WO2024122195A1 - 成分分析装置 - Google Patents

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WO2024122195A1
WO2024122195A1 PCT/JP2023/037537 JP2023037537W WO2024122195A1 WO 2024122195 A1 WO2024122195 A1 WO 2024122195A1 JP 2023037537 W JP2023037537 W JP 2023037537W WO 2024122195 A1 WO2024122195 A1 WO 2024122195A1
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diamond
component analysis
microwave irradiation
measurement sample
analysis device
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PCT/JP2023/037537
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Inventor
欣樹 與名本
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
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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
    • 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
    • G01R33/30—Sample handling arrangements, e.g. sample cells, spinning mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a component analysis device, in particular one that uses the optical nuclear magnetic resonance phenomenon.
  • the electron spins present on the nitrogen-vacancy complex defects (called NV centers) present in diamond have the property of emitting red fluorescence when they absorb light with a wavelength of approximately 532 nm. Furthermore, when microwaves of approximately 2.87 GHz are irradiated to these electron spins in the absence of an externally applied static magnetic field, they absorb the microwaves and enter an excited state. As a result, the intensity of the red fluorescence emitted when irradiated with light with a wavelength of approximately 532 nm decreases. This is called the electron spin resonance phenomenon.
  • the frequency of the absorbed microwaves changes according to the value of the applied static magnetic field, and the microwave frequency at which the electron spin resonance phenomenon occurs changes from approximately 2.87 GHz. Therefore, by measuring the frequency dependence of the irradiated microwaves on the intensity of red fluorescence when irradiated with light of a wavelength of approximately 532 nm, it is possible to quantify the strength of the magnetic field felt by the NV center of the diamond.
  • the magnetic field strength can be detected with higher sensitivity. Furthermore, by using this pulsed irradiation method, it is possible to selectively detect not only static magnetic fields, but also alternating magnetic fields of specific frequencies.
  • the alternating nuclear magnetic field formed by the atomic nuclei of hydrogen or fluorine is detected.
  • the detection of this nuclear magnetic field is the nuclear magnetic resonance method, and in this specification, it is referred to as the optical nuclear magnetic resonance method to distinguish it from other nuclear magnetic resonance methods (normal or traditional nuclear magnetic resonance methods).
  • the frequency of the nuclear magnetic field can be calculated by converting the time change of the detected alternating nuclear magnetic field into frequency. From this frequency, the molecular structure of molecules containing hydrogen or fluorine can be determined. Also, from the magnitude of the detected nuclear magnetic field, it is possible to quantify the amount of molecules present.
  • This optical nuclear magnetic resonance method is known to have better detection sensitivity than other nuclear magnetic resonance methods.
  • Non-Patent Document 1 describes a layout diagram of optical nuclear magnetic resonance that detects the nuclear magnetic field formed by hydrogen nuclei in a measurement sample by placing a diamond containing an NV center on a circuit board that emits microwaves, placing a measurement sample of a liquid containing hydrogen on the diamond, irradiating the measurement sample with light of a wavelength of approximately 532 nm through an objective lens placed directly above the measurement sample, and detecting the red fluorescence emitted from the NV center of the diamond through the objective lens.
  • Non-Patent Document 1 a liquid measurement sample is used, and light with a wavelength of approximately 532 nm is irradiated from the objective lens directly above through the measurement sample to the NV center directly below, and the red fluorescence emitted from the NV center is also transmitted through the measurement sample and detected via the objective lens.
  • the measurement samples are limited to liquids that transmit light of approximately 532 nm and red fluorescence, or thin film samples that are nearly optically transparent.
  • the distance between the diamond surface and the objective lens is limited by the working distance of the objective lens. Therefore, the thickness of the measurement sample needs to be smaller than the distance between the diamond and the objective lens, which limits the shape of the measurement sample.
  • the present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to enable a component analysis device that uses the optical nuclear magnetic resonance phenomenon to measure samples with a wider range of configurations, and to eliminate the need to adjust the objective lens when changing samples.
  • An example of a component analysis device includes a microwave irradiation substrate that irradiates a diamond with microwaves, and the microwave irradiation substrate has a light transmitting portion that transmits laser light and fluorescent light.
  • This specification includes the disclosure of Japanese Patent Application No. 2022-195770, which is the priority basis of this application.
  • the component analysis device of the present invention which uses the optical nuclear magnetic resonance phenomenon, can measure samples with a wider range of compositions, and does not require adjustment of the objective lens when changing samples.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a structure of a microwave irradiation substrate according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the arrangement order of each component in the first embodiment.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing the arrangement order of each component when a conventional microwave irradiation substrate is used.
  • 2 is a flow diagram showing a procedure for performing optical nuclear magnetic resonance measurement when the microwave irradiation substrate of FIG. 1 is used.
  • FIG. 11 is a flow chart showing the execution sequence of optical nuclear magnetic resonance measurement when a conventional microwave irradiating substrate is used.
  • 2 is a graph showing the relationship between the microwave intensity emitted from the light-transmitting portion of the microwave irradiation substrate of FIG. 1 and the frequency of the introduced microwave.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the microwave wavelength and the length from the power feed point to the center of the loop when the microwave intensity emitted from the light transmitting portion of the microwave irradiation substrate of FIG. 1 is at its maximum.
  • 4 is a graph showing the relationship between the maximum microwave intensity emitted from the light transmitting portion of the microwave irradiation substrate of FIG. 1 and the wiring thickness.
  • 4 is a graph showing the relationship between the maximum value of microwave intensity emitted from the light transmitting portion of the microwave irradiation substrate of FIG. 1 and the distance between the opposing wiring and electrodes.
  • 4 is a graph showing the relationship between the maximum microwave intensity emitted from the light transmitting portion of the microwave irradiation substrate of FIG. 1 and the inner diameter of the light transmitting portion.
  • a microwave irradiation substrate equipped with a light-transmitting portion is used, which is installed in the optical nuclear magnetic resonance device, and the following arrangement is prepared: measurement sample-diamond-microwave irradiation substrate-objective lens.
  • light with a wavelength of approximately 532 nm irradiated through the objective lens and red fluorescence emitted from the NV center in the diamond can pass through the light-transmitting portion of the microwave irradiation substrate.
  • microwaves that are irradiated to the NV center in the diamond are emitted from the light-transmitting portion of the microwave irradiation substrate.
  • this embodiment allows for the following order of arrangement: measurement sample - diamond - microwave irradiation substrate - objective lens, making it possible to measure thicker samples with a wider range of optical properties, and eliminating the need to adjust the objective lens when replacing samples.
  • This expands the range of sample shapes that can be measured by optical nuclear magnetic resonance, while reducing the variation in measurement values that accompanies objective lens adjustment, leading to expanded applications of optical nuclear magnetic resonance measurements and improved reliability of measurement data.
  • the microwave irradiation substrate used in this embodiment is made of FR-4 (glass epoxy material), but other materials, such as alumina or silicon nitride, can also be used without any problems. Copper is used as the material for the wiring, electrode, and loop parts formed on the microwave irradiation substrate, but gold or other metals can also be used.
