyl PROXYL solution. This capillary tube functions as an electrolytic cell. This electrolytic bath was inserted into a quartz ESR sample tube having an inner diameter of 5 mm and left in the sample section 3 inside the resonator 2 of the above apparatus. An electromagnet was used as the magnet 5 of the above apparatus, and the magnetic flux density near the sample portion was about 335 mT.

【0028】約 9 GHzのマイクロ波 200 mW をレゾネー
タ2を介して電解漕に照射し、さらに約335mT の磁場を
加えた上で、参照電極8に対して 5mVとなるように微小
電極7にの電圧を印加した。80Hz磁場変調化でロックイ
ンされた電流成分を検波したところ、図2下段に示すよ
うな信号が得られた(測定温度: 室温)。この信号が出
現する磁場領域は、通常ESR 信号における磁場領域と一
致していた。測定の対象となった電気二重層内に存在す
る不対電子の量は、約 3.75x10-16molと算出された。こ
の量は、通常のESR 装置を用いて、カルバモイル PROXY
L を室温で測定する場合に、必要とされる不対電子の量
(約1.4x10-13 mol)よりはるかに微量であった。
A microwave of 200 mW of about 9 GHz is applied to the electrolytic cell through the resonator 2, a magnetic field of about 335 mT is further applied, and the microelectrode 7 is adjusted to 5 mV with respect to the reference electrode 8. A voltage was applied. When the current component locked in by 80 Hz magnetic field modulation was detected, the signal shown in the lower part of Fig. 2 was obtained (measurement temperature: room temperature). The magnetic field region in which this signal appears generally coincided with the magnetic field region in the ESR signal. The amount of unpaired electrons present in the electric double layer that was the target of measurement was calculated to be about 3.75x10 -16 mol. This amount can be measured using a normal ESR device using the carbamoyl PROXY
When L was measured at room temperature, it was much smaller than the required amount of unpaired electrons (about 1.4x10 -13 mol).

【0029】また、カルバモイル PROXYL の濃度を50mM
(不対電子量2.5x10-16mol相当) に減らすと、濃度に比
例して信号強度は低下した(図2中段) 、さらに、カル
バモイル PROXYL の濃度を10mM(不対電子量0.5x10-16m
ol相当) に減らした場合には信号は検出されなかった
(図2上段) 。従って、50mM以上の濃度において検出さ
れた信号はカルバモイル PROXYL に起因するものである
結論された。
Further, the concentration of carbamoyl PROXYL was 50 mM.
When the amount of unpaired electrons was reduced to 2.5x10 -16 mol (corresponding to 2.5x10 -16 mol), the signal intensity decreased in proportion to the concentration (middle part of Fig. 2). Furthermore, the concentration of carbamoyl PROXYL was 10 mM (unpaired electron amount 0.5x10 -16 m
No signal was detected when the signal was reduced to (equivalent to ol) (upper part of Fig. 2). Therefore, it was concluded that the signal detected at a concentration of 50 mM or more was attributed to carbamoyl PROXYL.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明の方法により、試験管内または生
体内の微小領域に存在する常磁性種を選択的に高感度で
分析できる。本発明の方法は、常磁性種の電子スピン共
鳴を電気二重層のインピーダンス変化により検出するの
で、従来のESR 装置に適宜の改良を行うことによって簡
便に行うことができ、特殊な検出装置を必要としないと
いう特徴がある。従って、本発明は常磁性種の物理化学
的な研究はもとより、常磁性種の生理作用に関する研究
や、常磁性種が関与する疾患の診断、治療、予防方法の
確立のために極めて有用である。また、本発明の装置は
上記の方法を簡便に実施するために有用である。
INDUSTRIAL APPLICABILITY By the method of the present invention, paramagnetic species existing in a test tube or in a minute region in a living body can be selectively and highly sensitively analyzed. Since the method of the present invention detects electron spin resonance of paramagnetic species by changing the impedance of the electric double layer, it can be easily carried out by making appropriate improvements to the conventional ESR device, and a special detection device is required. There is a feature that does not. Therefore, the present invention is extremely useful not only for physicochemical studies of paramagnetic species, but also for studies on physiological actions of paramagnetic species and for establishing methods for diagnosing, treating, and preventing diseases involving paramagnetic species. . Further, the device of the present invention is useful for simply carrying out the above method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の方法を実施するための分析装置の1
例を示す図である。
1 of an analyzer for carrying out the method according to the invention, FIG.
It is a figure showing an example.

