磁気共鳴測定装置
【課題】小型化および軽量化を図った磁気共鳴測定装置を提供する。
【解決手段】磁気共鳴測定装置１００は、サンプル１１に磁場を印加する磁石１０２と、サンプル１１と一定関係の位置に配置されたインダクタ１０１と、インダクタ１０１に交流電流を供給する交流電圧源１０３およびオペアンプ１１３と、その交流電流の周波数を変化させる周波数調整部１０４と、変化された周波数ごとに、インダクタ１０１のインダクタンスを計測するインダクタンス計測部１０５と、計測されたインダクタンスの虚部が特徴的な変化傾向を示す周波数に基づいて、サンプル１１の物性値を特定する特性値検出部１０６および物性評価部１０７とを備える。
【解決手段】磁気共鳴測定装置１００は、サンプル１１に磁場を印加する磁石１０２と、サンプル１１と一定関係の位置に配置されたインダクタ１０１と、インダクタ１０１に交流電流を供給する交流電圧源１０３およびオペアンプ１１３と、その交流電流の周波数を変化させる周波数調整部１０４と、変化された周波数ごとに、インダクタ１０１のインダクタンスを計測するインダクタンス計測部１０５と、計測されたインダクタンスの虚部が特徴的な変化傾向を示す周波数に基づいて、サンプル１１の物性値を特定する特性値検出部１０６および物性評価部１０７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する装置として、測定対象物に含まれる、不対電子を持つ原子、分子またはイオンであるフリーラジカルを測定する電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）装置が利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このような電子スピン共鳴装置（以下、単にＥＳＲという）は、電子材料や機能性素材の性能評価、年代測定などに用いられている。また、最近では、ＥＳＲは、生体内の薬の動態の観測や、食物の抗酸化作用の定量化、環境測定などにも広く利用されている。
【０００４】
図７は、上記非特許文献１のＥＳＲの原理を説明するための説明図である。
【０００５】
ＥＳＲ９００は、マイクロ波発振器９０１と、サーキュレータ９０２と、空洞共振器９０３と、電磁石９０４と、検波器９０５と、評価部９０６とを備えている。マイクロ波発振器９０１、空洞共振器９０３および検波器９０５は、導波管９０７を介してサーキュレータ９０２に接続されている。
【０００６】
マイクロ波発振器９０１は、例えば１０ＧＨｚの周波数のマイクロ波（電磁波）を発生する。
【０００７】
サーキュレータ９０２は、マイクロ波発振器９０１から出力され、導波管９０７を介して伝播するマイクロ波の伝播方向を空洞共振器９０３側に向ける。また、サーキュレータ９０２は、空洞共振器９０３から出力され、導波管９０７を介して伝播するマイクロ波の伝播方向を検波器９０５側に向ける。
【０００８】
空洞共振器９０３は、マイクロ波発振器９０１から導波管９０７を介して入力されるマイクロ波を空間内に閉じ込めて共振させる。このような空洞共振器９０３は、そのマイクロ波が共振条件を満たすような寸法に設定されている。また、この空洞共振器９０３の内部には、測定対象物であるサンプル１０がキャピラリ管に封入された状態で挿入される。
【０００９】
電磁石９０４は、サンプル１０に直流の磁場（磁場の強さＨDC）を印加する。この磁場の磁束密度は、例えば数百ｍＴである。
【００１０】
検波器９０５は、空洞共振器９０３から導波管９０７を介して入力されるマイクロ波のエネルギーを検出する。
【００１１】
評価部９０６は、検波器９０５によって検出されたエネルギーに基づいて、測定対象物の磁気共鳴に関する、つまり測定対象物のフリーラジカルに関する物性値を特定し、測定対象物の定量的および定性的な評価を行う。
【００１２】
このようなＥＳＲ９００を用いてサンプル１０の測定を行うときには、空洞共振器９０３にマイクロ波を入力し、サンプル１０に磁場を印加する。サンプル１０に磁場が印加されると、サンプル１０に含まれるフリーラジカルの不対電子にはゼーマン分裂が生じる。つまり、２種類の不対電子に、磁場の強さＨDCに比例した大きさのエネルギー差が生じる。
【００１３】
そして、磁場の強さＨDCを変化させる。その結果、特定の磁場の強さＨDCにおいて、マイクロ波のエネルギーと、ゼーマン分裂によるエネルギー差とが一致する。このとき、不対電子の状態に遷移が生じ、つまり共鳴（磁気共鳴）が生じる。これにより、マイクロ波のエネルギーはその磁気共鳴によって吸収される。
【００１４】
すなわち、磁場の強さＨDCを変化させると、検波器９０５では、特定の磁場の強さＨDCにおいて、マイクロ波のエネルギーが急激に減少することが観測される。
【００１５】
評価部９０６は、このようにマイクロ波のエネルギーが急激に減少する磁場の強さＨDCなどに基づいて、つまり、電力損失の変化に基づいて、フリーラジカルに関する物性値を特定する。
【非特許文献１】“ＥＳＲとＥＰＲ”、［online］、日本電子株式会社、［平成１９年２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jeol.co.jp/technical/ai/esr/esr-information/esrinfo-01.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来のＥＳＲでは、その装置の大きさが非常に大きく、さらにその装置の重量が非常に重いという問題がある。