  • the light-transmitting part can be an opening, or a material that transmits light with a wavelength of approximately 532 nm or red fluorescence, such as glass, can be used.
  • the measurement sample, diamond, microwave irradiation substrate, and objective lens can be arranged in any direction as long as they are arranged in this order. For example, it is not necessary to place the measurement sample at the top, and the objective lens can be arranged above.
  • Fig. 1 is an explanatory diagram showing the structure of the microwave irradiation substrate of the first embodiment.
  • the component analysis device includes a microwave irradiation substrate 101.
  • the microwave irradiation substrate 101 includes a conductive portion, which includes wiring 102, a pair of electrodes 103, a loop 104, and a power supply point 106.
  • the pair of electrodes 103 are connected to each other via the wiring 102 and the loop 104. By including such a conductive portion, it becomes possible to radiate microwaves.
  • the microwave irradiation substrate 101 has a light-transmitting portion 105.
  • the electrodes 103 are not differentiated into positive and negative.
  • the shape of the loop 104 is preferably circular (for example, a perfect circle, or more precisely, a shape having an arc-shaped portion) to reduce uneven radiation of the microwaves, but this is not necessarily required, and other structures such as a rectangle or diamond may also be used.
  • the wiring 102 serves as a waveguide for the microwaves introduced from the electrode 103 via the power supply point 106. If the wiring 102 is bent or bent, unwanted reflection of the introduced microwaves may occur, so a straight line is preferable.
  • Figure 2 is an explanatory diagram showing the arrangement order of each component in embodiment 1. With respect to the microwave irradiation substrate 101, these are arranged in the following order: measurement sample 201 - diamond 202 - microwave irradiation substrate 101 - objective lens 204.
  • the microwave irradiation substrate 101 is used as a structure for placing the diamond 202, and irradiates the diamond 202 with microwaves.
  • the diamond 202 is also configured so that the measurement sample 201 can be placed on it. With this configuration, no other structure is required for placing the measurement sample 201.
  • Light 205 (laser light) with a wavelength of approximately 532 nm is emitted from a laser light source (not shown).
  • the objective lens 204 irradiates the diamond 202 with the light 205 with a wavelength of approximately 532 nm.
  • the light 205 with a wavelength of approximately 532 nm irradiated through the objective lens 204 is irradiated to the NV center in the diamond 202 via the light transmitting portion 105.
  • the light transmitting portion 105 transmits the light 205 with a wavelength of approximately 532 nm.
  • Diamond 202 has electron spins on the NV center that cause the electron spin resonance phenomenon.
  • red fluorescence 206 is emitted from the NV center.
  • the wavelength of the red fluorescence 206 is, for example, within the range of 600 nm to 700 nm, but is not limited to this. In a modified example, non-red fluorescence may be emitted.
  • the light transmitting section 105 transmits the red fluorescence 206. After transmitting through the light transmitting section 105, the red fluorescence 206 passes through the objective lens 204 and is detected by a detection device (not shown). In this way, the objective lens 204 allows the detection device to detect the red fluorescence 206.
  • the connector 207 is for forming the power supply point 106 on the electrode 103.
  • Other structures may be used instead of the connector 207, as long as they can form the power supply point 106 by wire bonding or the like.
  • Microwaves 208 are irradiated to the diamond 202 through the light transmitting portion 105.
  • the diamond 202 does not need to be positioned so that its center coincides with the center of the light transmitting portion 105, as long as it is positioned so that light 205 with a wavelength of approximately 532 nm from the objective lens 204 is irradiated onto the diamond 202. However, the light 205 with a wavelength of approximately 532 nm and the microwaves 208 are irradiated simultaneously onto the same area (measurement target area) of the diamond 202. This simultaneous irradiation can cause the electron spin resonance phenomenon in the NV center.
  • the component analysis device is equipped with a static magnetic field application magnet 209 for applying a static magnetic field to the NV center.
  • the static magnetic field application magnet 209 is placed in the vicinity of the diamond 202, which enables optical nuclear magnetic resonance measurement.
  • the static magnetic field application magnet 209 does not necessarily have to be a permanent magnet, and an electromagnet may also be used.
  • Figure 3 is an explanatory diagram showing the arrangement order of each component when using a conventional microwave irradiation substrate. These are arranged in the following order: objective lens 301 - measurement sample 302 - diamond 303 - microwave irradiation substrate 304.
  • Light 305 with a wavelength of approximately 532 nm is irradiated through the objective lens 301, passes through the measurement sample 302, and is irradiated onto the NV center in the diamond 303.
  • Red fluorescence 306 emitted from the NV center passes through the measurement sample 302 and is detected via the objective lens 301.
  • a circuit capable of emitting microwaves 307 is formed on the microwave irradiation substrate 304, and light 305 with a wavelength of approximately 532 nm and microwaves 307 are irradiated to the same position on the diamond 303.
  • a magnet 308 for applying a static magnetic field is installed near the diamond 303, making it possible to perform optical nuclear magnetic resonance measurements.
  • the measurement samples 302 that can be measured with the conventional configuration are limited to liquid samples or thin film samples that can transmit light 305 with a wavelength of approximately 532 nm and red fluorescence 306.
  • Figure 4 is a flow diagram showing the execution sequence of optical nuclear magnetic resonance measurement when using the microwave irradiation substrate in embodiment 1.
  • the diamond 202 is placed on the light transmitting portion 105 of the microwave irradiation substrate 101.
  • the position of the objective lens 204 is adjusted so that the focus of the light 205 with a wavelength of approximately 532 nm is placed on the diamond 202.
  • the measurement sample 201 is placed on the surface of the diamond 202.
  • the magnet 209 for applying a static magnetic field is placed at the desired position.
  • microwaves are fed to the power feed point 106 via the connector 207, and in this process microwaves 208 are irradiated onto the diamond 202 from the light transmitting portion 105.
  • light 205 with a wavelength of approximately 532 nm is irradiated onto the diamond 202 via the objective lens 204 and the light transmitting portion 105.
  • red fluorescence 206 emitted from the diamond 202 is detected as an optical nuclear magnetic resonance measurement signal via the light transmitting portion 105 and the objective lens 204.
  • the measurement sample 201 is removed from the diamond 202 and a different measurement sample is placed on the diamond 202, as in flow F47. After that, it is possible to move on to optical nuclear magnetic resonance measurement in flow F46 without re-executing flow F42.
  • Figure 5 is a flow diagram showing the execution sequence of optical nuclear magnetic resonance measurement when using a conventional microwave irradiation substrate (i.e., a microwave irradiation substrate that does not have a light-transmitting portion 105).
  • a conventional microwave irradiation substrate i.e., a microwave irradiation substrate that does not have a light-transmitting portion 105.
  • flow F51 diamond 303 is placed on microwave irradiation substrate 304.
  • measurement sample 302 is placed on the surface of diamond 303.
  • the position of objective lens 301 is adjusted so that light with a wavelength of approximately 532 nm is focused on the surface of diamond 303.
  • magnet 308 for applying a static magnetic field is placed in the desired position.
  • microwaves are supplied, and in this process microwaves 307 are irradiated onto diamond 303.
  • microwaves 307 are irradiated onto diamond 303.
