WO2016194073A1 - 電子スピン共鳴計測方法及びその装置 - Google Patents

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WO2016194073A1
WO2016194073A1 PCT/JP2015/065653 JP2015065653W WO2016194073A1 WO 2016194073 A1 WO2016194073 A1 WO 2016194073A1 JP 2015065653 W JP2015065653 W JP 2015065653W WO 2016194073 A1 WO2016194073 A1 WO 2016194073A1
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WO
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microwave
sample
spin resonance
electron spin
unit
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PCT/JP2015/065653
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴洋 安藤
欣樹 與名本
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals

Definitions

  • the present invention relates to an electron spin resonance measurement method and apparatus for detecting free radicals in a thin plate sample.
  • ESR electron spin resonance
  • a magnetic field when a magnetic field is applied to a substance having an unpaired electron (free radical), the energy level is split and the microwave corresponding to the energy difference is absorbed. It is a phenomenon.
  • a sample is inserted into a cavity resonator disposed in a static magnetic field, and microwaves are irradiated into the cavity resonator.
  • Free radicals can be measured with high sensitivity by sweeping the magnetic field at a constant microwave frequency, applying magnetic field modulation, and performing lock-in detection. Since the kind and amount of free radicals in a sample can be detected in a non-contact and non-destructive manner, they are frequently used for composition analysis and reaction analysis of various substances such as semiconductors, biological samples, foods and the like.
  • Non-Patent Document 1 a method of observing free radicals by using a probe head-like resonator to approach the sample surface has been studied (for example, Non-Patent Document 1). It is possible to determine the measurement position to some extent by moving the probe head.
  • Fabry-Perot resonators have been developed. It is composed of two reflecting plates, and electromagnetic waves supplied from the waveguide are subjected to multiple reflections at the gap between the reflecting plates to realize highly sensitive electron spin resonance measurement (Patent Documents 3 and 4). It is possible to measure free radicals in the sample placed in the gap between the reflectors, and obtain a high position resolution by bringing the resonance frequency closer to the millimeter wave band.
  • JP 2000-217800 A Japanese Patent No. 5481651 Japanese Patent No. 3866804 Japanese Patent No. 4721784
  • Patent Document 1 uses a principle similar to that of nuclear magnetic resonance imaging (MRI), so there are many developments for living bodies, but the gradient that can be applied. Spatial resolution is limited to about several millimeters due to the limitation of the magnetic field, not reaching several tens of micrometers, which is the size of a single cell, and the range of application is limited to the size of biological tissue (several centimeters or more). Also, measurement of functional materials is unsuitable for application to nanodevices that have been actively developed due to the limitation of spatial resolution.
  • MRI nuclear magnetic resonance imaging
  • the method for improving the resonance structure described in Patent Document 2 does not require an instrument for holding the sample, and can perform electron spin resonance measurement while observing the appearance of the sample. In order to obtain information, it is necessary to change the measurement position while strictly fixing the distance between the hole and the sample, which is disadvantageous in practice.
  • the magnetic field component of the microwave has a component that leaks outside from the resonator end. In most cases, high position resolution cannot be obtained.
  • a device that allows site-selective measurement of free radical distribution while observing samples, not only for the evaluation of the characteristics of newly developed functional materials, but also for the evaluation of cell functions for regenerative medicine, which has been especially active in recent years. Development is desired.
  • the present invention solves the above-described problems of the prior art, and site-selectively detects free radicals in a thin plate sample such as a semiconductor material or a cell, and can observe the sample location where the free radicals exist.
  • An object is to provide a measurement method and an apparatus therefor.
  • an electron spin resonance measuring apparatus includes a magnetic field forming unit that forms a magnetic field, and a probe that includes a probe and generates a microwave from the probe in the magnetic field formed by the magnetic field forming unit.
  • a microwave oscillating unit that oscillates, a mounting unit that mounts a sample, and a microwave reflector disposed opposite to each other across the probe of the microwave oscillating unit and the mounting unit are transmitted from the probe.
  • Microwave reflector that reflects between microwave reflectors arranged opposite to each other, and microwave reflector on the mounting portion of the microwave reflectors arranged opposite to each other And a microwave converging unit for converging the microwave reflected between the microwave reflecting plates disposed between and facing each other.
  • a microwave is oscillated from a probe of a microwave oscillating unit in a magnetic field formed in a state where a magnetic field is formed by a magnetic field forming unit, and the probe and the sample are placed.
  • Microwaves oscillated from the probe are resonated between the microwave reflectors arranged opposite to each other with the mounting portion interposed therebetween, and the microwave reflector on the sample side of the microwave reflectors arranged oppositely
  • the microwave resonated by the dielectric placed between the substrate and the mounting part is converged near the dielectric, the microwave is converged near the dielectric, and the sample is positioned in the region where the microwave is converged.
  • free radicals in the thin plate sample can be measured site-selectively, and the probe, microwave reflector, and sample move independently in a three-dimensional direction. Imaging of the sample part where the radical is detected becomes possible.
  • the sample installation environment can be easily controlled, and reagents can be added to the sample, and atmospheric gas and temperature can be changed. it can.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an electron spin resonance measuring apparatus according to Example 1 of the present invention. It is the flowchart which showed the measurement procedure using the electron spin resonance measuring apparatus concerning Example 1 of this invention. It is a graph which shows the waveform of the electron spin resonance signal of solid sample DPPH measured using the electron spin resonance measuring apparatus concerning Example 1 of this invention. It is a distribution map which shows distribution of solid sample DPPH measured using the electron spin resonance measuring apparatus concerning Example 1 of this invention.
  • the present invention is an electron spin resonance measuring apparatus including a microwave oscillation and detection probe and a ferroelectric substance between two microwave reflectors facing each other through a space, and two microwaves oscillated from the probe are received. A free radical is detected in a thin plate-like sample that is placed between a plurality of reflectors and that utilizes the focusing property of the microwave with respect to the ferroelectric.
  • the microwave oscillation and detection probe used in the electron spin resonance measuring apparatus of the present invention includes means for moving independently in a three-dimensional direction together with the microwave reflector and the sample, and is limited to the vicinity of the ferroelectric substance. Detect free radicals at the site.
  • the electron spin resonance measuring apparatus of the present invention is characterized by including an imaging system for observing a sample portion where the detected free radical exists.
  • FIG. 1A is a perspective view showing the configuration of the detection unit 150 of the electron spin resonance measuring apparatus 100 in the present embodiment
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A.
  • the electron spin resonance measuring apparatus 100 includes a pair of main magnets 101a and 101b for generating a static magnetic field, a pair of modulated magnetic field applying electromagnets 102a and 102b, and a microwave oscillation and detection probe in which a tip portion 1031 is formed in a loop shape.
  • a third drive source 113 that controls the position in a three-dimensional direction is provided.
  • Main magnets 101a and 101b, modulated magnetic field applying electromagnets 102a and 102b, microwave oscillation and detection probe 103, microwave reflectors 104a and 104b, ferroelectric 105, Teflon sheet 106, and spacer 107 are provided inside casing 108.
  • the microwave oscillator 110, the first drive source 111, the second drive source 112, and the third drive source 113 are installed outside the housing 108.
  • FIG. 2 shows the overall configuration of the electron spin resonance measuring apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the electron spin resonance measurement apparatus 100 includes a detection unit 150 and a processing / control unit 160 that are shown in detail in FIGS. 1A and 1B.
  • the processing / control unit 160 oscillates microwaves, supplies the microwaves to the microwave oscillation and detection probe 103, and detects the microwaves received by the microwave oscillation and detection probe 103.
  • a reflector height adjusting unit 162 that drives the second drive source 112 to control the position of the microwave reflector 104a in a three-dimensional direction, and the first drive source 111 to drive the microwave oscillation and detection probe 103.
  • Probe position control unit 163 for controlling the position of the tip portion 1031 of the magnetic field control unit 164 for controlling the pair of main magnets 101a and 101b and the pair of electromagnets 102a and 102b for modulating magnetic field application, and the third drive source 113.
  • the sample position adjustment unit 165, the microwave oscillation and detection signal obtained by the detection probe 103, and the output signal from the microwave oscillation circuit unit 161 that has detected the microwave and the control signal of the magnetic field control unit 164 are input to generate an electron spin resonance signal.
  • a signal detection unit 166 to detect, and a signal intensity distribution calculation unit 167 for processing the signal detected by the signal detection unit 166 to obtain a signal intensity distribution are provided.
  • the processing / control unit 160 is connected to an input unit 170 that inputs processing conditions and control conditions, and an output unit 170 that outputs the results obtained by the signal intensity distribution calculation unit 167.
  • the microwave oscillation and detection probe 103, the microwave reflectors 104a and 104b, the ferroelectric 105, and the sample 106 are not in contact with each other, and a cavity resonator (to generate electron spin resonance).