【００１７】
例えば、空洞共振器９０３の寸法は、マイクロ波の波長に応じた寸法（半波長の整数倍）でなければならない。その結果、空洞共振器９０３を小型化することができない。また、マイクロ波やサンプル１０に応じて磁場の強さＨDCを調整する必要があり、電磁石９０４も小型化することができない。その結果、ＥＳＲの装置の重量は、６００ｋｇ〜２ｔとなっている。
【００１８】
したがって、このようなＥＳＲを実地に運び、環境測定を行うようなことができず、ＥＳＲの使い勝手も悪いという問題も生じている。さらに、従来のＥＳＲでは、マイクロ波の周波数を容易に変更することができないので、サンプル１０に応じて装置全体のシステムを組み直す必要がある。
【００１９】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、小型化および軽量化を図った磁気共鳴測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に係る磁気共鳴測定装置は、測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する磁気共鳴測定装置であって、前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタと、前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、前記電流供給手段によって供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加手段によって印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整手段と、前記調整手段によって変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段と、前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これにより、磁気共鳴をさせずに、インダクタンスの変化傾向に基づいて測定対象物の物性値を特定するため、寸法制限を有する従来のＥＳＲの空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることができる。例えば、磁気共鳴測定装置を携帯電話や腕時計のサイズにまで小型化し得る可能性がある。その結果、磁気共鳴測定装置を携帯することができ、実地での測定および評価であるｉｎ−ｓｉｔｕ評価を行うことができる。また、従来のＥＳＲでは、マイクロ波の周波数を変更するときには、空洞共振器の寸法を調整するようにシステムを組み直す必要があるが、本発明では、インダクタに流れる交流電流の周波数、または測定対象物に印加される磁場の強さを調整値として変化させても、その変化に応じて装置寸法を調整する必要がない。したがって、本発明では、従来のようにシステムを組み直すことなく、測定対象物の物性値の測定を容易に行うことができる。
【００２２】
なお、本発明は、このような磁気共鳴測定装置として実現することができるだけでなく、その磁気共鳴測定装置による測定方法や、その磁気共鳴測定装置に測定させるためのプログラム、そのプログラムを格納する記憶媒体、集積回路としても実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の磁気共鳴測定装置は、小型化および軽量化を図ることができるという作用効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態における磁気共鳴測定装置について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態における磁気共鳴測定装置の構成図である。
【００２６】
本実施の形態における磁気共鳴測定装置１００は、小型化および軽量化された装置であって、インダクタ１０１、磁石１０２、交流電圧源１０３、周波数調整部１０４、インダクタンス計測部１０５、特性値検出部１０６、物性評価部１０７、電圧計１１１、電流計１１２、およびオペアンプ１１３を備えている。
【００２７】
磁石１０２は、測定対象であるサンプル１１に、例えば数十ｍＴの磁束密度の直流磁場を印加する。
【００２８】
インダクタ１０１は、サンプル１１と一定関係の位置、即ちサンプル１１から磁気的影響を受けるような位置に配置されている。例えば、インダクタ１０１の中空部にサンプル１１が配置される。
【００２９】
交流電圧源１０３は、周波数調整部１０４によって設定された周波数の交流電圧を供給する。
【００３０】
オペアンプ１１３は、交流電圧源１０３から供給される交流電圧に応じた電流をインダクタ１０１に流すバッファアンプ（インピーダンス変換器）である。
【００３１】
つまり、本実施の形態では、交流電圧源１０３およびオペアンプ１１３が、インダクタ１０１に交流電流を供給する電流供給手段として構成されている。
【００３２】
電圧計１１１は、インダクタ１０１にかかる交流電圧の値を計測する。そして、電圧計１１１は、インダクタ１０１にかかる交流電圧の値を、そのインダクタ１０１にかかる交流電圧と交流電圧源１０３の交流電圧との位相差に応じた複素数ｖとして、インダクタンス計測部１０５に通知する。