  • light 305 with a wavelength of approximately 532 nm is irradiated onto diamond 303 via measurement sample 302, and red fluorescence 306 emitted from diamond 303 is collected by objective lens 301 via measurement sample 302 and detected as a signal for optical nuclear magnetic resonance measurement.
  • the measurement sample 302 is limited to a form that transmits light 305 with a wavelength of approximately 532 nm and red fluorescence 306, such as a liquid or thin film.
  • the adjustment work of the objective lens 204 accompanying the replacement of the measurement sample 201 is not required.
  • the measurement sample 201 can be replaced without moving the objective lens 204.
  • the thickness of the measurement sample 201 is not limited by the working distance of the objective lens 204.
  • the component analysis device can be configured to enable optical nuclear magnetic resonance measurement for a measurement sample 201 having any thickness (for example, as shown in FIG. 2, a thickness of at least 0.1 nm, a thickness of at least 1 nm, a thickness of at least 10 nm, a thickness of at least 100 nm, a thickness of at least 1 ⁇ m, a thickness of at least 10 ⁇ m, a thickness of at least 100 ⁇ m, a thickness of at least 1 mm, a thickness of at least 10 mm, a thickness of at least 100 mm, etc.).
  • any thickness for example, as shown in FIG. 2, a thickness of at least 0.1 nm, a thickness of at least 1 nm, a thickness of at least 10 nm, a thickness of at least 100 nm, a thickness of at least 1 ⁇ m, a thickness of at least 10 ⁇ m, a thickness of at least 100 ⁇ m, a thickness of at least 1 mm, a thickness of at least 10
  • the measurement sample 201 is not limited to being optically transparent.
  • the wavelength of the laser light is 532 nm
  • it can be configured so that optical nuclear magnetic resonance measurement is possible for any measurement sample 201 having a reflectance of the laser light ranging from 0% to 100%, as shown in FIG. 2.
  • the reflectance of the laser light by the measurement sample 201 can be at least 1%, at least 3%, at least 10%, at least 30%, at least 50%, at least 90%, at least 99%, etc. In this way, the restrictions on the material of the measurement sample 201 are relaxed.
  • microwave emission characteristics of the microwave irradiation substrate 101 of this embodiment will be specifically described.
  • Figure 6 shows the relationship between the frequency of the microwaves introduced from the power supply point 106 through the electrode 103 to the microwave irradiation substrate 101 and the intensity of the microwaves emitted from the light transmitting portion 105 of the microwave irradiation substrate 101 accordingly.
  • the length 601 from the power supply point 106 to the center of the loop 104 is 31.5 mm
  • the gap 602 between the two electrodes 103 and between the two wirings 102 is 0.125 mm
  • the size 603 of the electrode 103 is 2 mm x 3 mm
  • the thickness 604 of the wiring 102 is 0.125 mm
  • the inner diameter 605 of the loop 104 is 0.75 mm
  • the size 606 of the microwave irradiation substrate 101 is 60 mm x 7 mm
  • the thickness 607 of the microwave irradiation substrate 101 is 0.2 mm.
  • FIG. 6 shows a reference line 401 for microwave intensity.
  • Reference line 401 is a line indicating the minimum required value (2.5 Gauss) for the microwave intensity emitted from light transmitting portion 105 in measurements using the optical nuclear magnetic resonance apparatus according to this embodiment. It can be seen from Figure 6 that when microwave irradiation substrate 101 is used, the microwave intensity emitted from light transmitting portion 105 greatly exceeds 2.5 Gauss indicated by reference line 401.
  • FIG. 7 shows the relationship between the microwave wavelength and the length 601 from the power feed point to the center of the loop when the microwave intensity emitted from the light transmitting portion 105 is at its maximum.
  • the R2 value was 0.9998, which is close to 1. That is, according to FIG. 7, it can be seen that the length 601 and the microwave wavelength when the microwave intensity emitted from the light transmitting portion 105 is at its maximum are in a proportional relationship with zero intercept. This is because, when microwaves are introduced from the power feed point 106 into this microwave irradiating substrate 101, standing waves of microwaves are generated within the range of the length 601.
  • the wavelength of the microwaves on the microwave irradiation substrate 101 is the wavelength of the microwaves introduced from the electrode 103 multiplied by the wavelength shortening rate determined from the dielectric constant and thickness 607 of the microwave irradiation substrate 101.
  • the frequency of the microwaves is proportional to the inverse of the wavelength of the microwaves. Therefore, it can be seen that the frequency of the introduced microwaves when the intensity of the microwaves emitted from the light transmitting portion 105 in the microwave irradiation substrate 101 is at its maximum is determined only by the length 601 and the dielectric constant and thickness 607 of the microwave irradiation substrate 101, and does not depend on the gap 602, size 603, thickness 604, inner diameter 605, or size 606.
  • the dielectric constant and thickness 607 of the microwave irradiation substrate 101 are constant, by changing the length 601, it is possible to change the frequency of the microwaves introduced when the intensity of the microwaves emitted from the light transmitting portion 105 is at its maximum to any value.
  • the frequency of the microwaves used in optical nuclear magnetic resonance measurement is, for example, about 1 GHz to 5 GHz, so the frequency of the microwaves emitted from the light transmitting portion 105 may also be, for example, about 1 GHz to 5 GHz. Therefore, the length 601 and the dielectric constant and thickness 607 of the microwave irradiation substrate 101 may be values that generate microwave standing waves within this range, and are not necessarily limited to the values mentioned above (length 601 is 31.5 mm, thickness 607 is 0.2 mm).
  • Figure 8 is a graph showing the relationship between the maximum microwave intensity emitted from the light transmitting portion 105 and the thickness 604.
  • the length 601 is 31.5 mm
  • the gap 602 is 0.125 mm
  • the size 603 is 2 mm x 3 mm
  • the inner diameter 605 is 0.75 mm
  • the size 606 is 60 mm x 7 mm
  • the thickness 607 is 0.2 mm.
  • Figure 9 is a graph showing the relationship between the maximum microwave intensity emitted from the light transmitting portion 105 and the gap 602.
  • the length 601 is 31.5 mm
  • the size 603 is 2 mm x 3 mm
  • the thickness 604 is 0.125 mm
  • the inner diameter 605 is 0.75 mm
  • the size 606 is 60 mm x 7 mm
  • the thickness 607 is 0.2 mm.
  • gap 602 the greater the intensity of the emitted microwaves. This is because standing waves of microwaves are generated in this gap, and so the smaller the gap 602, the stronger the electric field between the opposing wirings 102 and the electric field between the opposing electrodes 103. Therefore, the smaller the value of gap 602, the better.
  • Figure 10 is a graph showing the relationship between the maximum microwave intensity emitted from the light transmitting portion 105 and the inner diameter 605 of the light transmitting portion 105.
  • the microwave frequency is 2.65 GHz
  • the length 601 is 31.5 mm
  • the gap 602 is 0.125 mm
  • the size 603 is 2 mm x 3 mm
  • the width 604 is 0.125 mm
  • the size 606 is 60 mm x 7 mm
  • the thickness 607 is 0.2 mm.