  • 1A and 1B can be referred to as an “open-type” electron spin resonance measurement device.
  • the shape of the pair of main magnets 101a and 101b for generating a static magnetic field is known to those skilled in the art and can be selected as appropriate.
  • a permanent magnet, an iron core electromagnet, an air core electromagnet, etc. are mentioned.
  • the shape of the coil is also known to those skilled in the art and can be selected as appropriate.
  • a solenoid, Hertzholm, etc. are mentioned, and can be selected according to the size of the measurement object, the type and amount of free radicals, and the like.
  • the pair of modulation magnetic field applying electromagnets 102a and 102b are installed so that the direction of the magnetic field coincides with the direction of the static magnetic field formed by the pair of main magnets 101a and 101b for generating the static magnetic field.
  • the intensity of the modulated magnetic field generated by the pair of modulated magnetic field applying electromagnets 102a and 102b is determined by the free radical electrons to be measured. It can be appropriately selected depending on the line width of the spin resonance signal.
  • the modulation frequency of the microwave transmitted from the microwave oscillator 161 can be selected as appropriate, but is set between 1 kHz and 1 MHz, preferably 50 to 200 kHz for noise removal.
  • a free radical can be measured with high sensitivity by adopting a signal detection method using a lock-in amplifier for a signal received by the microwave oscillation and detection probe 103 and detected by the microwave oscillation / detection circuit unit 161.
  • the microwave oscillated by the microwave oscillation / detection circuit unit 161 is received and the microwave oscillation and detection probe 103 receives the microwave. It arrange
  • positions so that the magnetic field formed with the microwave to emit may be orthogonal to the magnetic field direction of a static magnetic field and a modulation magnetic field.
  • the shape of the tip portion 1031 of the microwave oscillation and detection probe 103 is preferably a single coil such as a surface coil type or a loop gap type so as to be as close as possible to the measurement sample 120.
  • the loop diameter is desirably sufficiently smaller than the wavelength of the microwave to be used in order to obtain the site selectivity of the detection signal.
  • the microwave oscillation and detection probe 103 is disposed between the two microwave reflectors 104a and 104b.
  • the microwave reflectors 104a and 104b are orthogonal to the magnetic field formed by the microwave oscillation and detection probe 103, and apply a static magnetic field and a pair of modulated magnetic fields formed by the pair of main magnets 101a and 101b for generating a static magnetic field. It arrange
  • a conductor having a property of reflecting microwaves without having magnetism, such as copper or aluminum can be used as the members of the microwave reflection plates 104a and 104b.
  • the shape of the reflector is known to those skilled in the art as a Fabry-Perot resonator and can be selected as appropriate. For example, a flat plate type, a semi-cylindrical type, etc. are mentioned.
  • FIG. 1A and FIG. 1B show an example in which a flat plate type and a flat plate type are combined. It is good also as a structure.
  • the ferroelectric 105 By arranging the ferroelectric 105 in the gap between the two microwave reflectors 104a and 104b, the microwave resonated between the two microwave reflectors 104a and 104b is brought close to the ferroelectric 105. Can be focused.
  • the ferroelectric 105 is a crystal having electric permittivity and a dielectric constant of 100 to 2000 even when no external electric field is applied.
  • the member of the ferroelectric 105 is known to those skilled in the art and can be appropriately selected. Examples thereof include barium titanate (BaTiO 3 ) and lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ).
  • the shape of the ferroelectric 105 can be appropriately selected according to the measurement target. However, in order to increase the position resolution, the dimension in the cross section parallel to the loop of the tip portion 1031 of the microwave oscillation and the detection probe 103 is set to the tip. It is desirable that the diameter is smaller than the loop diameter of the portion 1031.
  • the microwave oscillation and detection probe 103 is driven by a first drive source 111 controlled by a probe position controller 163, and the microwave reflector 104 a is a second drive source 112 controlled by a reflector height adjuster 162.
  • the sample 120 is driven by the third drive source 113 driven by the sample position adjusting unit 165, and can move independently in the three-dimensional direction.
  • the position where the microwave resonance occurs varies depending on the frequency of the microwave used, the material of the microwave reflector 104a, the size of the ferroelectric 105, the dielectric constant of the measurement sample 120, and the like. It is necessary to provide a moving mechanism in the three-dimensional direction for each.
  • the first driving unit 111 that drives the microwave oscillation and detection probe 103 and the second driving unit 112 that drives the microwave reflector 104a perform position control using, for example, a stepping motor.
  • the sample 120 is placed on a Teflon sheet 106 disposed on a spacer 107 made of a dielectric material having no magnetism such as Teflon, polypropylene, or ceramic on the microwave reflection plate 104b.
  • the Teflon sheet 106 on which the sample 120 is placed is controlled by an XYZ stage that is driven by a stepping motor or a servo motor as the third driving unit 113.
  • the microwave oscillation and detection probe 103, the microwave reflector 104a, and the sample 120 can move independently in a three-dimensional direction, the sample is arranged at a position where the resonated microwave converges near the ferroelectric 105, Free radicals can be selectively detected at a desired position on the sample.
  • FIG. 3 shows the procedure of the electron spin resonance measurement method in this embodiment.
  • the microwave oscillator 110 is controlled by the microwave oscillation / detection circuit unit 161 to generate microwaves, Microwave is radiated from the tip portion 1031 of the microwave oscillation and detection probe 103 inside the body 108 (S101).
  • the position of the microwave reflector 104a is adjusted by controlling the second drive unit 112 with the reflector height adjustment unit 162 in a state where the microwave is emitted from the tip portion 1031 of the microwave oscillation and detection probe 103.
  • the probe position control unit 163 controls the first driving unit 111 to adjust the position of the microwave oscillation and detection probe 103
  • the sample position control unit 165 controls the third driving unit 113 to control the sample.
  • a position where microwave resonance occurs is detected (S102). At the position where the detected microwave resonance occurs, the microwave converges in a region near the ferroelectric 105.
  • the sample position control unit 165 controls the third driving unit 113 to adjust the position of the sample 120, thereby bringing the sample 120 into the region where the resonated microwaves near the ferroelectric 105 are converged.
  • the intensity of the microwave detected by the microwave oscillation and detection probe 103 by sequentially changing the intensity of the modulation magnetic field generated by the pair of modulation magnetic field applying electromagnets 102 a and 102 b by the magnetic field controller 164.
  • the signal detection unit 166 detects the maximum value of the electron spin resonance signal from the change, and sends the detected maximum value and the position information of the sample 120 at that time to the signal intensity distribution calculation unit 167 (S103).
  • the sample position controller 165 controls the third driving unit 113 to move the sample 120 stepwise to change the position relative to the microwave oscillation and the detection probe 103 and the ferroelectric 105, and the next measurement of the sample 120.
  • the point is positioned at the resonance position of the microwave detected in S102 (S104).
  • the intensity of the microwave detected by the microwave oscillation and detection probe 103 by sequentially changing the intensity of the modulation magnetic field generated by the pair of modulation magnetic field applying electromagnets 102a and 102b by the magnetic field controller 164 as in S103.
  • the maximum value of the electron spin resonance signal is detected from the change (S105).
  • the process returns to S104 and the sample position control unit 165 performs the third operation.
  • the driving unit 113 is controlled to move the sample 120 stepwise so that the next measurement point is positioned at the resonance point of the microwave detected in S102.
  • the signal intensity distribution calculation unit 167 calculates the signal intensity from the information on the maximum value of the electron spin resonance signal at each position of the sample 120 sent from the signal detection unit 166. A dimensional distribution is created (S107), the result is transmitted to the output unit 170, and output (displayed) on a display screen (not shown) of the output unit 170 (S108).
  • the two-dimensional distribution of the signal intensity obtained in S107 can be regarded as an image of the signal intensity. That is, an image of signal intensity distribution can be obtained through S107.
  • the electron spin resonance measuring apparatus 100 it is possible to selectively detect free radicals in the sample 120 that can be inserted between the microwave oscillation and detection probe 103 and the ferroelectric material 105.
  • the form of the target sample may be solid or liquid, but it is preferably a thin plate-like sample in order to improve the site selectivity of the free radical to be detected.
  • semiconductors such as Si, Ge, and GaAs; polymer compounds such as vinyl acetate and methyl methacrylate; organic radicals such as spin labeling agents and spin probe agents such as DPPH and TEMPOL; blood components including melanin and lipid peroxide A living tissue, food, or the like can be a measurement target.