【００３３】
電流計１１２は、インダクタ１０１に流れる交流電流の値を計測する。そして、電流計１１２は、インダクタ１０１に流れる交流電流の値を、そのインダクタ１０１に流れる交流電流と交流電圧源１０３の交流電圧との位相差に応じた複素数ｉとして、インダクタンス計測部１０５に通知する。
【００３４】
周波数調整部１０４は、交流電圧源１０３から供給される交流電圧の周波数を調整して設定する。例えば、周波数調整部１０４は、低周波数から高周波数まで所定の間隔で交流電力の周波数をスイープ（変化）させる。そして、周波数調整部１０４は、設定された周波数をインダクタンス計測部１０５に通知する。
【００３５】
つまり、本実施の形態では、周波数調整部１０４が、交流電圧源１０３およびオペアンプ１１３によってインダクタ１０１に供給される交流電流の周波数を調整値とし、その調整値を変化させる調整手段として構成されている。
【００３６】
インダクタンス計測部１０５は、その周波数調整部１０４によって設定された周波数、つまりインダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωにおける、インダクタ１０１の自己インダクタンスＬを複素数として算出する。
【００３７】
即ち、インダクタンス計測部１０５は、角周波数ωにおける複素数の自己インダクタンスＬを、Ｌ＝ｖ／ｉによって算出する。
【００３８】
なお、本来、自己インダクタンスは、２端子対回路のリアクタンス成分として定義され、実数値で表されるが、ここでは、計算方法を明確にするため、複素透磁率に比例する複素数の自己インダクタンスという量を定義する。
【００３９】
特性値検出部１０６は、インダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωが変化するごとに、その角周波数ωにおける自己インダクタンスＬの実部または虚部の変化傾向を観測する。そして、特性値検出部１０６は、特徴的な変化傾向を示すときの角周波数ωを、特性値である共鳴角周波数ω0として検出する。さらに、特性値検出部１０６は、その特徴的な変化傾向を示すときにおける自己インダクタンスＬの実部または虚部を、特性値として検出する。
【００４０】
ここで、自己インダクタンスＬは、インダクタ１０１の形状に依存した係数Ａgeoと透磁率μとを用いて、Ｌ＝μ・Ａgeoとして示される。また、透磁率μはμ＝μ’（ω）−ｊμ”（ω）として、つまり複素数として示される。その結果、自己インダクタンスＬは、Ｌ＝（μ’（ω）−ｊμ”（ω））・Ａgeo＝μ’（ω）・Ａgeo−ｊμ”（ω）・Ａgeoとして、透磁率μの実部μ’（ω）と虚部μ”（ω）とを用いて示される。
【００４１】
したがって、特性値検出部１０６は、透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）の変化傾向を観測し、特徴的な変化傾向を示すときにおける透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）を、特性値μ’0または特性値μ”0として検出している。
【００４２】
なお、複素数である透磁率μの実部μ’（ω）は、磁界エネルギーの蓄積に対応し、透磁率μの虚部μ”（ω）は、エネルギーの損失に対応している。
【００４３】
物性評価部１０７は、上述の特性値に基づいて、サンプル１１の磁気共鳴に関する、つまりサンプル１１のフリーラジカルに関する物性値を特定する。すなわち、物性評価部１０７は、フリーラジカルの濃度、構造、電子状態、および電子分布などを特定して評価する。
【００４４】
例えば、物性評価部１０７は、既知の複数のサンプルの特性値と物性値とを対応付けたテーブルを記憶しており、そのテーブルを参照することにより、サンプル１１の物性値を特定する。
【００４５】
具体的には、物性評価部１０７は、例えば、半導体、セラミックス薄、触媒、および色素材料などの材料評価、さらに、食品の評価や血液診断などの生体材料や生体組織の分析、および活性酸素などのフリーラジカルの計測による薬品投与の影響追跡などを行う。なお、食品の評価や血液診断のように、水分を含むサンプル１１に対しても評価される。
【００４６】
なお、本実施の形態では、特性値検出部１０６および物性評価部１０７が、インダクタンス計測部１０５によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す調整値に基づいて、サンプル１１の物性値を特定する物性値特定手段として構成されている。
【００４７】
図２は、角周波数ωに対する磁化率χの実部χ’と虚部χ”の変化を示す図である。
【００４８】
角周波数ωに対する透磁率μの実部μ’（ω）および虚部μ”（ω）の変化傾向は、角周波数ωに対する磁化率χの実部χ’（ω）および虚部χ”（ω）と同様の変化傾向を示す。
【００４９】
磁化率χは、χ＝χ’（ω）−ｊ・χ”（ω）として複素数で示される。そして、透磁率μの実部μ’（ω）は、磁化率χの実部χ’（ω）を用いて、μ’（ω）＝μ0・（１＋χ’（ω））として示され、透磁率μの虚部μ”（ω）は、磁化率χの虚部χ”（ω）を用いて、μ”（ω）＝μ0χ”（ω）として示される。なお、μ0は真空中の透磁率である。
【００５０】