  • the size 603 of the electrode 103 can be any value, but in order to form the power supply point 106 on the electrode 103, it is necessary to connect a connector 207 via wiring from a microwave power source to the electrode 103.
  • the size 603 only needs to be large enough to allow the connector 207 to be connected.
  • another microwave introduction method such as wire bonding is selected without using the connector 207, it is possible to further reduce the size 603.
  • the size 606 of the microwave irradiation substrate 101 can be any value, as long as it is large enough to contain a circuit made of copper, and is not necessarily limited to 60 mm x 7 mm.
  • a microwave irradiation substrate that solves the problems of the conventional technology. That is, a microwave irradiation substrate for optical nuclear magnetic resonance is provided that can be mounted on an optical nuclear magnetic resonance device and that can realize an arrangement of measurement sample-diamond-microwave irradiation substrate-objective lens. Also provided is a microwave irradiation substrate for optical nuclear magnetic resonance that can transmit light of approximately 532 nm and red fluorescence emitted from the NV center, and can irradiate microwaves onto diamond. Furthermore, a microwave irradiation substrate for optical nuclear magnetic resonance is provided that does not require adjustment of the objective lens each time the measurement sample is replaced.
  • the microwave irradiation substrate according to this embodiment achieves an arrangement of measurement sample - diamond - microwave irradiation substrate - objective lens, rather than the conventional arrangement of objective lens - measurement sample - diamond - microwave irradiation substrate.
  • This allows light with a wavelength of approximately 532 nm irradiated through the objective lens to reach the NV center in the diamond near the measurement sample without being blocked by the measurement sample.
  • the red fluorescence emitted from this NV center can also reach the objective lens without being blocked by the measurement sample.
  • the thickness of the measurement sample is not limited by the working distance of the objective lens, making it possible to use thicker measurement samples. Furthermore, since there is no need to change the objective lens height when changing measurement samples, there is no need to adjust the objective lens for each measurement sample.
  • Microwave irradiation substrate 102 Wiring 103: Electrode 104: Loop 105: Light transmitting portion 106: Power supply point 201: Measurement sample 202: Diamond 204: Objective lens 205: Light (laser light) with a wavelength of about 532 nm 206...Red fluorescence 207...Connector 208...Microwave 209...Magnet for applying static magnetic field 401...Reference line for microwave intensity 601...Length from power supply point to center of loop 602...Gap between two electrodes and between two wires 603...Size of electrode 604...Thickness of wire 605...Inner diameter of loop 606...Size of microwave irradiation substrate 607...Thickness of microwave irradiation substrate All publications, patents and patent applications cited in this specification are hereby incorporated by reference in their entirety.

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Abstract