  • the electron spin resonance measuring apparatus 100 is an open type that does not require a procedure for inserting a sample into a cavity resonator that is normally required, it is easy to change the environment in which the sample is installed. It is possible to install a thin tube for adding a reagent to the sample, or to incorporate an air conditioner for changing the atmospheric gas and temperature. For example, in the biological sample described above, it is necessary to exchange the medium solution necessary for the nutritional supplementation of living cells, the solution temperature is maintained at around 37 ° C., and carbon dioxide concentration adjustment (usually for long-term culture) 5%) is required continuously, but it is possible to create an environment that meets all these requirements.
  • Example 1 of Example 1 A solid sample DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) was measured using the electron spin resonance measuring apparatus 100 of this example.
  • the ferroelectric cylindrical barium titanate (BaTiO 3 ) having a diameter of 6 mm and a height of 6 mm was used.
  • the frequency of the microwave oscillated from the surface coil type probe was 9.7 GHz, and the probe diameter was 8 mm.
  • the shape of the microwave reflecting plate was a flat plate, and copper was used for the member. In order to reduce 1 / f noise, the modulation frequency was set to 100 kHz.
  • FIG. 4 is a graph of the electron spin resonance signal 401 of DPPH dispersed and encapsulated in a cellophane sheet having a thickness of 0.05 mm immediately above the center of the upper base of the cylindrical ferroelectric. Since the cellophane sheet does not have magnetism, it does not affect the electron spin resonance signal. However, the position and relationship between the ferroelectric member and size, sample and ferroelectric, or sample and microwave oscillation and detection probe affect the distortion of the baseline (electron spin resonance signal reference value). Here, a signal spectrum obtained by subtracting the baseline when no sample is installed is shown. Depending on the nature of the sample, a reference sample can be used as a baseline to subtract. For example, when measuring free radicals in cultured cells filled with a medium solution, only the medium solution, that is, a state not including the cultured cells may be measured as a reference sample and used as a baseline.
  • the electron spin resonance signal is measured while scanning the microwave oscillation and detection probe 103 every 1 mm in the XY directions, and the maximum value of the signal intensity at each position is changed in the color 510 according to the signal intensity.
  • a result 500 of two-dimensional mapping in the X direction 501 and the Y direction 502 is shown. Since the two-time integral value of the electron spin resonance signal is proportional to the amount of free radicals, two-dimensional mapping of the amount of free radicals is possible according to the calibration curve measurement and signal analysis. From the results, it was confirmed that free radicals placed on a ferroelectric substance having a diameter of 6 mm can be selectively detected by a probe scan with a spatial resolution of 1 mm.
  • Example 2 of Example 1 Using the same electron spin resonance measuring apparatus as in Experimental Example 1, a solution sample TEMPOL (4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) was measured.
  • FIG. 6 shows electron spin resonance signal intensity 601 and TEMPOL when a 0.1 to 5 mM TEMPOL solution is allowed to stand in the range of 1.2 mm in diameter just above the center of the top of the cylindrical ferroelectric. It is the graph 600 which shows the relationship of the solution concentration 602. At this time, a borosilicate glass sheet having a thickness of 0.1 mm was used as a sample table for the TEMPOL solution. From the results, it was confirmed that the electron spin resonance measuring apparatus 100 according to the present example is useful even in a solution sample that has conventionally been difficult to detect free radicals, and it is clear that the amount of free radicals can be calculated quantitatively. . That is, the concentration of the TEMPOL solution having an unknown concentration (proportional to the amount of free radicals) can be obtained from the electron spin resonance signal intensity.
  • the configuration of the electron spin resonance measuring apparatus 200 in the present embodiment is basically the same as that of the electron spin resonance measuring apparatus 100 described in the first embodiment, but an imaging unit for observing the sample 120 is provided.
  • the image processing means is provided in the control / processing section, and the microwave reflector is formed of an optically transparent material.
  • FIG. 7A and 7B show the configuration of the detection unit 250 according to this embodiment
  • FIG. 8 shows the overall configuration of the electron spin resonance measuring apparatus 200.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the camera 230 is provided outside the housing 208 above the microwave reflector 204a.
  • the microwave reflection plate 204 a is made of indium tin oxide (ITO) that transmits visible light through a conductor, and an observation window 209 is formed in the housing 208.
  • ITO indium tin oxide
  • the sample 120 can be imaged from the outside of the housing 208 through the microwave reflection plate 204a.
  • the overall configuration of the electron spin resonance measuring apparatus 200 shown in FIG. 8 differs from the configuration shown in FIG. 2 of the first embodiment in that an image processing unit 271 that forms an image from a signal captured by the camera 230, and a sample position An image position adjustment unit 272 that obtains position information of the sample 120 from the control unit 165 and adjusts the position of the image formed by the image processing unit 271; an image whose position is adjusted by the image position adjustment unit 272; and signal intensity distribution calculation And a superimposition processing unit 273 that superimposes the signal intensity distribution obtained by the unit 167, and the output unit 170 outputs an image in which the image of the sample 120 and the signal intensity distribution are superimposed. .
  • FIG. 9 shows the procedure of the electron spin resonance measurement method in the present embodiment.
  • steps S201 to S207 are the same as the procedure described with reference to FIG.
  • the processing procedure of the electron spin resonance measurement method in this embodiment is different from the processing procedure in Embodiment 1 described in FIG. 3 in that the sample 120 is imaged by the camera 230 after detecting the resonance position of the microwave in S202.
  • Obtaining the image of the sample 120 (S208), obtaining the position information of the sample 120 from the sample position control unit 165, adjusting the position of the image formed by the image processing unit 271 (S209), and adjusting the position of the image
  • the signal intensity two-dimensional distribution information (signal intensity distribution image) created from the information on the maximum value of the electron spin resonance signal at each position of the sample 120 obtained in S207 is superimposed (S210), and the result is output to the output unit.
  • the data is transmitted to 170 and output (displayed) on a display screen (not shown) of the output unit 170 (S211).
  • S210 it is not always necessary to superimpose images, and two images may be displayed side by side on one screen.
  • the microwave reflector 204a is made of indium tin oxide (ITO) that transmits visible light through a conductor, and is provided outside the housing 208 above the microwave reflector 204a.
  • ITO indium tin oxide
  • the configuration for imaging the sample with the camera 230 has been described.
  • the present embodiment is not limited to this configuration, and the microwave reflection plate 204a is formed of a conductor that does not transmit visible light as in the case of the first embodiment, and is observed without passing through the microwave reflection plate 204a. May be.
  • the sample of the free radical detection site can be observed by disposing the camera 230 at a position where the sample 120 can be imaged in an oblique direction with respect to the sample 120. It becomes.
  • a fiberscope is used instead of a camera, it can be installed in a smaller space, so that restrictions on installation are eased. By installing a plurality of fiberscopes, a three-dimensional image of the sample 120 can be obtained.
  • the microwave reflector 204a is formed of a conductor that does not transmit visible light as in the case of the first embodiment, and a small hole is formed in a portion where the sample 120 is observed, and the microwave reflector 204a is observed from the information on the microwave reflector 204a. There is also a method.
  • the microwave reflection plate 204a is formed of a conductor that does not transmit visible light
  • the microwave reflection plate 204b is formed of indium tin oxide (ITO) that transmits visible light through a conductor, and below the microwave reflection plate 204b.
  • ITO indium tin oxide
  • the configuration may be such that the sample is imaged by the camera 230 provided outside the housing 208.
  • the microwaves are focused on a ferroelectric substance installed in the vicinity of a thin plate-like sample containing free radicals, whereby the free radicals in the sample can be selectively measured, and the probe and Since the microwave reflector and the sample independently move in the three-dimensional direction, it is possible to image the sample portion where the free radical is detected.
  • Example 1 of Example 2 As an example of a biological sample to be subjected to electron spin resonance measurement of this example, mouse fibroblasts of cultured adherent cells were observed with a camera 230 (upright microscope system).
  • a cultured cell dish (bottom member is borosilicate glass) 120 is placed on a polypropylene sample stage, and the microwave spin and detection probe 103 is directly above the ferroelectric 105, that is, the electron spin resonance signal is measured. It is the observation image 1001 of the position to be performed. It was shown that the microwave oscillation and detection probe 103 and the sample 120 can be independently moved in a three-dimensional direction, so that a system for detecting free radicals can be configured after confirming the position of a cell for detecting free radicals.
  • FIG. The detection unit 350 has a configuration in which a chemical solution injection / suction mechanism 310 and a temperature adjustment / CO 2 gas suction mechanism 320 for controlling the atmosphere inside the housing are added to the configuration of the detection unit 250 described in the second embodiment.
  • the present embodiment can also be applied to the configuration of the detection unit 150 illustrated in FIG. 1A described in the first embodiment.