したがって、透磁率μの実部μ’（ω）および虚部μ”（ω）は、磁化率χの実部χ’（ω）および虚部χ”（ω）とそれぞれ比例関係にある。
【００５１】
磁化率χの実部χ’（ω）は、図２の（ａ）に示すように、インダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωが共鳴角周波数ω0付近で変化すると、大きく変動する。つまり、自己インダクタンスＬの実部または透磁率μの実部μ”（ω）も、図２の（ａ）に示すような変化傾向を示す。
【００５２】
また、磁化率χの虚部χ”（ω）は、図２の（ｂ）に示すように、インダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωが共鳴角周波数ω0になると、最大になる。つまり、角周波数ωが小さい値から共鳴角周波数ω0に近づくと、虚部χ”（ω）は共鳴角周波数ω0付近から急激に増加し、共鳴角周波数ω0で最大値となる。そして、角周波数ωが共鳴角周波数ω0よりも大きくなると、虚部χ”（ω）は共鳴角周波数ω0付近で急激に減少する。
【００５３】
つまり、自己インダクタンスＬの虚部または透磁率μの虚部μ”（ω）も、図２の（ｂ）に示すような変化傾向を示す。
【００５４】
本実施の形態における特性値検出部１０６は、図２の（ａ）に示す変化傾向または図２の（ｂ）に示す変化傾向から、最大値や最小値となるような激しい変動を示す傾向を、特徴的な変化傾向として見つけ出している。
【００５５】
ここで、従来のＥＳＲにおける測定感度について説明する。
【００５６】
従来のＥＳＲの測定感度Δｍは、それぞれ以下の（数１）によって示される。なお、Ｈ0（Resonator）は空洞共振器の磁場の強さを示し、Ｈ0（Sample）はサンプル中の磁場の強さを示す。また、Ｖolume（Resonator）は空洞共振器の体積を示し、Ｖolume（Sample）はサンプルの体積を示す。
【００５７】
【数１】
【００５８】
上記（数１）において、Ｈ0（Resonator）≒Ｈ0（Sample）が成り立つため、（数１）は以下の（数２）のように示される。
【００５９】
【数２】
【００６０】
つまり、従来のＥＳＲでは、Ｖolume（Resonator）を小さくすることができないため、薄膜材料のような微小なサンプルに対しては、測定感度が非常に低下してしまう。例えば、従来のＥＳＲの測定感度は、１０12個よりも少ないフリーラジカルを検出することができない。
【００６１】
一方、本実施の形態における磁気共鳴測定装置１００では、従来のＥＳＲのように空洞共振器を用いないため、インダクタ１０１を小さくすることで、微小なサンプルであっても高い測定感度を維持することができる。
【００６２】
ここで、本実施の形態における予備実験結果について説明する。
【００６３】
予備実験では、ＤＰＰＨ（1,1-diphenyl-2-plcrylhydrazy）をサンプルとして用い、半導体集積回路（チップ）上に形成されたインダクタ１０１を利用した。
【００６４】
図３は、本実施の形態の予備実験に使用される半導体集積回路の外観図である。
【００６５】
この図３に示すように、半導体集積回路２０には、幅寸法が約１２０μｍのインダクタ１０１が形成されている。
【００６６】
予備実験では、このような半導体集積回路２０のインダクタ１０１が形成されている部分に、約２５０μＭのＤＰＰＨを含むエタノール溶液を約２μｌだけ滴下して乾燥させた。
【００６７】
また、公称磁束密度が約１０ｍＴの永久磁石を磁石１０２として利用し、約１０〜１４０ＭＨｚの範囲で交流電圧源１０３の周波数をスイープさせた。なお、インダクタンス計測部１０５には、HP4396A-85046A Network Analyzer（日本ヒューレットパッカード社製）を利用した。
【００６８】
図４は、インダクタンス計測部１０５によって計測されたインダクタンスの実部を示す図である。
【００６９】
インダクタンス計測部１０５による計測では、インダクタンス（自己インダクタンス）の実部において、低周波数の領域に多くのノイズが現れたが、約１２０ＭＨｚ付近で特徴的な変化傾向が観測された。
【００７０】
図５は、インダクタンス計測部１０５によって計測されたインダクタンスの虚部と測定時の角周波数との積を示す図である。
【００７１】
インダクタンス計測部１０５による計測では、インダクタンス（自己インダクタンス）の虚部において、上述と同様、低周波数の領域に多くのノイズが現れたが、約１２０ＭＨｚ付近で特徴的な変化傾向が観測された。
【００７２】
このような図４および図５によって示される計測結果から、特性値である共鳴角周波数ω0が１２０ＭＨｚとして検出された。
【００７３】
また、本予備実験における測定感度を概算したところ、１０11〜１０12個のフリーラジカルを検出することができるという結果が得られた。したがって、本予備実験では、サンプルが微小であるにも拘らず、本発明が従来のＥＳＲと同等以上の測定感度を有することが示された。なお、本予備実験では、磁束密度などの設定値を最適化せずに測定を行っており、得られた結果が測定感度の最良値でないことは言うまでもない。また、サンプルに印加される磁場の磁束密度にはばらつきがあり、正確な磁束密度を特定するためには、サンプルの位置における磁束密度を実際に測定する必要がある。なお、本予備実験におけるサンプルの磁束密度は、サンプルのｇ値から、約４．３ｍＴと算出される。