光学的核磁気共鳴現象を用いた成分分析装置において、より広範な構成を有する試料を測定可能とし、また、試料を交換する際に対物レンズの調整を不要とする。　光学的核磁気共鳴現象を用いた成分分析装置は、電子スピン共鳴現象を起こすＮＶセンタ上の電子スピンを有するダイヤモンドと、前記ダイヤモンドを配置するとともに、前記ダイヤモンドにマイクロ波を照射するマイクロ波照射基板と、レーザ光を前記ダイヤモンドに照射させ、かつ、前記レーザ光の照射に応じて前記ＮＶセンタから放出される蛍光を検出させるための対物レンズと、前記ＮＶセンタに静磁場を印加するための磁石と、を備え、前記マイクロ波照射基板は、前記レーザ光および前記蛍光を透過させる光透過部を有する。

Description

成分分析装置
　本発明は成分分析装置に関し、とくに光学的核磁気共鳴現象を用いるものに関する。
　近年、ダイヤモンドを用いた光学的核磁気共鳴技術が提案された。ダイヤモンド中に存在する窒素－空孔の複合欠陥（ＮＶセンタと呼ばれる）上に存在する電子スピンは、波長約５３２ｎｍの光を吸収した際に、赤色の蛍光を放出する性質がある。また、この電子スピンは、外部からの印加静磁場がない場合には、約２．８７ＧＨｚのマイクロ波を照射すると、このマイクロ波を吸収して励起状態になる。これに伴い、波長約５３２ｎｍの光を照射した際に放出される赤色の蛍光の強度は減少する。これは電子スピン共鳴現象と呼ばれる。
　一方、外部から静磁場が印加されている場合には、吸収するマイクロ波の周波数が、その印加静磁場の値に応じて変化するため、電子スピン共鳴現象が起こるマイクロ波の周波数が約２．８７ＧＨｚから変化する。よって、波長約５３２ｎｍの光を照射した際の赤色の蛍光の強度の、照射するマイクロ波の周波数依存性を測定することで、ダイヤモンドのＮＶセンタが感じている磁場の強度を定量化できる。
　さらに、マイクロ波および波長約５３２ｎｍの照射光を、時間的に連続な照射ではなく、パルス的な照射にすることで、磁場強度をより高感度に検出することができる。また、このパルス照射法を用いると、静磁場だけではなく、特定の周波数の交流磁場を選択的に検出することが可能となる。
　ここで、ダイヤモンドのＮＶセンタ付近に水素やフッ素などを含む分子が存在する場合、その水素やフッ素などの原子核が形成する交流の核磁場が検出される。この核磁場の検出が核磁気共鳴法であり、本明細書では、これを他の核磁気共鳴法（通常のまたは旧来の核磁気共鳴法）と区別するために、光学的核磁気共鳴法と記載する。光学的核磁気共鳴法では、検出した交流の核磁場の時間変化を周波数に変換することで、核磁場の周波数を算出することができる。この周波数から、水素やフッ素などを含む分子の分子構造を決定することができる。また、検出した核磁場の大きさから、分子の存在量を定量化することが可能となる。この光学的核磁気共鳴法は、他の核磁気共鳴法よりも検出感度が優れていることが知られている。
　非特許文献１には、マイクロ波を放出する回路基板上に、ＮＶセンタを含むダイヤモンドを配置し、そのダイヤモンド上に水素を含む液体の測定試料を設置し、その測定試料の直上に配置した対物レンズを介して波長約５３２ｎｍの光を照射して、ダイヤモンドのＮＶセンタから放出される赤色の蛍光もその対物レンズを介して検出することで、測定試料中の水素原子核が形成する核磁場を検出する光学的核磁気共鳴の配置図が記載されている。
　非特許文献１では、液体の測定試料を用いることで、直上の対物レンズから測定試料を透過させて直下のＮＶセンタに波長約５３２ｎｍの光を照射し、そのＮＶセンタから放出される赤色の蛍光をやはり測定試料を透過させて対物レンズを介して検出する。
「Construction and operation of a tabletop system for nanoscale magnetometry with single nitrogen-vacancy centers in diamond」、AIP Advances 10, 025206(2020)、全文
　しかしながら、従来の技術では、測定可能な試料の構成が限定されるという課題があった。また、従来の技術では、試料を交換する都度、対物レンズの調整が必要となるという課題があった。
　たとえば、従来の光学的核磁気共鳴法においては、測定試料は、約５３２ｎｍの光および赤色の蛍光を透過させる形態である液体や、光学的に透明に近い薄膜試料に限定されている。
　つまり従来の光学的核磁気共鳴法の検出配置では、一般的な樹脂などの固体試料の測定が難しい。これは、樹脂などの固体試料は一般的に光学的に不透明なため、測定試料直上に配置した対物レンズを介して照射される波長約５３２ｎｍの光は、測定試料によって遮られてしまい、測定試料直下、かつダイヤモンド中に存在するＮＶセンタまで到達できず、ＮＶセンタが赤色の蛍光を放出しないためである。
　さらに、従来の光学的核磁気共鳴法の検出配置（ダイヤモンド上に設置した測定試料の直上に対物レンズを配置する）では、対物レンズの作動距離によりダイヤモンド表面と対物レンズとの距離が限定されてしまう。そのため、測定試料の厚みは、そのダイヤモンドと対物レンズ間の距離よりも小さくする必要があり、測定試料の形態が限定されてしまう。
　また、従来の光学的核磁気共鳴法の検出配置では、測定試料を交換する際には対物レンズの高さを変更し、測定試料から遠ざける必要がある。そのため、新しい測定試料を乗せた後に、対物レンズと測定試料との間の距離を再度調整する必要があるため試料交換に時間がかかる。また、調整の度合いによって容易に検出感度が低下しうる。
　以上のように、従来の光学的核磁気共鳴法では、より広範囲の材質を有する測定試料、または、より厚い測定試料を測定対象とすることができず、また、測定試料交換時の対物レンズの高さ調節が必要となる。
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、光学的核磁気共鳴現象を用いた成分分析装置において、より広範な構成を有する試料を測定可能とし、また、試料を交換する際に対物レンズの調整を不要とすることにある。
　本発明に係る成分分析装置の一例は、ダイヤモンドにマイクロ波を照射するマイクロ波照射基板を備え、マイクロ波照射基板は、レーザ光および蛍光を透過させる光透過部を有する。
　本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2022-195770号の開示内容を包含する。
　本発明に係る、光学的核磁気共鳴現象を用いた成分分析装置によれば、より広範な構成を有する試料が測定可能であり、また、試料を交換する際に対物レンズの調整は不要である。
本発明の実施形態１に係るマイクロ波照射基板の構造を示す説明図である。 実施形態１における各構成要素の配置順序を示す説明図である。 従来のマイクロ波照射基板を用いた際の、各構成要素の配置順序を示す説明図である。 図１のマイクロ波照射基板を用いた際の、光学的核磁気共鳴測定の実行順序を示すフロー図である。 従来のマイクロ波照射基板を用いた際の、光学的核磁気共鳴測定の実行順序を示すフロー図である。 図１のマイクロ波照射基板の光透過部から放出されるマイクロ波強度と、導入されるマイクロ波周波数の関係を示すグラフである。 図１のマイクロ波照射基板の光透過部から放出されるマイクロ波強度が最大となる時の、マイクロ波波長と給電点からループ中心までの長さとの関係のグラフである。 図１のマイクロ波照射基板の光透過部から放出されるマイクロ波強度の最大値と配線太さとの関係を示すグラフである。 図１のマイクロ波照射基板の光透過部から放出されるマイクロ波強度の最大値と、対向する配線および電極間の距離との関係を示すグラフである。 図１のマイクロ波照射基板の光透過部から放出されるマイクロ波強度の最大値と光透過部の内径の関係を示すグラフである。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
［実施形態１］
　実施形態１に係る、光学的核磁気共鳴現象を用いた成分分析装置では、光学的核磁気共鳴装置に設置された、光透過部を備えたマイクロ波照射基板を用いて、測定試料－ダイヤモンド－マイクロ波照射基板－対物レンズ、という順序の配置が準備される。
　本実施形態によれば、対物レンズを動かすことなく、測定試料のダイヤモンド上への設置が可能となる。