  • a thin tube 311 for adding a reagent to the sample 120 is installed through a hole 312 provided in the housing 308 and connected to the chemical solution injection / suction mechanism 310. Further, a pipe 321 is installed in the housing 308 and connected to the temperature adjustment / CO 2 gas suction mechanism 320, and CO 2 as an atmospheric gas in the housing 308 is sucked and discharged from the housing 308. It is possible to control the atmosphere inside the housing by adjusting the temperature inside the body 308.
  • the detection unit 350 of the electron spin resonance measurement apparatus has a procedure for inserting a sample into a cavity resonator that is normally required, similarly to the detection units 150 and 250 described in the first and second embodiments. Since it is an open type that becomes unnecessary, a sample is installed by installing a thin tube for adding a reagent to the sample as described in FIG. 11 or incorporating an air conditioning device for changing the atmospheric gas and temperature. It is possible to change the environment.
  • the solution temperature is maintained at around 37 ° C., and carbon dioxide concentration adjustment (usually for long-term culture) 5%) is required continuously, but by adding the chemical injection / suction mechanism 310 and the temperature control / CO 2 gas suction mechanism 320, it is possible to create an environment that meets all these requirements. is there.
  • the installation environment of the sample can be controlled, and the reagent can be added to the sample and the atmosphere gas and temperature can be changed.
  • Example 1 of Example 3 In the electron spin resonance measuring apparatus provided with the detection unit 350 of this example, the heating characteristic of the sample installation space was measured.
  • a heated water channel tube (not shown) is provided in the main magnets 110a and 110b for generating a static magnetic field, and the microwave oscillation and detection probe The temperature immediately below was measured.
  • a biological sample is assumed as an example, and the water temperature is adjusted so that the sample installation space is 37 ° C. necessary for maintaining the survival of the cultured cells.
  • FIG. 12 is a diagram (graph) showing the heating characteristics of the sample installation space. From the results, it was clarified that the temperature of the sample installation space was maintained at 37 ⁇ 1 ° C. in about 1 hour, and the electron spin resonance measuring apparatus of the present invention can facilitate the sample installation environment.

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Abstract

本発明の電子スピン共鳴計測装置は、磁場を形成する磁場形成部（１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ）と、マイクロ波発振及び検出プローブ（１０３）と、試料（１２０）を載置する載置部（１０６）と、前記プローブ（１０３）と前記載置部（１０６）とを挟んで対向して配置されたマイクロ波反射板（１０４ａ，１０４ｂ）と、前記対向して配置されたマイクロ波反射板のうちの前記載置部の側のマイクロ波反射板（１０４ｂ）と前記載置部（１０６）との間に配置されて、前記対向して配置されたマイクロ波反射板（１０４ａ，１０４ｂ）の間で反射したマイクロ波を収束させるマイクロ波収束部（１０５）と、を備える。　本発明の電子スピン共鳴計測装置によると、マイクロ波が収束している領域に試料を位置させた状態で電子スピン共鳴信号の最大値を検出することにより、試料中のフリーラジカルを部位選択的に検出できる。

Description

電子スピン共鳴計測方法及びその装置
　本発明は、薄板状試料中のフリーラジカルを検出する電子スピン共鳴計測方法及びその装置に関する。
　電子スピン共鳴（ＥＳＲ；Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｉｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）は、不対電子を有する物質（フリーラジカル）に対して磁場を印加したとき、エネルギー準位が分裂し、そのエネルギー差に相当するマイクロ波が吸収される現象である。通常の電子スピン共鳴計測装置では、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。マイクロ波の周波数を一定として磁場を掃引し、磁場変調を与えてロックイン検出をすることで高感度にフリーラジカルを測定できる。試料中のフリーラジカルの種類と量を非接触かつ非破壊で検出できるため、半導体、生体試料、食品等、様々な物質の組成分析、反応解析に頻繁に利用されている。
　近年、電子スピン共鳴計測の空間分解能を高める試みが盛んになされている。その方法は大きく二つに分類され、（ａ）磁場勾配の印加、または、（ｂ）共振構造の改良である。
　（ａ）磁場勾配の印加では、電子スピン共鳴計測装置の静磁場に傾斜磁場を重畳して、フリーラジカルの空間分布を画像化するイメージング技術が開発されている（特許文献１）。
　（ｂ）共振構造の改良では、空洞共振器に孔を設けて、孔から放出されたマイクロ波を用いて試料を計測する装置が提案されている（特許文献２）。
　他の共振構造として、プローブヘッド状の共振器を用いて試料表面に接近させ、フリーラジカルを観測する方法が検討されている（例えば、非特許文献１）。プローブヘッドの移動により計測位置をある程度定めることが可能である。
　さらに他にも、ファブリ・ペロー型の共振器が開発されている。二枚の反射板で構成され、導波路から供給された電磁波を反射板の間隙で多重反射させて、高感度な電子スピン共鳴計測を実現する（特許文献３、４）。反射板の間隙に設置した試料中のフリーラジカル計測が可能であり、共鳴周波数をミリ波帯に近づけることで高い位置分解能を得られる。
特開２０００－２１７８００号公報 特許５４８１６５１号公報 特許３８６６８０４号公報 特許４７２１７８４号公報
Sugawara H., et al., IEEE Trans. Biomed. Eng. 61: 1894－1901; 2014
　特許文献１に記載されている、磁場勾配を印加する方法では、核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ）と同様の原理を用いるため、生体を対象とした開発が多いが、印加できる傾斜磁場の制限から空間分解能は数ｍｍ程度が限界で、単一細胞の大きさである数十μｍには及ばず、応用の範囲は生体組織のサイズ（数ｃｍ以上）に限定される。また、機能性材料の計測でも、この空間分解能の制限から、昨今開発が盛んなナノデバイスへの適用には不向きである。