【図2】 本発明の方法により、生理食塩水で常磁性種
としてカルバモイル PROXYL を分析した結果を示す図で
ある。不対電子量は約 3.75x10-16mol(下段)、約2.5x
10-16mol(中段)、及び約0.5x10-16mol(上段)であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing the results of analyzing carbamoyl PROXYL as a paramagnetic species in physiological saline by the method of the present invention. Unpaired electron amount is about 3.75x10 -16 mol (lower), about 2.5x
It is 10 -16 mol (middle) and about 0.5x10 -16 mol (upper).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 信号源 2 レゾネータ 3 試料部 4 電源 5 磁石 6 増幅器 7 微小電極 8 参照電極 1 Signal Source 2 Resonator 3 Sample Part 4 Power Supply 5 Magnet 6 Amplifier 7 Micro Electrode 8 Reference Electrode

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料中に挿入された微小電極表面に形成
された電気二重層内に存在する常磁性種の電子スピン共
鳴を電気二重層内のインピーダンス変化により検出する
ことを特徴とする常磁性種の分析方法。
1. Paramagnetic properties characterized by detecting electron spin resonance of a paramagnetic species present in an electric double layer formed on the surface of a microelectrode inserted in a sample by impedance change in the electric double layer. Species analysis method.
【請求項2】 電気二重層がバイアス電圧/電流の印加
により形成される請求項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the electric double layer is formed by applying a bias voltage / current.
【請求項3】 インピーダンス変化を電圧及び/又電流
の変化により検出する請求項1または2に記載の方法。
3. The method according to claim 1, wherein a change in impedance is detected by a change in voltage and / or current.
【請求項4】 常磁性種の分析方法であって、以下の工
程: (a) 試料中に挿入された微小電極にバイアス電圧/電流
を印加することにより微小電極表面に電気二重層を形成
する工程; (b) 電気二重層内に存在する常磁性種の電子スピン共鳴
を惹起する工程;及び (c) 電子スピン共鳴を電気二重層内のインピーダンス変
化により検出する工程を含む方法。
4. A method for analyzing paramagnetic species, comprising the steps of: (a) forming an electric double layer on the surface of a microelectrode by applying a bias voltage / current to the microelectrode inserted in a sample. A method comprising: (b) inducing electron spin resonance of a paramagnetic species present in the electric double layer; and (c) detecting electron spin resonance by impedance change in the electric double layer.
【請求項5】 静磁場を形成するための磁石5、該静磁
場内に配置された試料部3、該静磁場内で該試料部3に
電磁波を照射するためのレゾネータ2、試料内に挿入す
るための微小電極7及び参照電極8、該微小電極7と該
参照電極8との間にバイアス電圧/電流を印加し該微小
電極7の表面に電気二重層を形成するための該微小電極
7に接続された電源4、並びに該微小電極7に接続され
該電気二重層のインピーダンス変化を検出するための増
幅器6を備えた常磁性種の分析装置。
5. A magnet 5 for forming a static magnetic field, a sample part 3 arranged in the static magnetic field, a resonator 2 for irradiating the sample part 3 with an electromagnetic wave in the static magnetic field, and a sample part inserted in the sample. Microelectrode 7 and a reference electrode 8 for applying a bias voltage / current between the microelectrode 7 and the reference electrode 8 to form an electric double layer on the surface of the microelectrode 7. An apparatus for analyzing paramagnetic species, comprising a power source 4 connected to the microelectrode 7, and an amplifier 6 connected to the microelectrode 7 for detecting a change in impedance of the electric double layer.
【請求項6】 さらに電磁波の信号源1を備えた請求項
5記載の装置。
6. The apparatus according to claim 5, further comprising an electromagnetic wave signal source 1.
【請求項7】 さらに対極を備えた請求項5または6に
記載の装置。
7. The device according to claim 5, further comprising a counter electrode.
【請求項8】 電源4及び増幅器6が一体の電子回路と
して形成された請求項5ないし7のいずれか1項に記載
の装置。
8. The device according to claim 5, wherein the power supply 4 and the amplifier 6 are formed as an integrated electronic circuit.
【請求項9】 請求項1ないし4のいずれか1項に記載
の方法に使用するための請求項5ないし8のいずれか1
項に記載の装置。
9. A method as claimed in any one of claims 1 to 4 for use in a method as claimed in any one of claims 1 to 4.
The device according to item.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009271042A (en) * 2008-05-07 2009-11-19 Etsuo Ban Probe for continuous wave hf band magnetic resonance apparatus detector
WO2011074558A1 (en) * 2009-12-18 2011-06-23 独立行政法人科学技術振興機構 Nuclear-spin polarization detection device and nuclear-spin polarization detection method

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