　本実施形態によれば、対物レンズを介して照射される波長約５３２ｎｍの光およびダイヤモンド中のＮＶセンタから放出される赤色の蛍光は、マイクロ波照射基板の光透過部を透過しうる。また、マイクロ波照射基板の光透過部からはダイヤモンド中のＮＶセンタに照射されるマイクロ波が放出される。
　したがって、本実施形態によれば、測定試料－ダイヤモンド－マイクロ波照射基板－対物レンズ、という順序の配置が実現できるため、より厚くより広範な光学特性を有する測定試料の測定が可能となり、かつ、試料交換時の対物レンズの調整も不要となる。そのため、光学的核磁気共鳴で測定できる試料の形態が拡大するとともに、対物レンズの調整に伴う測定値のバラツキを低減することができ、光学的核磁気共鳴測定の応用拡大と測定データの信頼性の向上につながる。
　なお、本実施形態で用いるマイクロ波照射基板の基板材質はＦＲ－４（ガラスエポキシ材料）を用いているが、他の材料、例えばアルミナや窒化ケイ素でも問題はない。また、マイクロ波照射基板上に形成する配線部および電極部およびループ部の材料として銅を用いているが、金や他の金属でもよい。さらに、光透過部は開口であってもよいし、ガラスなどの波長約５３２ｎｍの光や赤色の蛍光を透過させる材料を用いてもよい。さらにまた、測定試料、ダイヤモンド、マイクロ波照射基板および対物レンズの配置は、この順序の配置であれば配列方向は問わない。たとえば、必ずしも測定試料を最上に配置する必要はなく、対物レンズが上方に配置されてもよい。
　以下、図１～図１０を用いて、実施形態１に係るより具体的な構成について説明する。まず、図１について説明する。図１は、実施形態１に係るマイクロ波照射基板の構造を示す説明図である。
　成分分析装置は、マイクロ波照射基板１０１を備える。マイクロ波照射基板１０１は導電部を備え、導電部は、配線１０２、一対の電極１０３、ループ１０４、給電点１０６を含む。一対の電極１０３は、配線１０２およびループ１０４を介して互いに接続される。このような導電部を備えることにより、マイクロ波を放射することが可能となる。また、マイクロ波照射基板１０１は光透過部１０５を有する。
　ここで、本実施形態においては、電極１０３に正負の区別はない。また、ループ１０４の形状は、マイクロ波の放射ムラを低減するため円形（たとえば真円形状。より厳密には円弧状部分を有する形状）とすることが望ましいが、かならずしもその必要はなく、四角形やひし形など、他の構造であってもよい。また、配線１０２は、電極１０３から給電点１０６を介して導入されるマイクロ波の導波路となる。配線１０２の形状は、折れていたり曲がっていたりすると導入するマイクロ波の不要反射が起こりうるため、望ましくは直線形状がよい。
　次に、図２について説明する。図２は、実施形態１における各構成要素の配置順序を示す説明図である。マイクロ波照射基板１０１に関して、測定試料２０１－ダイヤモンド２０２－マイクロ波照射基板１０１－対物レンズ２０４、という順序でこれらが配置されている。
　マイクロ波照射基板１０１はダイヤモンド２０２を配置するための構造として用いられ、ダイヤモンド２０２にマイクロ波を照射する。また、ダイヤモンド２０２は、測定試料２０１が載置可能となるよう構成される。このような構成によれば、測定試料２０１を載置するための他の構造等は不要である。
　図示しないレーザ光源から、波長約５３２ｎｍの光２０５（レーザ光）が発せられる。対物レンズ２０４は、波長約５３２ｎｍの光２０５をダイヤモンド２０２に照射させる。対物レンズ２０４を介して照射される波長約５３２ｎｍの光２０５は、光透過部１０５を介して、ダイヤモンド２０２中のＮＶセンタに照射される。ここで、光透過部１０５は、波長約５３２ｎｍの光２０５を透過させる。
　ダイヤモンド２０２は、電子スピン共鳴現象を起こすＮＶセンタ上の電子スピンを有する。波長約５３２ｎｍの光２０５の照射に応じて、ＮＶセンタから赤色の蛍光２０６が放出される。赤色の蛍光２０６は、たとえば波長が６００ｎｍ～７００ｎｍの範囲内であるが、これに限らない。また、変形例においては、赤色でない蛍光が放出されてもよい。
　光透過部１０５は、赤色の蛍光２０６を透過させる。赤色の蛍光２０６は、光透過部１０５を透過した後、対物レンズ２０４を介し、図示しない検出装置により検出される。このように、対物レンズ２０４は、赤色の蛍光２０６を検出装置に検出させる。
　コネクタ２０７は、電極１０３上に給電点１０６を形成するためのものである。コネクタ２０７に代えて他の構造を用いてもよく、ワイヤーボンディングなどにより給電点１０６を形成できるものであればよい。また、光透過部１０５を介して、ダイヤモンド２０２に対して、マイクロ波２０８が照射される。
　ここで、ダイヤモンド２０２の配置については、その中心が光透過部１０５の中心と一致している必要はなく、対物レンズ２０４からの波長約５３２ｎｍの光２０５がダイヤモンド２０２に照射される配置であればよい。ただし、波長約５３２ｎｍの光２０５と、マイクロ波２０８は、ダイヤモンド２０２の同じ領域（測定対象領域）に同時に照射される。このような同時照射により、ＮＶセンタにおいて電子スピン共鳴現象を起こすことができる。
　以上述べた配置に加え、成分分析装置は、ＮＶセンタに静磁場を印加するための静磁場印加用磁石２０９を備える。静磁場印加用磁石２０９は、ダイヤモンド２０２の近傍に設置されており、これによって光学的核磁気共鳴測定が可能となる。ここで、静磁場印加用磁石２０９は必ずしも永久磁石である必要はなく、電磁石を用いてもよい。
　次に、図３について説明する。図３は、従来のマイクロ波照射基板を用いた際の、各構成要素の配置順序を示す説明図である。対物レンズ３０１－測定試料３０２－ダイヤモンド３０３－マイクロ波照射基板３０４、という順序でこれらが配置される。
　対物レンズ３０１を介して照射される波長約５３２ｎｍの光３０５は、測定試料３０２を透過して、ダイヤモンド３０３中のＮＶセンタに照射される。ＮＶセンタから放出される赤色の蛍光３０６は測定試料３０２を透過して、対物レンズ３０１を介して検出される。
　マイクロ波照射基板３０４上にはマイクロ波３０７を放出できる回路、例えばコプレーナ型回路などが形成されており、波長約５３２ｎｍの光３０５とマイクロ波３０７はダイヤモンド３０３上の同じ位置に照射される。
　以上述べた配置に加え、静磁場印加用磁石３０８がダイヤモンド３０３の近傍に設置されており、光学的核磁気共鳴測定が可能となる。
　ここで、すでに述べたように、従来の構成で測定可能な測定試料３０２は、波長約５３２ｎｍの光３０５及び赤色の蛍光３０６を透過させうる、液体試料もしくは薄膜試料に限定される。
　次に、図４について説明する。図４は、実施形態１におけるマイクロ波照射基板を用いた際の、光学的核磁気共鳴測定の実行順序を示すフロー図である。
　フローＦ４１ではダイヤモンド２０２をマイクロ波照射基板１０１の光透過部１０５の上に設置する。フローＦ４２では対物レンズ２０４の位置を調整して、ダイヤモンド２０２に波長約５３２ｎｍの光２０５の焦点が来るように設定する。続いて、フローＦ４３では測定試料２０１をダイヤモンド２０２の表面に配置する。フローＦ４４では静磁場印加用磁石２０９を所望の位置に配置する。
　フローＦ４５ではコネクタ２０７を介して給電点１０６にマイクロ波を給電し、その工程によって光透過部１０５からダイヤモンド２０２に対してマイクロ波２０８が照射される。続いてフローＦ４６にて、波長約５３２ｎｍの光２０５を、対物レンズ２０４および光透過部１０５を介してダイヤモンド２０２に対して照射する。この際に、ダイヤモンド２０２から放出される赤色の蛍光２０６を、光学的核磁気共鳴測定の信号として光透過部１０５と対物レンズ２０４を介して検出する。
　光学的核磁気共鳴測定終了後に、引き続き測定試料２０１を替えて再度光学的核磁気共鳴測定を行う場合には、フローＦ４７のように、測定試料２０１をダイヤモンド２０２から取り除き、別の測定試料をダイヤモンド２０２に設置すればよい。その後は、フローＦ４２を再実行することなく、フローＦ４６の光学的核磁気共鳴の測定に移ることができる。