　また、特許文献２に記載されている共振構造を改良する方法では、試料を保持するための器具は不要で、試料の外観を観察しながら電子スピン共鳴計測が可能であるが、フリーラジカルの分布情報を得るためには、孔と試料の距離を厳密に固定しながら計測位置を変化させる必要が生じ、実用上不利である。
　また、非特許文献１に記載されているプローブヘッド状の共振器を用いて試料表面に接近させ、フリーラジカルを観測する方法では、マイクロ波の磁界成分は共振器端から外部に漏出する成分が大半で、高い位置分解能を得ることはできない。
　さらに、特許文献３、４に記載されているファブリ・ペロー型の共振器を用いる方法では、試料が光学的に不透明な金属製の反射板で挟まれるため、計測時の試料観察はできず、さらに電子スピン共鳴が生じている部分が明確に特定できないため、検出したフリーラジカル由来の電子スピン共鳴信号の発生位置との対応も困難となり、実用上の支障となっている。例えば、有機半導体材料の加工時、切断面を観察しながらのフリーラジカル検出ができない。あるいは、生体試料として、培養細胞の代謝物には疾患の機序解明に有用なフリーラジカルが多く含まれるが、培養細胞の外観変化が生じている部分とフリーラジカル分布の関係を明らかにできない。
　新規に開発される機能性材料の特性評価だけでなく、近年特に研究開発が活況な再生医療向けの細胞機能評価においても、試料観察をしたままで、部位選択的にフリーラジカル分布を測定できる装置の開発が望まれている。
　従来、半導体材料から生体材料に至るまで、試料中のフリーラジカルを部位選択的に高い分解能で計測する電子スピン共鳴計測技術は限られていた。特に、電子スピン共鳴計測の位置分解能を維持したままで、フリーラジカルが存在する試料箇所の観察を行うことは困難であった。
　本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、半導体材料や細胞等の薄板状試料中のフリーラジカルを部位選択的に検出し、そのフリーラジカルが存在する試料箇所を観察できる電子スピン共鳴計測方法及びその装置を提供することを目的とする。
　上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、電子スピン共鳴計測装置を、磁場を形成する磁場形成部と、プローブを備えて磁場形成部で形成した磁場中でプローブからマイクロ波を発振するマイクロ波発振部と、試料を載置する載置部と、マイクロ波発振部のプローブと載置部とを挟んで対向して配置されたマイクロ波反射板を備えてプローブから発信されたマイクロ波を対向して配置されたマイクロ波反射板の間で反射するマイクロ波反射部と、マイクロ波反射部の対向して配置されたマイクロ波反射板のうちの載置部の側のマイクロ波反射板と載置部との間に配置されて対向して配置されたマイクロ波反射板の間で反射したマイクロ波を収束させるマイクロ波収束部とを備えて構成した。
　また、上記した課題を解決するために、本発明では、磁場形成部で磁場を形成した状態で形成した磁場中でマイクロ波発振部のプローブからマイクロ波を発振し、プローブと試料を載置した載置部とを挟んで対向して配置されたマイクロ波反射板の間でプローブから発振されたマイクロ波を共振させ、対向して配置されたマイクロ波反射板のうちの試料の側のマイクロ波反射板と載置部との間に配置した誘電体により共振したマイクロ波を誘電体の近傍に収束させ、マイクロ波を誘電体の近傍に収束させマイクロ波が収束している領域に試料を位置させた状態で磁場制御部で発生する磁場の強度を順次変化させてプローブで検出される共振したマイクロ波の強度変化から試料の電子スピン共鳴信号の最大値を検出することにより試料中のフリーラジカルを部位選択的に検出する電子スピン共鳴計測方法とした。
　強誘電体にマイクロ波が集束することによって、薄板状試料中のフリーラジカルを部位選択的に計測でき、また、プローブとマイクロ波反射板と試料とが独立に三次元方向に移動するため、フリーラジカルを検出した試料部位の撮像が可能となる。
　さらに、マイクロ波反射板で挟まれた空間に試料を配置するため、試料の設置環境を容易に制御可能で、試料に対して試薬を添加したり、雰囲気ガス、温度を変化させたりすることができる。
本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置の検出部の概略の構成を示した斜視図である。 本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置の検出部のＡ－Ａ断面図である。 本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いた計測手順を示したフロー図である。 本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いて測定した、固体試料ＤＰＰＨの電子スピン共鳴信号の波形を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いて測定した、固体試料ＤＰＰＨの分布を示す分布図である。 本発明の実施例１にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いて測定した、溶液試料ＴＥＭＰＯＬの電子スピン共鳴信号強度の濃度依存性を示すグラフである。 本発明の実施例２にかかる電子スピン共鳴計測装置の検出部の概略の構成を示した斜視図である。 本発明の実施例２にかかる電子スピン共鳴計測装置の検出部のＢ－Ｂ断面図である。 本発明の実施例２にかかる電子スピン共鳴計測装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いた計測手順を示したフロー図である。 本発明の実施例２にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いて観察した培養細胞試料の光学顕微鏡写真である。 本発明の実施例３にかかる電子スピン共鳴計測装置の検出部の概略の構成を示した斜視図である。 本発明の実施例３にかかる電子スピン共鳴計測装置を用いた場合の測定試料設置スペースの加温特性を示すグラフである。
　本発明は、空間を介して対向した二枚のマイクロ波反射板の間に、マイクロ波発振及び検出プローブ、及び強誘電体を備える電子スピン共鳴計測装置であって、プローブから発振されたマイクロ波が二枚の反射板の間に定在し、強誘電体に対するマイクロ波の集束性を利用して誘電体近傍に設置された薄板状試料中のフリーラジカルを検出するようにしたものである。
　また、本発明の電子スピン共鳴計測装置で用いられるマイクロ波発振及び検出プローブは、マイクロ波反射板と試料とともに、独立に三次元方向に移動する手段を備え、強誘電体のごく近傍に限定した部位のフリーラジカルを検出する。
　本発明の電子スピン共鳴計測装置は、検出したフリーラジカルが存在する試料箇所を観察するための撮像系を備えることを特徴とする。
　また、本発明の電子スピン共鳴計測装置によれば、通常必要とされる空洞共振器内への試料挿入が不要となり、試料を設置する外的環境が可変となる。　
　以下に、本発明の実施例を、図を用いて説明する。
　以下において、本発明を実施例に基づいて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ものではない。
　図１Ａは、本実施例における電子スピン共鳴計測装置１００の検出部１５０の構成を示す斜視図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ断面矢視図である。電子スピン共鳴計測装置１００は、静磁場発生用の１対の主磁石１０１ａと１０１ｂ、１対の変調磁場印加用電磁石１０２aと１０２b、先端部１０３１がループ状に形成されたマイクロ波発振及び検出プローブ１０３、１対のマイクロ波反射板１０４aと１０４b、強誘電体１０５、試料１２０を載置する面に形成されたテフロン(登録商標)シート１０６、強誘電体１０５を囲ってマイクロ波反射板１０４ｂとテフロンシート１０６との間を埋める非誘電体で形成されたスペーサ１０７、筐体１０８、マイクロ波発振器１１０、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３の位置を３次元方向に制御する第１の駆動源１１１、マイクロ波反射板１０４aの位置を３次元方向に制御する第２の駆動源１１２、試料１２０を載置するテフロンシート１０６の位置を３次元方向に制御する第３の駆動源１１３を備えて構成される。
　主磁石１０１ａと１０１ｂ、変調磁場印加用電磁石１０２aと１０２b、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３、マイクロ波反射板１０４aと１０４b、強誘電体１０５、テフロンシート１０６、スペーサ１０７は、筐体１０８の内部に収納されており、マイクロ波発振器１１０、第１の駆動源１１１、第２の駆動源１１２、第３の駆動源１１３は筐体１０８の外部に設置されている。
　図２に、本実施例に係る電子スピン共鳴計測装置１００の全体の構成を示す。電子スピン共鳴計測装置１００は、図１Ａ及び図１Ｂの詳細構成を示した検出部１５０と、処理・制御部１６０とを備えて構成される。
　処理・制御部１６０は、マイクロ波を発振してマイクロ波発振及び検出プローブ１０３にマイクロ波を供給すると共にマイクロ波発振及び検出プローブ１０３で受信したマイクロ波を検出するマイクロ波発振・検出回路部１６１、第２の駆動源１１２を駆動してマイクロ波反射板１０４aの位置を３次元方向に制御する反射板高さ調整部１６２、第1の駆動源１１１を駆動してマイクロ波発振及び検出プローブ１０３の先端部１０３１の位置を制御するプローブ位置制御部１６３、１対の主磁石１０１ａ、１０１ｂと１対の変調磁場印加用電磁石１０２a、１０２bとを制御する磁場制御部１６４、第３の駆動源１１３を駆動してテフロンシート１０６の位置を３次元方向に制御してテフロンシート１０６に載置された試料１２０の位置を調整する試料位置調整部１６５、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３で受信したマイクロ波を検出したマイクロ波発振回路部１６１からの出力信号と磁場制御部１６４の制御信号とを入力して電子スピン共鳴信号を検出する信号検出部１６６、信号検出部１６６で検出した信号を処理して信号強度分布を求める信号強度分布算出部１６７を備えている。