【００７４】
上記に示されたように本実施の形態では、磁気共鳴をさせずに、インダクタンスの変化傾向に基づいて物性値を特定するため、寸法制限を有する従来のＥＳＲの空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることができる。言い換えれば、寸法設計の自由度を高めることができる。
【００７５】
また、空洞共振器の制限を受けることなく、交流電流の角周波数ωを自由に設定することができる。したがって、交流電圧源１０３を小型化することができる。さらに、サンプルに印加される磁場の強さは角周波数ωと密接な関係にあるが、角周波数ωを適切に選択することができるため、その磁場を印加する磁石を簡素化することができる。
【００７６】
つまり、従来のＥＳＲでは磁場の強度を変化させてサンプルの物性値を測定する必要があるが、本実施の形態では、角周波数ωを自由に設定することができるため、磁場の代わりに角周波数ωを変化させてサンプルの物性値を測定することができる。その結果、磁石１０２に電磁石を用いる必要がなく、永久磁石を用いることができる。
【００７７】
したがって、大きな体積と重量の空洞共振器を有する従来のＥＳＲでは、その装置全体をチップ化することは不可能であるが、本実施の形態における磁気共鳴測定装置１００では、その装置をチップ（半導体集積回路）化して小型化することが可能となる。さらに、装置の外部に強い電磁波が放出されないため、電波法の規制を受けることなく、使用可能な角周波数ωの選択の幅を広げることができる。
【００７８】
その結果、本実施の形態の磁気共鳴測定装置では、実地での測定および評価であるｉｎ−ｓｉｔｕ評価を行うことができる。例えば、本実施の形態のインダクタ１０１が形成されたチップにサンプルを載せたり、インプランタブルにサンプルを測定したりすることよって、フリーラジカルなどの短寿命の物質や薄膜材料の定量化を行うことができる。
【００７９】
さらに、本実施の形態では、導波管やマイクロストリップ線路を用いず、一般的な集積回路だけを使用するため、本実施の形態の磁気共鳴測定装置１００を量産化することができ、コスト低減を図ることができる。
【００８０】
さらに、本実施の形態では、インダクタ１０１を含む集積回路の微細加工技術により、インダクタ１０１に対するサンプルの体積比率を高めることができ、その結果、高感度化を図り、微小なサンプルでも十分な測定感度で測定することができる。
【００８１】
このように本実施の形態における磁気共鳴測定装置は、医療技術分野や材料科学分野で多用されているＥＳＲやＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）と同様の用途および機能を有しながら、それらの装置よりも測定感度が高く、集積回路化を図ることができる。
【００８２】
（変形例）
以上、本発明に係る磁気共鳴測定装置について、実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００８３】
例えば、上記実施の形態では、インダクタ１０１の自己インダクタンスを計測したが、相互インダクタンスを計測しても良い。
【００８４】
図６は、本変形例に係る磁気共鳴測定装置の構成図である。
【００８５】
本実施の形態における磁気共鳴測定装置２００は、相互インダクタンスの変化に基づいてサンプル１１のフリーラジカルに関する物性値を測定する装置であって、インダクタ２０１ａ，２０１ｂ、磁石２０２、交流電流源２０３、周波数調整部２０４、インダクタンス計測部２０５、特性値検出部２０６、物性評価部２０７、電圧計２１１，２１２、オペアンプ２１３，２１４、およびフィードバック抵抗２１５を備えている。
【００８６】
磁石２０２は、測定対象であるサンプル１１に、例えば数十ｍＴの磁束密度の直流磁場を印加する。
【００８７】
インダクタ２０１ａ，２０１ｂは、それぞれ磁気的に結合され、サンプル１１と一定関係の位置、即ちサンプル１１から磁気的影響を受けるような位置に配置されている。例えば、インダクタ２０１ａ，２０１ｂの中空部にサンプル１１が配置される。
【００８８】
交流電流源２０３は、周波数調整部２０４によって設定された周波数の交流電流を供給する。また、交流電流源２０３には、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）が備えられている。
【００８９】
オペアンプ２１３は、インダクタ２０１ａに流れる交流電流をフィードバック抵抗２１５に流す反転増幅器として動作する。
【００９０】
オペアンプ２１４は、ボルテージフォロアとして構成されており、インダクタ２０１ｂに生じる誘導電圧を出力する。
【００９１】
電圧計２１１は、インダクタ２０１ａにかかる交流電圧の値を計測する。そして、電圧計２１１は、インダクタ２０１ａにかかる交流電圧の値を、そのインダクタ２０１ａにかかる交流電圧と交流電流源２０３の交流電流との位相差に応じた複素数ｖ1として、インダクタンス計測部２０５に通知する。
【００９２】