　なお、ここでフローＦ４２、フローＦ４３、フローＦ４４の順序を変えてもよい。
　次に、図５について説明する。図５は、従来のマイクロ波照射基板（すなわち、光透過部１０５を備えていないマイクロ波照射基板）を用いた際の、光学的核磁気共鳴測定の実行順序を示すフロー図である。
　フローＦ５１ではダイヤモンド３０３をマイクロ波照射基板３０４の上に設置する。フローＦ５２では測定試料３０２をダイヤモンド３０３の表面に配置する。続くフローＦ５３では対物レンズ３０１の位置を調整して、ダイヤモンド３０３の表面に波長約５３２ｎｍの光の焦点が来るように設定する。フローＦ５４では静磁場印加用磁石３０８を所望の位置に配置する。
　フローＦ５５ではマイクロ波を給電し、その工程によってダイヤモンド３０３に対してマイクロ波３０７が照射される。続きフローＦ５６では波長約５３２ｎｍの光３０５を測定試料３０２を介してダイヤモンド３０３に対して照射し、ダイヤモンド３０３から放出される赤色の蛍光３０６を、光学的核磁気共鳴測定の信号として測定試料３０２を介して対物レンズ３０１で集光し、検出する。
　続いて、測定試料３０２を替えて、再び光学的核磁気共鳴測定を行う手順について説明する。フローＦ５７のように、対物レンズ３０１を測定試料３０２から遠ざけた上で測定試料３０２をダイヤモンド３０３から取り除く。その後のフローＦ５８においては、新たな測定試料３０２をダイヤモンド３０３に設置する。その後、フローＦ５３に戻り、光学的核磁気共鳴測定を実施する。
　なお、ここで測定試料３０２に関してはすでに述べたように、波長約５３２ｎｍの光３０５と赤色の蛍光３０６を透過する形態、例えば液体や薄膜の形態に限定される。
　以上のように、図５に示す、従来のマイクロ波照射基板を用いた場合のフローにおいては、測定試料３０２の形態に制限が生じる（たとえばフローＦ５３等において）。また、測定試料交換時に、対物レンズ３０１の光学的な配置調整が必要となるため（たとえばフローＦ５３およびＦ５７等において）、測定試料毎に検出感度のバラツキが生じる可能性が高く、光学的核磁気共鳴測定の信号品質低下につながる。
　一方、実施形態１に係る図４のような光学的核磁気共鳴の測定プロトコルにおいては、測定試料２０１の交換に伴う対物レンズ２０４の調整作業が不要となる。言い換えると、対物レンズ２０４を移動させることなく、測定試料２０１の交換が可能である。また、測定試料２０１の厚みが対物レンズ２０４の作動距離に制限されない。
　たとえば、実施形態１に係る成分分析装置は、任意の厚さ（たとえば図２に示すように少なくとも０．１ｎｍの厚さ、少なくとも１ｎｍの厚さ、少なくとも１０ｎｍの厚さ、少なくとも１００ｎｍの厚さ、少なくとも１μｍの厚さ、少なくとも１０μｍの厚さ、少なくとも１００μｍの厚さ、少なくとも１ｍｍの厚さ、少なくとも１０ｍｍの厚さ、少なくとも１００ｍｍの厚さ、等）を有する測定試料２０１に対して、光学的核磁気共鳴測定が可能となるように構成することができる。このように、測定試料２０１の厚みに対する制限が緩和される。
　さらに、測定試料２０１は光透過性を有するものに限定されない。たとえば、レーザ光の波長が５３２ｎｍである場合に、図２に示すようにレーザ光の反射率が０％から１００％までのいかなる測定試料２０１に対しても光学的核磁気共鳴測定が可能となるように構成することができる。すなわち、測定試料２０１によるレーザ光の反射率は、少なくとも１％、少なくとも３％、少なくとも１０％、少なくとも３０％、少なくとも５０％、少なくとも９０％、少なくとも９９％、等とすることができる。このように、測定試料２０１の材質に対する制限が緩和される。
　このように、光透過部１０５を有するマイクロ波照射基板１０１を用いて、測定試料２０１－ダイヤモンド２０２－マイクロ波照射基板１０１－対物レンズ２０４、の順序の配置を実現することで、光学的核磁気共鳴で測定しうる試料形態が拡大できるとともに、測定試料ごとの検出感度バラツキも抑制することができ、光学的核磁気共鳴測定データの信頼性向上につながる。
　続いて、本実施形態のマイクロ波照射基板１０１の、マイクロ波放出特性を具体的に説明する。
　まず、図６について説明する。図６に、給電点１０６から電極１０３を介してマイクロ波照射基板１０１に導入するマイクロ波の周波数と、それに伴いマイクロ波照射基板１０１の光透過部１０５から放出されるマイクロ波の強度との関係を示す。
　ここで、上記図１に示すように、給電点１０６からループ１０４の中心までの長さ６０１は３１．５ｍｍであり、２つの電極１０３間、および２本の配線１０２間の間隙６０２は０．１２５ｍｍであり、電極１０３の大きさ６０３は２ｍｍ×３ｍｍであり、配線１０２の太さ６０４は０．１２５ｍｍであり、ループ１０４の内径６０５は０．７５ｍｍであり、マイクロ波照射基板１０１の大きさ６０６は６０ｍｍ×７ｍｍであり、マイクロ波照射基板１０１の厚さ６０７は０．２ｍｍであるとする。
　図６からは、導入するマイクロ波の周波数が２．６５ＧＨｚの時に、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度が最大になることがわかる。
　図６に、マイクロ波強度における基準線４０１を示す。基準線４０１は、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度が、本実施形態に係る光学的核磁気共鳴装置を用いた測定において最低限必要となる値（２．５ガウス）を示す線である。図６からは、マイクロ波照射基板１０１を用いた場合に、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度が、基準線４０１が示す２．５ガウスを大きく超えていることが分かる。
　次に、図７について説明する。図７に、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度が最大となる時の、マイクロ波波長と給電点からループ中心までの長さ６０１との関係を示す。このグラフを切片ゼロの一次直線でフィッティングしたところ、Ｒ２値は０．９９９８となり、１に近い値となった。すなわち、図７によれば、長さ６０１と、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度が最大になる時のマイクロ波の波長とは、切片ゼロの比例の関係にあることが分かる。これは、このマイクロ波照射基板１０１は、マイクロ波を給電点１０６から導入した際に、長さ６０１の範囲にマイクロ波の定在波が生じるためである。
　マイクロ波照射基板１０１上でのマイクロ波の波長は、電極１０３から導入したマイクロ波の波長に、マイクロ波照射基板１０１の誘電率と厚さ６０７から決定される波長短縮率を乗じたものである。また、マイクロ波の周波数は、そのマイクロ波の波長の逆数に比例する。そのため、マイクロ波照射基板１０１において、光透過部１０５から放出されるマイクロ波の強度が最大になる時の、導入したマイクロ波の周波数は、長さ６０１とマイクロ波照射基板１０１の誘電率および厚さ６０７のみで決定されるものであり、間隙６０２、大きさ６０３、太さ６０４、内径６０５、大きさ６０６には依存しないことがわかる。
　よって、マイクロ波照射基板１０１の誘電率及び厚さ６０７を一定にした場合、長さ６０１を変えることで、光透過部１０５から放出されるマイクロ波の強度が最大になる時の、導入されるマイクロ波の周波数を任意の値に変化させることができる。
　光学的核磁気共鳴測定に用いるマイクロ波の周波数は、たとえば１ＧＨｚから５ＧＨｚ程度であるから、光透過部１０５から放出されるマイクロ波の周波数も、たとえば同じく１ＧＨｚから５ＧＨｚ程度であればよい。よって、長さ６０１とマイクロ波照射基板１０１の誘電率および厚さ６０７は、この範囲内のマイクロ波の定在波が発生する値であればよく、必ずしも上述した値（長さ６０１が３１．５ｍｍ、厚さ６０７が０．２ｍｍ）には限定されない。