　処理・制御部１６０は、処理条件や制御条件を入力する入力部１７０、及び信号強度分布算出部１６７で求めた結果を出力する出力部１７０にと接続している。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３、マイクロ波反射板１０４ａ及び１０４ｂ、強誘電体１０５、試料１０６は互いに接触せず、空洞共振器（電子スピン共鳴を発生させるための閉鎖空間）が必要ない点から、図１Ａ及び図１Ｂに示したような構成を備えた電子スピン共鳴計測装置は、「開放型」の電子スピン共鳴計測装置と呼ぶことができる。
　静磁場発生用の１対の主磁石１０１a及び１０１ｂの形状は、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、空心コイル電磁石等が挙げられる。コイルの形状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、ヘルツホルム等が挙げられ、測定対象の大きさや、フリーラジカルの種類、量等に応じて選択可能である。
　また、１対の変調磁場印加用電磁石１０２a及び１０２ｂは、磁界方向が静磁場発生用の１対の主磁石１０１a及び１０１ｂで形成する静磁場の方向と一致するように設置する。磁場制御部１６４で１対の変調磁場印加用電磁石１０２a及び１０２ｂを制御することにより、１対の変調磁場印加用電磁石１０２a及び１０２ｂで発生する変調磁場の強度は、測定対象とするフリーラジカルの電子スピン共鳴信号の線幅により適宜選択可能である。マイクロ波発振器１６１から発信するマイクロ波の変調周波数も適宜選択可能であるが、ノイズ除去のため、１ｋＨｚ～１ＭＨｚの間に設定し、望ましくは５０～２００ｋＨｚとする。また、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３で受信してマイクロ波発振・検出回路部１６１で検出した信号に対してロックインアンプによる信号検出法を採用することで高感度にフリーラジカルを測定できる。
　プロ部位置制御部１６３でマイクロ波発振及び検出プローブ１０３の先端部１０３１の位置を制御することで、マイクロ波発振・検出回路部１６１で発振したマイクロ波を受けてマイクロ波発振及び検出プローブ１０３から発射するマイクロ波により形成する磁界が、静磁場及び変調磁場の磁界方向と直交するよう配置する。マイクロ波発振及び検出プローブ１０３の先端部１０３１の形状は、測定試料１２０にできる限り接近するよう、表面コイル型やループギャップ型等のシングルコイルが望ましい。ループ径は、検出信号の部位選択性を得るために、使用するマイクロ波の波長より十分小さい径とすることが望ましい。
　マイクロ波発振及び検出プローブ１０３から発振したマイクロ波を一定の空間で共振させるため、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３を、二枚のマイクロ波反射板１０４aと１０４ｂとで挟む構成に配置される。マイクロ波反射板１０４aと１０４ｂとは、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３が形成する磁界と直交し、静磁場発生用の１対の主磁石１０１a及び１０１ｂで形成する静磁場及び１対の変調磁場印加用電磁石１０２a及び１０２ｂで形成する変調磁場の磁界方向と平行になるよう配置する。
　マイクロ波反射板１０４a及び１０４ｂの部材には、銅、アルミニウム等の、磁性を有さずマイクロ波を反射する性質を備える導体を用いることができる。反射板の形状は、ファブリ・ペロー型共振器として当業者に公知であり、適宜選択可能である。例えば、平板型、半円筒型等が挙げられる。二枚のマイクロ波反射板１０４a及び１０４ｂの形状の組み合わせとして、図１Ａ及び図１Ｂでは平板型と平板型とを組み合わせた例を示したが、これ以外に、平板型と半円筒型とを組合せた構成としてもよい。
　二枚のマイクロ波反射板１０４aと１０４ｂとの間隙に強誘電体１０５を配置することで、二枚のマイクロ波反射板１０４aと１０４ｂとの間で共振したマイクロ波を強誘電体１０５の近傍に集束させることができる。強誘電体１０５は、外部電場を印加しない状態でも電気分極を生じ、誘電率が１００～２０００の結晶である。そのマイクロ波の集束作用から、試料１２０を強誘電体１０５の近傍に配置することによって、試料１２０中のフリーラジカルの部位選択的な電子スピン共鳴計測が可能となる。
　強誘電体１０５の部材は、当業者に公知であり、適宜選択可能である。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）等が挙げられる。強誘電体１０５の形状は、計測対象に合わせて適宜選択可能であるが、位置分解能を上げるためには、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３の先端部１０３１のループに平行な断面における寸法が、先端部１０３１のループの径よりも小さい方が望ましい。
　マイクロ波発振及び検出プローブ１０３はプローブ位置制御部１６３で制御される第１の駆動源１１１で駆動され、マイクロ波反射板１０４aは反射板高さ調整部１６２で制御される第２の駆動源１１２で駆動され、試料１２０は試料位置調整部１６５で駆動される第３の駆動源１１３で駆動されて、それぞれ独立に三次元方向に移動することができる。
　使用するマイクロ波の周波数やマイクロ波反射板１０４aの材質、強誘電体１０５の大きさ、測定試料１２０の誘電率等によって、マイクロ波の共振が生じる位置が変化するため、これを調節するためにそれぞれに三次元方向の移動機構を設けることが必要になる。マイクロ波発振及び検出プローブ１０３を駆動する第１の駆動部１１１と、マイクロ波反射板１０４ａを駆動する第２の駆動部１１２は、例えばステッピングモータを使用した位置制御を行う。試料１２０は、マイクロ波反射板１０４ｂの上のテフロン、ポリプロピレン、セラミック等の磁性を有さない誘電体を部材とするスペーサ１０７の上に配置されたテフロンシート１０６に載置されている。マイクロ波反射板１０４ｂとスペーサ１０７との位置は固定した状態で、試料１２０を載置したテフロンシート１０６を、第３の駆動部１１３としてステッピングモータまたはサーボモータで駆動されるＸＹＺステージによる位置制御を行う。マイクロ波発振及び検出プローブ１０３、マイクロ波反射板１０４ａ、試料１２０が独立に三次元方向に移動できることで、強誘電体１０５近傍の、共振したマイクロ波が収束する位置に試料を配置することで、試料上の所望の位置で選択的にフリーラジカルの検出が可能となる。
　図３に、本実施例における電子スピン共鳴計測方法の手順を示す。　
　まず、試料１２０をマイクロ波反射板１０４ｂの上に配置したテフロンシート１０６の上に設置した状態で、マイクロ波発振・検出回路部１６１でマイクロ波発振器１１０を制御してマイクロ波を発生させ、筐体１０８の内部でマイクロ波発振及び検出プローブ１０３の先端部分１０３１からマイクロ波を放射する（Ｓ１０１）。
　次に、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３の先端部分１０３１からマイクロ波を放射させた状態で反射板高さ調整部１６２で第２の駆動部１１２を制御してマイクロ波反射板１０４ａの位置を調整し、プローブ位置制御部１６３で第１の駆動部１１１を制御してマイクロ波発振及び検出プローブ１０３の位置を調整し、更に、試料位置制御部１６５で第３の駆動部１１３を制御して試料１２０の位置を調整することによりマイクロ波の共振が生じる位置を検出する（Ｓ１０２）。この検出したマイクロ波の共振が生じる位置において、強誘電体１０５の近傍の領域ではマイクロ波が収束する。
　次に、試料位置制御部１６５で第３の駆動部１１３を制御して試料１２０の位置を調整することにより、強誘電体１０５の近傍の共振したマイクロ波が収束している領域に試料１２０を配置し、この状態で、磁場制御部１６４で１対の変調磁場印加用電磁石１０２a及び１０２ｂで発生する変調磁場の強度を順次変化させてマイクロ波発振及び検出プローブ１０３で検出されるマイクロ波の強度変化から信号検出部１６６で電子スピン共鳴信号の最大値を検出し、この検出した最大値とその時の試料１２０の位置情報とを信号強度分布算出部１６７に送る（Ｓ１０３）。
　次に、試料位置制御部１６５で第３の駆動部１１３を制御して試料１２０をステップ移動させて、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３及び強誘電体１０５に対する位置を変え、試料１２０の次の測定点をＳ１０２で検出したマイクロ波の共振位置に位置させる（Ｓ１０４）。次に、Ｓ１０３と同様に磁場制御部１６４で１対の変調磁場印加用電磁石１０２a及び１０２ｂで発生する変調磁場の強度を順次変化させてマイクロ波発振及び検出プローブ１０３で検出されるマイクロ波の強度変化から電子スピン共鳴信号の最大値を検出する（Ｓ１０５）。
　次に、現在の計測点が計測範囲の終点であるかを判断し（Ｓ１０６）、まだ終点にたどり着いていない場合には（ＮＯの場合）、Ｓ１０４に戻って試料位置制御部１６５で第３の駆動部１１３を制御して試料１２０をステップ移動させて、次の測定点をＳ１０２で検出したマイクロ波の共鳴点に位置させる。
　一方、計測範囲の終点にたどり着いた場合には、信号強度分布算出部１６７において、信号検出部１６６から送られてきた試料１２０の各位置における電子スピン共鳴信号の最大値の情報から信号強度の二次元分布を作成し（Ｓ１０７）、その結果を出力部１７０に送信し、出力部１７０の表示画面（図示せず）上に出力（表示）する（Ｓ１０８）。