電圧計２１２は、インダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧の値を計測する。そして、電圧計２１２は、インダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧の値を、そのインダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧と交流電流源２０３の交流電流との位相差に応じた複素数ｖ2として、インダクタンス計測部２０５に通知する。
【００９３】
周波数調整部２０４は、交流電流源２０３から供給される交流電流の周波数を調整して設定する。例えば、周波数調整部２０４は、低周波数から高周波数まで所定の間隔で交流電流の周波数を変化させる。そして、周波数調整部２０４は、設定された周波数をインダクタンス計測部２０５に通知する。
【００９４】
インダクタンス計測部２０５は、その周波数調整部２０４によって設定された周波数、つまりインダクタ２０１ａに流れる交流電流の角周波数ωにおける、インダクタ２０１ａ，２０１ｂの相互インダクタンスＭを算出する。
【００９５】
つまり、インダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧ｖ2は、インダクタ２０１ａに流れる交流電流の値Ｉ1を用いて、以下の（数３）のように示される。
【００９６】
【数３】
【００９７】
ここで、電流値Ｉ1の代わりにフィードバック抵抗２１５の抵抗値Ｒと電圧値ｖ1とを用いると、交流電圧ｖ2は、以下の（数４）のように示される。
【００９８】
【数４】
【００９９】
したがって、インダクタンス計測部２０５は、以下の（数５）に示すように、相互インダクタンスＭを複素数として算出する。
【０１００】
【数５】
【０１０１】
特性値検出部２０６は、インダクタ２０１ａに流れる交流電流の角周波数ωが変化するごとに、その角周波数ωにおける相互インダクタンスＭの実部または虚部の変化傾向を観測する。そして、特性値検出部２０６は、特徴的な変化傾向を示すときの角周波数ωを、特性値である共鳴角周波数ω0として検出する。さらに、特性値検出部２０６は、その特徴的な変化傾向を示すときにおける相互インダクタンスＭの実部または虚部を、特性値として検出する。
【０１０２】
ここで、相互インダクタンスＭは、インダクタ２０１ａ，２０１ｂの形状および構成に依存した係数Ａgeoと透磁率μとを用いて、Ｍ＝μ・Ａgeoとして示される。また、透磁率μはμ＝μ’（ω）−ｊμ”（ω）として、つまり複素数として示される。その結果、相互インダクタンスＭは、Ｍ＝（μ’（ω）−ｊμ”（ω））・Ａgeo＝μ’（ω）・Ａgeo−ｊμ”（ω）・Ａgeoとして、透磁率μの実部μ’（ω）と虚部μ”（ω）とを用いて示される。
【０１０３】
したがって、特性値検出部２０６は、透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）の変化傾向を観測し、特徴的な変化傾向を示すときにおける透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）を、特性値μ’0または特性値μ”0として検出している。
【０１０４】
物性評価部２０７は、上述の特性値に基づいて、サンプル１１の磁気共鳴に関する、つまりサンプル１１のフリーラジカルに関する物性値を特定する。
【０１０５】
このように本変形例に係る磁気共鳴測定装置２００は、相互インダクタンスの変化傾向に基づいて物性値を特定するため、上記実施の形態の磁気共鳴測定装置１００と同様、寸法制限を有する従来のＥＳＲの空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることができる。
【０１０６】
以上、本発明について実施の形態およびその変形例を用いて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１０７】
例えば、本実施の形態およびその変形例では、インダクタに流れる交流電流の角周波数ωを調整値として変化させたが、角周波数ωの代わりに、サンプルに印加される磁場の強さを調整値として変化させてもよい。
【０１０８】
また、インダクタが形成されたチップ上に、磁束密度を測定するための回路（ホール素子など）を集積化して、高精度化を図ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の磁気共鳴測定装置は、小型化を図ることができるという効果を奏し、例えば、半導体、セラミックス薄、触媒、および色素材料などの材料評価に有用であり、さらに、食品の評価や血液診断などの生体材料や生体組織の分析、および活性酸素などのフリーラジカルの計測による薬品投与の影響追跡などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の実施の形態における磁気共鳴測定装置の構成図である。
【図２】同上の測定方法を説明するための説明図である。
【図３】同上のインダクタが形成された半導体集積回路の外観図である。
【図４】同上のインダクタンスの実部の計測結果を示す図である。
【図５】同上のインダクタンスの虚部と角周波数との積の計測結果を示す図である。
【図６】同上の変形例に係る磁気共鳴測定装置の構成図である。
【図７】従来のＥＳＲの原理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０，１１ サンプル
１００ 磁気共鳴測定装置
１０１ インダクタ
１０２ 磁石
１０３ 交流電圧源
１０４ 周波数調整部