　次に、図８について説明する。図８は、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度の最大値と、太さ６０４との関係を示すグラフである。ここで、長さ６０１を３１．５ｍｍ、間隙６０２を０．１２５ｍｍ、大きさ６０３を２ｍｍ×３ｍｍ、内径６０５を０．７５ｍｍ、大きさ６０６を６０ｍｍ×７ｍｍ、厚さ６０７を０．２ｍｍとした。
　太さ６０４の値が小さくなるほど、放出されるマイクロ波の強度が増加することがわかる。そのため、太さ６０４の値は小さいほどよいが、マイクロ波を導入した時に発生するジュール熱で破損しない程度の太さとすると好適である。
　次に、図９について説明する。図９は、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度の最大値と、間隙６０２との関係を示すグラフである。ここで、長さ６０１を３１．５ｍｍ、大きさ６０３を２ｍｍ×３ｍｍ、太さ６０４を０．１２５ｍｍ、内径６０５を０．７５ｍｍ、大きさ６０６を６０ｍｍ×７ｍｍ、厚さ６０７を０．２ｍｍとした。
　間隙６０２の値が小さいほど、放出されるマイクロ波の強度が増加することが分かる。これは、マイクロ波の定在波はこの間隙の中に発生するため、間隙６０２が小さいほど対向する配線１０２の間の電界、および対抗する電極１０３の間の電界が強くなるためである。そのため、間隙６０２の値は小さいほどよい。
　次に、図１０について説明する。図１０は、光透過部１０５から放出されるマイクロ波強度の最大値と、光透過部１０５の内径６０５との関係を示すグラフである。ここで、マイクロ波周波数を２．６５ＧＨｚ、長さ６０１を３１．５ｍｍ、間隙６０２を０．１２５ｍｍ、大きさ６０３を２ｍｍ×３ｍｍ、太さ６０４を０．１２５ｍｍ、大きさ６０６を６０ｍｍ×７ｍｍ、厚さ６０７を０．２ｍｍとした。
　内径６０５の値が小さいほど、放出されるマイクロ波の強度が増加することがわかる。これは、この内径６０５が小さいほど、光透過部１０５の領域内の電界が強くなるためである。そのため、マイクロ波の強度の観点からは内径６０５は小さいほどよい。一方で、対物レンズ２０４を介して照射されて、マイクロ波照射基板１０１を透過して、ダイヤモンド２０２上で焦点を結ぶ波長約５３２ｎｍの光２０５が遮られない程度に、内径６０５を大きくすると好適である。
　なお、電極１０３の大きさ６０３の値は任意であるが、電極１０３上に給電点１０６を形成するためには、電極１０３上にマイクロ波電源からの配線を介したコネクタ２０７を接続する必要がある。大きさ６０３はそのコネクタ２０７が接続できる程度の大きさであればよい。また、コネクタ２０７を用いずに、ワイヤーボンディング等他のマイクロ波導入法を選択すればさらに大きさ６０３を小さくすることが可能となる。
　マイクロ波照射基板１０１の大きさ６０６の値は任意であり、銅で形成した回路を内部に含められる大きさであればよく、必ずしも６０ｍｍ×７ｍｍに限定されない。
　以上、本発明の実施形態１に係るマイクロ波照射基板１０１の効果と構造について説明した。これらの説明から、本実施形態の効果として、測定試料－ダイヤモンド－マイクロ波照射基板－対物レンズ、の配置を実現でき、光学的核磁気共鳴における測定試料の形態の拡大が図れること、また、測定フローの短縮ができることによって光学的核磁気共鳴測定データの質の向上が図れることが明らかである。
　本実施形態によれば、従来技術の課題を解決するマイクロ波照射基板が提供される。すなわち、光学的核磁気共鳴法の装置に搭載でき、測定試料－ダイヤモンド－マイクロ波照射基板－対物レンズ、の配置を実現しうる光学的核磁気共鳴用マイクロ波照射基板が提供される。また、約５３２ｎｍの光およびＮＶセンタから放出される赤色の蛍光を透過させることができ、かつダイヤモンドにマイクロ波を照射することができる、光学的核磁気共鳴用マイクロ波照射基板が提供される。さらに、測定試料交換毎の対物レンズの調整を不要とする、光学的核磁気共鳴用マイクロ波照射基板、が提供される。
　本実施形態に係るマイクロ波照射基板の効果の例を説明する。本実施形態に係るマイクロ波照射基板は、従来のような対物レンズ－測定試料－ダイヤモンド－マイクロ波照射基板、の配置ではなく、測定試料－ダイヤモンド－マイクロ波照射基板－対物レンズ、という配置を実現する。これによって、対物レンズを介して照射される波長約５３２ｎｍの光は測定試料にさえぎられることなく、測定試料近傍のダイヤモンド中のＮＶセンタに到達する。また、このＮＶセンタから放出される赤色の蛍光も、測定試料にさえぎられることなく対物レンズに到達できる。
　また、測定試料の厚みが対物レンズの作動距離に制限されることもなく、より厚い測定試料が利用可能となる。さらに、測定試料の交換時に対物レンズ高さを変える必要がないため、測定試料毎の対物レンズの調整が不要となる。
　本発明、本実施例に開示された特徴の組合せは、特許請求の範囲の記載に限定されない。
　１０１…マイクロ波照射基板
　１０２…配線
　１０３…電極
　１０４…ループ
　１０５…光透過部
　１０６…給電点
　２０１…測定試料
　２０２…ダイヤモンド
　２０４…対物レンズ
　２０５…波長約５３２ｎｍの光（レーザ光）
　２０６…赤色の蛍光
　２０７…コネクタ
　２０８…マイクロ波
　２０９…静磁場印加用磁石
　４０１…マイクロ波強度における基準線
　６０１…給電点からループの中心までの長さ
　６０２…２つの電極間、および２本の配線間の間隙
　６０３…電極の大きさ
　６０４…配線の太さ
　６０５…ループの内径
　６０６…マイクロ波照射基板の大きさ
　６０７…マイクロ波照射基板の厚さ
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。

Claims (9)

  1. 　光学的核磁気共鳴現象を用いた成分分析装置であって、
    　前記成分分析装置は、
    　電子スピン共鳴現象を起こすＮＶセンタ上の電子スピンを有するダイヤモンドと、
    　前記ダイヤモンドを配置するとともに、前記ダイヤモンドにマイクロ波を照射するマイクロ波照射基板と、
    　レーザ光を前記ダイヤモンドに照射させ、かつ、前記レーザ光の照射に応じて前記ＮＶセンタから放出される蛍光を検出させるための対物レンズと、
    　前記ＮＶセンタに静磁場を印加するための磁石と、
    を備え、
    　前記マイクロ波照射基板は、前記レーザ光および前記蛍光を透過させる光透過部を有することを特徴とする、
    成分分析装置。
  2. 　請求項１に記載の成分分析装置であって、前記ダイヤモンドは、測定試料が載置可能となるよう構成される、成分分析装置。
  3. 　請求項２に記載の成分分析装置であって、前記測定試料、前記ダイヤモンド、前記マイクロ波照射基板、および前記対物レンズは、この順に配置される、成分分析装置。
  4. 　請求項３に記載の成分分析装置であって、前記対物レンズを移動させることなく前記測定試料の交換が可能である、成分分析装置。
  5. 　請求項１に記載の成分分析装置であって、前記レーザ光および前記マイクロ波は、前記ダイヤモンドの同じ領域に同時に照射される、成分分析装置。
  6. 　請求項２に記載の成分分析装置であって、少なくとも０．１ｎｍの厚さを有する前記測定試料に対して光学的核磁気共鳴測定が可能である、成分分析装置。
  7. 　請求項２に記載の成分分析装置であって、前記レーザ光の波長が５３２ｎｍである場合に、前記レーザ光の反射率が０％から１００％までのいかなる前記測定試料に対しても光学的核磁気共鳴測定が可能である、成分分析装置。
  8. 　請求項１に記載の成分分析装置であって、前記マイクロ波照射基板は導電部を備え、前記導電部は、一対の電極と、配線と、ループとを含む、成分分析装置。
  9. 　請求項８に記載の成分分析装置であって、前記ループは円弧状部分を有する、成分分析装置。
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