　ここで、Ｓ１０４におけるステップ移動量を得たい画像の解像度程度に設定すると、Ｓ１０７で得られる信号強度の二次元分布は、信号強度の画像とみなせる。すなわち、Ｓ１０７により、信号強度分布の画像を得ることができる。
　本実施例における電子スピン共鳴計測装置１００によれば、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３と、強誘電体１０５の間に挿入することができる試料１２０中のフリーラジカルを部位選択的に検出することができる。すなわち、対象となる試料の形態は固体、液体を問わないが、検出するフリーラジカルの部位選択性を高めるためには薄板状試料であることが望ましい。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体；酢酸ビニル、メタクリル酸メチル等の高分子化合物；ＤＰＰＨ、ＴＥＭＰＯＬ等のスピンラベル剤やスピンプローブ剤等の有機ラジカル；メラニンや過酸化脂質等を含む血液成分、生体組織、食品等を測定対象とすることができる。
　特に、従来ではフリーラジカルの部位選択検出が難しかった水を含む生体試料において有用性が高い。生体試料内に存在するフリーラジカルは、癌をはじめとする腫瘍形成だけでなく、脳血管疾患及び心筋梗塞等の各種疾患を誘起することがこれまでの研究で明らかにされている。そのため、現在、培養細胞レベルの微小領域における常磁性種の検出や分析の必要性が極めて高くなっている。したがって、本発明の電子スピン共鳴計測装置は、フリーラジカルの生理作用に関する研究や、フリーラジカルが関与する疾患の診断、治療及び予防に応用できる。
　本実施例による電子スピン共鳴計測装置１００では、通常必要とされる空洞共振器内への試料挿入の手順が不要となる開放型であるため、試料を設置する環境の変えることが容易である。試料に対する試薬を添加するための細管を設置したり、雰囲気ガス、温度を変えるための空調機器を組み込んだりすることが可能である。例えば、上述した生体試料では、生きた細胞の栄養補給に必要な培地溶液の交換が必要で、溶液温度を３７℃付近に維持、さらに長期的な培養には二酸化炭素濃度の濃度調整（通常は５％）が継続的に必要とされるが、これらの要求を全て満たす環境を整備することが可能である。
　［実施例１の実験例１]
　本実施例の電子スピン共鳴計測装置１００を用いて、固体試料ＤＰＰＨ（1,1－ジフェニル－2－ピクリルヒドラジル） を測定した。強誘電体として直径６ｍｍ、高さ６ｍｍの円筒状のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を用いた。表面コイル型のプローブから発振されるマイクロ波の周波数を９．７ＧＨｚとし、プローブ径は８ｍｍとした。マイクロ波反射板の形状は平板とし、部材には銅を用いた。１／ｆノイズ低減のため、変調周波数は１００ｋＨｚに設定した。
　図４は、円筒状である強誘電体の上底中心の直上に、厚さ０．０５ｍｍのセロファンシートに散布、内包したＤＰＰＨの電子スピン共鳴信号４０１のグラフである。セロファンシートは磁性を有さないため、電子スピン共鳴信号に影響を与えることはない。ただし、強誘電体の部材及び大きさ、試料と強誘電体、または、試料とマイクロ波発振及び検出プローブの位置関係は、ベースライン（電子スピン共鳴信号の基準値）の歪みに影響するため、ここでは試料を設置しないときのベースラインを減算した信号スペクトルを示している。試料の性質によっては、減算するベースラインとして、参照試料を用いることができる。例えば、培地溶液に満たされた培養細胞中のフリーラジカルを計測する際は、培地溶液のみ、すなわち培養細胞を含まない状態を参照試料として計測してベースラインとしても良い。
　図５には、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３をＸＹ方向に１ｍｍ毎でスキャンしながら電子スピン共鳴信号を計測し、各位置ごとの信号強度の最大値を、信号強度に応じて色５１０を変えてＸ方向５０１とＹ方向５０２の二次元マッピングした結果５００を示す。電子スピン共鳴信号の二回積分値はフリーラジカルの量に比例するため、検量線の測定と、信号解析によればフリーラジカル量の二次元マッピングが可能でもある。結果から、プローブのスキャンによって、直径６ｍｍの強誘電体の上に静置されたフリーラジカルを空間分解能１ｍｍで部位選択的に検出できることが確認された。スキャン幅は１μｍ以下でも動作可能であるため、図５のような信号強度分布の情報を、信号強度分布の画像として得ることができる。例えば数十μｍの培養細胞内のフリーラジカル分布の解明においても大いに役立つことが期待される。
　［実施例１の実験例２]
　実験例１と同じ電子スピン共鳴計測装置を用いて、溶液試料ＴＥＭＰＯＬ（4－ヒドロキシ－2,2,6,6－テトラメチルピペリジン－1－オキシル）を測定した。
　図６は、円筒状である強誘電体の上底中心の直上に、直径１．２ｍｍの範囲で、０．１～５ｍＭのＴＥＭＰＯＬ溶液を静置したときの、電子スピン共鳴信号強度６０１とＴＥＭＰＯＬ溶液濃度６０２の関係を示すグラフ６００である。このとき、ＴＥＭＰＯＬ溶液の試料台として厚さ０．１ｍｍのホウケイ酸ガラスシートを用いた。結果から、従来はフリーラジカルの検出が難しかった溶液試料においても、本実施例による電子スピン共鳴計測装置１００が有用であることが確認され、定量的にフリーラジカル量を算出できることが明らかとなった。すなわち、電子スピン共鳴信号強度から、未知の濃度であるＴＥＭＰＯＬ溶液の濃度（フリーラジカル量に比例する）を求めることができる。
　次に、本発明の第２の実施例を、図を用いて説明する。本実施例における電子スピン共鳴計測装置２００の構成は、実施例１で説明した電子スピン共鳴計測装置１００の構成と基本的には同じであるが、試料１２０を観察するための撮像部を設けて制御・処理部に画像処理手段を設けるとともに、マイクロ波反射板を光学的に透明な材料で形成した点が異なる。
　図７Ａ及び図７Ｂに本実施例による検出部２５０の構成を示し、図８に電子スピン共鳴計測装置２００全体の構成を示す。実施例１と同じ構成については同じ番号を付して、説明を省略する。
　本実施例では、図７Ａ及び図７Ｂに示した構成において、マイクロ波反射板２０４ａの上方で筐体２０８の外側にカメラ２３０を設けた。また、マイクロ波反射板２０４ａは、導体で可視光を透過する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で構成されており、また、筐体２０８には観察用の窓２０９が形成されている。
　このような構成とすることにより、筐体２０８の外側からマイクロ波反射板２０４ａを通して試料１２０を撮像することができる。
　図８に示した電子スピン共鳴計測装置２００全体の構成において、実施例１の図２に示した構成と異なるのは、カメラ２３０で撮像した信号から画像を形成する画像処理部２７１と、試料位置制御部１６５からの試料１２０の位置情報を得て画像処理部２７１で形成した画像の位置を調整する画像位置調整部２７２と、この画像位置調整部２７２で位置を調整した画像と信号強度分布算出部１６７で求めた信号強度分布とを重ね合せる重ね合せ処理部２７３とを備えた点であり、出力部１７０からは、試料１２０の画像と信号強度分布とが重ね合せられた画像が出力される。
　このような構成とすることにより、試料１２０を撮像する機能を備えることで、フリーラジカル検出部位の観察が可能になる。これにより、既存の電子スピン共鳴装置では達成できなかった、材料加工時の切断面を観察しながらのフリーラジカル検出や、培養細胞の外観変化箇所とフリーラジカル分布の関係を明確にすることができる。
　次に、図９に、本実施例における電子スピン共鳴計測方法の手順を示す。
　図９に示した電子スピン共鳴計測方法の手順のうち、Ｓ２０１からＳ２０７までは、実施例１において図３を用いて説明した処理手順と同じであるので、説明を省略する。
　本実施例における電子スピン共鳴計測方法の処理手順で図３で説明した実施例１における処理手順と異なるのは、Ｓ２０２でマイクロ波の共振位置を検出した後に、カメラ２３０で試料１２０を撮像して試料１２０の画像を得（Ｓ２０８）、試料位置制御部１６５からの試料１２０の位置情報を得て画像処理部２７１で形成した画像の位置を調整し（Ｓ２０９）、この位置を調整した画像と、Ｓ２０７で求めた試料１２０の各位置における電子スピン共鳴信号の最大値の情報から作成した信号強度の二次元分布情報（信号強度分布の画像）とを重ね合せて（Ｓ２１０）、その結果を出力部１７０に送信し、出力部１７０の表示画面（図示せず）上に出力（表示）する（Ｓ２１１）。ただし、Ｓ２１０においては，画像同士を必ずしも重ね合せる必要はなく、一つの画面上に二つの画像を並べて表示するようにしてもよい。
　図７Ａ及び図７Ｂに示した構成では、マイクロ波反射板２０４ａを導体で可視光を透過する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で構成して、マイクロ波反射板２０４ａの上方で筐体２０８の外側に設けたカメラ２３０で試料を撮像する構成を説明した。しかし、本実施例はこの構成に限らず、マイクロ波反射板２０４ａを実施例１の場合と同様に可視光を透過しない導体で形成して、マイクロ波反射板２０４ａを介さないで観察するようにしてもよい。
　マイクロ波反射板２０４ａを介さないで試料１２０を撮像する構成では、カメラ２３０を試料１２０に対して斜め方向で試料１２０を撮像可能な位置に配置することで、フリーラジカル検出部位の試料観察が可能となる。また、カメラの代わりにファイバスコープを用いれば、より小さいスペースに設置できるので、設置上の制約条件が緩和される。ファイバスコープを複数台設置することにより、試料１２０の立体的な画像を得ることができる。
　また、マイクロ波反射板２０４ａを実施例１の場合と同様に可視光を透過しない導体で形成して、試料１２０を観察する部位に小さな穴をあけて、マイクロ波反射板２０４ａの情報から観察する方法もある。