１０５ インダクタンス計測部
１０６ 特性値検出部
１０７ 物性評価部
１１１ 電圧計
１１２ 電流計
１１３ オペアンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する装置として、測定対象物に含まれる、不対電子を持つ原子、分子またはイオンであるフリーラジカルを測定する電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）装置が利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このような電子スピン共鳴装置（以下、単にＥＳＲという）は、電子材料や機能性素材の性能評価、年代測定などに用いられている。また、最近では、ＥＳＲは、生体内の薬の動態の観測や、食物の抗酸化作用の定量化、環境測定などにも広く利用されている。
【０００４】
図７は、上記非特許文献１のＥＳＲの原理を説明するための説明図である。
【０００５】
ＥＳＲ９００は、マイクロ波発振器９０１と、サーキュレータ９０２と、空洞共振器９０３と、電磁石９０４と、検波器９０５と、評価部９０６とを備えている。マイクロ波発振器９０１、空洞共振器９０３および検波器９０５は、導波管９０７を介してサーキュレータ９０２に接続されている。
【０００６】
マイクロ波発振器９０１は、例えば１０ＧＨｚの周波数のマイクロ波（電磁波）を発生する。
【０００７】
サーキュレータ９０２は、マイクロ波発振器９０１から出力され、導波管９０７を介して伝播するマイクロ波の伝播方向を空洞共振器９０３側に向ける。また、サーキュレータ９０２は、空洞共振器９０３から出力され、導波管９０７を介して伝播するマイクロ波の伝播方向を検波器９０５側に向ける。
【０００８】
空洞共振器９０３は、マイクロ波発振器９０１から導波管９０７を介して入力されるマイクロ波を空間内に閉じ込めて共振させる。このような空洞共振器９０３は、そのマイクロ波が共振条件を満たすような寸法に設定されている。また、この空洞共振器９０３の内部には、測定対象物であるサンプル１０がキャピラリ管に封入された状態で挿入される。
【０００９】
電磁石９０４は、サンプル１０に直流の磁場（磁場の強さＨDC）を印加する。この磁場の磁束密度は、例えば数百ｍＴである。
【００１０】
検波器９０５は、空洞共振器９０３から導波管９０７を介して入力されるマイクロ波のエネルギーを検出する。
【００１１】
評価部９０６は、検波器９０５によって検出されたエネルギーに基づいて、測定対象物の磁気共鳴に関する、つまり測定対象物のフリーラジカルに関する物性値を特定し、測定対象物の定量的および定性的な評価を行う。
【００１２】
このようなＥＳＲ９００を用いてサンプル１０の測定を行うときには、空洞共振器９０３にマイクロ波を入力し、サンプル１０に磁場を印加する。サンプル１０に磁場が印加されると、サンプル１０に含まれるフリーラジカルの不対電子にはゼーマン分裂が生じる。つまり、２種類の不対電子に、磁場の強さＨDCに比例した大きさのエネルギー差が生じる。
【００１３】
そして、磁場の強さＨDCを変化させる。その結果、特定の磁場の強さＨDCにおいて、マイクロ波のエネルギーと、ゼーマン分裂によるエネルギー差とが一致する。このとき、不対電子の状態に遷移が生じ、つまり共鳴（磁気共鳴）が生じる。これにより、マイクロ波のエネルギーはその磁気共鳴によって吸収される。
【００１４】
すなわち、磁場の強さＨDCを変化させると、検波器９０５では、特定の磁場の強さＨDCにおいて、マイクロ波のエネルギーが急激に減少することが観測される。
【００１５】
評価部９０６は、このようにマイクロ波のエネルギーが急激に減少する磁場の強さＨDCなどに基づいて、つまり、電力損失の変化に基づいて、フリーラジカルに関する物性値を特定する。
【非特許文献１】“ＥＳＲとＥＰＲ”、［online］、日本電子株式会社、［平成１９年２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jeol.co.jp/technical/ai/esr/esr-information/esrinfo-01.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来のＥＳＲでは、その装置の大きさが非常に大きく、さらにその装置の重量が非常に重いという問題がある。
【００１７】
例えば、空洞共振器９０３の寸法は、マイクロ波の波長に応じた寸法（半波長の整数倍）でなければならない。その結果、空洞共振器９０３を小型化することができない。また、マイクロ波やサンプル１０に応じて磁場の強さＨDCを調整する必要があり、電磁石９０４も小型化することができない。その結果、ＥＳＲの装置の重量は、６００ｋｇ〜２ｔとなっている。
【００１８】
したがって、このようなＥＳＲを実地に運び、環境測定を行うようなことができず、ＥＳＲの使い勝手も悪いという問題も生じている。さらに、従来のＥＳＲでは、マイクロ波の周波数を容易に変更することができないので、サンプル１０に応じて装置全体のシステムを組み直す必要がある。