　さらに、マイクロ波反射板２０４ａを可視光を透過しない導体で形成して、マイクロ波反射板２０４ｂを導体で可視光を透過する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で構成して、マイクロ波反射板２０４ｂの下方で筐体２０８の外側に設けたカメラ２３０で試料を撮像する構成としてもよい。
　また、本実施例によれば、フリーラジカルを含む薄板状試料の近傍に設置した強誘電体にマイクロ波が集束することによって、試料中のフリーラジカルを部位選択的に計測でき、また、プローブとマイクロ波反射板と試料とが独立に三次元方向に移動するために、フリーラジカルを検出した試料部位の撮像が可能となる。
　［実施例２の実験例１]
　本実施例の電子スピン共鳴計測の対象となる生体試料の一例として、培養接着細胞のマウス繊維芽細胞をカメラ２３０（正立型顕微システム）で観察した。図１０は、ポリプロピレン製の試料台に培養細胞皿（底面部材はホウケイ酸ガラス）１２０を設置し、マイクロ波発振及び検出プローブ１０３が接近する強誘電体１０５の直上、すなわち電子スピン共鳴信号が計測される位置の観察像１００１である。マイクロ波発振及び検出プローブ１０３と試料１２０が独立に三次元方向に移動できることで、フリーラジカルを検出する細胞の位置を確認した上でフリーラジカルを検出するシステムが構成できることを示した。
　次に、本発明の実施例３として、図１１に検出部３５０の構成を示す。検出部３５０は、実施例２で説明した検出部２５０の構成に、薬液注入・吸引機構３１０と筐体内部の雰囲気を制御するための温度調節・ＣＯ２ガス吸入機構３２０とを付加した構成を説明する。本実施例は、実施例１で説明した図１Ａに示した検出部１５０の構成に適用することも可能である。
　本実施例における検出部３５０では、試料１２０に対する試薬を添加するための細管３１１を筐体３０８に設けた穴３１２を通して設置して薬液注入・吸引機構３１０と接続する構成とした。さらに、筐体３０８に配管３２１を設置して温度調節・ＣＯ２ガス吸入機構３２０と接続し、筐体３０８の内部の雰囲気ガスとしてのＣＯ２を吸入して筐体３０８の内部から排出し、筐体３０８の内部の温度を調整して筐体内部の雰囲気を制御することを可能にした。
　本実施例による電子スピン共鳴計測装置の検出部３５０は、実施例１及び実施例２で説明した検出部１５０及び２５０と同様に、通常必要とされる空洞共振器内への試料挿入の手順が不要となる開放型であるため、図１１で説明したように試料に対する試薬を添加するための細管を設置したり、雰囲気ガス、温度を変えるための空調機器を組み込んだりして、試料を設置する環境の変えることが可能である。例えば、上述した生体試料では、生きた細胞の栄養補給に必要な培地溶液の交換が必要で、溶液温度を３７℃付近に維持、さらに長期的な培養には二酸化炭素濃度の濃度調整（通常は５％）が継続的に必要とされるが、薬液注入・吸引機構３１０と温度調節・ＣＯ２ガス吸入機構３２０とを付加することにより、これらの要求を全て満たす環境を整備することが可能である。
　本実施例によれば、マイクロ波反射板で挟まれた空間に試料を配置するため、試料の設置環境を制御可能で、試料に対する試薬添加や、雰囲気ガス、温度の変化が可能となる。
　［実施例３の実験例１]
本実施例の検出部３５０を備えた電子スピン共鳴計測装置において、試料設置スペースの加温特性を測定した。図１１に示した電子スピン共鳴計測装置の検出部３５０の構成において、静磁場発生用の主磁石１１０ａ及び１１０ｂに図示していない加温された水流路チューブを設け、マイクロ波発振及び検出プローブの直下における温度を測定した。ここでは一例として生体試料を想定し、試料設置スペースが培養細胞の生存維持に必要な３７℃になるよう、水温を調整した。
　図１２は、試料設置スペースの加温特性を示す図（グラフ）である。結果から、１時間程度で試料設置スペースの温度は３７±１℃に維持され、本発明の電子スピン共鳴計測装置が試料設置環境を容易にできることを明らかにした。
　１０１ａ、１０１ｂ・・・静磁場発生用の主磁石　　１０２ａ、１０２ｂ・・・変調磁場印加用電磁石　　１０３・・・マイクロ波発振及び検出プローブ　　１０３１・・・マイクロ波発振及び検出プローブの先端部　　１０４ａ、１０４ｂ・・・マイクロ波反射板　　１０５・・・強誘電体　　１０６・・・テフロンシート　　１２０・・・試料　　１５０、２５０・・・検出部　　１６０、２６０・・・処理・制御部　　１６１・・・マイクロ波発振・検出回路部　　１６２・・・反射板高さ調整部　　１６３・・・プローブ位置制御部　　１６４・・・磁場制御部　　１６５・・・試料位置制御部　　１６６・・・信号検出部　　１６７・・・信号強度分布算出部　２３０・・・カメラ　　２７１・・・画像処理部　　２７２・・・画像位置調整部　　２７３・・重ね合せ処理部

Claims (12)

  1. 　磁場を形成する磁場形成部と、
    　プローブを備えて前記磁場形成部で形成した磁場中で前記プローブからマイクロ波を発振するマイクロ波発振部と、
    　試料を載置する載置部と、
    　前記マイクロ波発振部のプローブと前記載置部とを挟んで対向して配置されたマイクロ波反射板を備えて前記プローブから発信されたマイクロ波を前記対向して配置されたマイクロ波反射板の間で反射するマイクロ波反射部と、
    　前記マイクロ波反射部の前記対向して配置されたマイクロ波反射板のうちの前記載置部の側のマイクロ波反射板と前記載置部との間に配置されて前記対向して配置されたマイクロ波反射板の間で反射したマイクロ波を収束させるマイクロ波収束部と
    　を備えたことを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  2. 　請求項１記載の電子スピン共鳴計測装置であって、前記マイクロ波発振部のプローブから発振されたマイクロ波のうち前記対向して配置されたマイクロ波反射板で反射されて前記プローブに入射したマイクロ波を検出して前記試料の電子スピン共鳴信号を検出する信号検出部と、前記試料を移動させる試料駆動部と、前記駆動部で前記試料を順次移動させながら前記信号検出部で検出した前記試料の電子スピン共鳴信号に基づいて前記試料における前記電子スピン共鳴信号の二次元分布を求める信号強度分布算出部をさらに備えることを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  3. 　請求項１記載の電子スピン共鳴計測装置であって、マイクロ波発振部のプローブの先端部分にはシングルループのコイルが形成されており、前記対向して配置されたマイクロ波反射板の間で前記シングルループのコイルからマイクロ波を発振することを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  4. 　請求項３記載の電子スピン共鳴計測装置であって、前記コイルのシングルループの径は、前記マイクロ波の波長よりも小さいことを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  5. 　請求項１記載の電子スピン共鳴計測装置であって、前記マイクロ波収束部は円柱状の誘電体で形成され、前記円柱状の誘電体の径は、前記コイルのシングルループの径よりも小さいことを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  6. 　請求項１記載の電子スピン共鳴計測装置であって、前記試料を移動させる試料駆動部と、前記マイクロ波発振部のプローブを移動させるプローブ駆動部と、前記マイクロ波反射部の前記マイクロ波反射板を移動させるマイクロ波反射板駆動部とをさらに備えたことを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  7. 　請求項１記載の電子スピン共鳴計測装置であって、前記載置部に載置された試料を撮像する撮像部を更に備えたことを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  8. 　請求項１記載の電子スピン共鳴計測装置であって、前記載置部に載置した試料に薬液を注入又は吸引する薬液注入・吸引部をさらに備えたことを特徴とする電子スピン共鳴計測装置。
  9. 　磁場形成部で磁場を形成した状態で前記形成した磁場中でマイクロ波発振部のプローブからマイクロ波を発振し、
    　前記プローブと試料を載置した載置部とを挟んで対向して配置されたマイクロ波反射板の間で前記プローブから発振されたマイクロ波を共振させ、
    　前記対向して配置されたマイクロ波反射板のうちの前記試料の側のマイクロ波反射板と前記載置部との間に配置した誘電体により前記共振したマイクロ波を前記誘電体の近傍に収束させ、
    　マイクロ波を前記誘電体の近傍に収束させ前記マイクロ波が収束している領域に前記試料を位置させた状態で前記磁場制御部で発生する磁場の強度を順次変化させて前記プローブで検出される前記共振したマイクロ波の強度変化から前記試料の電子スピン共鳴信号の最大値を検出する
    　ことにより前記試料中のフリーラジカルを部位選択的に検出することを特徴とする電子スピン共鳴計測方法。
  10. 　請求項９記載の電子スピン共鳴計測方法であって、前記マイクロ波が収束している領域に前記試料を位置させることを前記試料を順次移動させながら前記試料の各位置において行うことにより前記試料における前記電子スピン共鳴信号の最大値の二次元分布を求めることを特徴とする電子スピン共鳴計測方法。
  11. 　請求項１０記載の電子スピン共鳴計測方法であって、前記求めた前記試料における前記電子スピン共鳴信号の最大値の二次元分布の情報から前記電子スピン共鳴信号の画像を得ることを特徴とする電子スピン共鳴計測方法。
  12. 　請求項９記載の電子スピン共鳴計測方法であって、前記載置部に載置した試料を撮像し、前記撮像して得た前記試料の画像と前記求めた電子スピン共鳴信号の最大値の二次元分布の情報とを重ね合せた情報を出力することを特徴とする電子スピン共鳴計測方法。
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