【００１９】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、小型化および軽量化を図った磁気共鳴測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に係る磁気共鳴測定装置は、測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する磁気共鳴測定装置であって、前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタと、前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、前記電流供給手段によって供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加手段によって印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整手段と、前記調整手段によって変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段と、前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これにより、磁気共鳴をさせずに、インダクタンスの変化傾向に基づいて測定対象物の物性値を特定するため、寸法制限を有する従来のＥＳＲの空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることができる。例えば、磁気共鳴測定装置を携帯電話や腕時計のサイズにまで小型化し得る可能性がある。その結果、磁気共鳴測定装置を携帯することができ、実地での測定および評価であるｉｎ−ｓｉｔｕ評価を行うことができる。また、従来のＥＳＲでは、マイクロ波の周波数を変更するときには、空洞共振器の寸法を調整するようにシステムを組み直す必要があるが、本発明では、インダクタに流れる交流電流の周波数、または測定対象物に印加される磁場の強さを調整値として変化させても、その変化に応じて装置寸法を調整する必要がない。したがって、本発明では、従来のようにシステムを組み直すことなく、測定対象物の物性値の測定を容易に行うことができる。
【００２２】
なお、本発明は、このような磁気共鳴測定装置として実現することができるだけでなく、その磁気共鳴測定装置による測定方法や、その磁気共鳴測定装置に測定させるためのプログラム、そのプログラムを格納する記憶媒体、集積回路としても実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の磁気共鳴測定装置は、小型化および軽量化を図ることができるという作用効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態における磁気共鳴測定装置について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態における磁気共鳴測定装置の構成図である。
【００２６】
本実施の形態における磁気共鳴測定装置１００は、小型化および軽量化された装置であって、インダクタ１０１、磁石１０２、交流電圧源１０３、周波数調整部１０４、インダクタンス計測部１０５、特性値検出部１０６、物性評価部１０７、電圧計１１１、電流計１１２、およびオペアンプ１１３を備えている。
【００２７】
磁石１０２は、測定対象であるサンプル１１に、例えば数十ｍＴの磁束密度の直流磁場を印加する。
【００２８】
インダクタ１０１は、サンプル１１と一定関係の位置、即ちサンプル１１から磁気的影響を受けるような位置に配置されている。例えば、インダクタ１０１の中空部にサンプル１１が配置される。
【００２９】
交流電圧源１０３は、周波数調整部１０４によって設定された周波数の交流電圧を供給する。
【００３０】
オペアンプ１１３は、交流電圧源１０３から供給される交流電圧に応じた電流をインダクタ１０１に流すバッファアンプ（インピーダンス変換器）である。
【００３１】
つまり、本実施の形態では、交流電圧源１０３およびオペアンプ１１３が、インダクタ１０１に交流電流を供給する電流供給手段として構成されている。
【００３２】
電圧計１１１は、インダクタ１０１にかかる交流電圧の値を計測する。そして、電圧計１１１は、インダクタ１０１にかかる交流電圧の値を、そのインダクタ１０１にかかる交流電圧と交流電圧源１０３の交流電圧との位相差に応じた複素数ｖとして、インダクタンス計測部１０５に通知する。
【００３３】
電流計１１２は、インダクタ１０１に流れる交流電流の値を計測する。そして、電流計１１２は、インダクタ１０１に流れる交流電流の値を、そのインダクタ１０１に流れる交流電流と交流電圧源１０３の交流電圧との位相差に応じた複素数ｉとして、インダクタンス計測部１０５に通知する。
【００３４】
周波数調整部１０４は、交流電圧源１０３から供給される交流電圧の周波数を調整して設定する。例えば、周波数調整部１０４は、低周波数から高周波数まで所定の間隔で交流電力の周波数をスイープ（変化）させる。そして、周波数調整部１０４は、設定された周波数をインダクタンス計測部１０５に通知する。
【００３５】
つまり、本実施の形態では、周波数調整部１０４が、交流電圧源１０３およびオペアンプ１１３によってインダクタ１０１に供給される交流電流の周波数を調整値とし、その調整値を変化させる調整手段として構成されている。
【００３６】
インダクタンス計測部１０５は、その周波数調整部１０４によって設定された周波数、つまりインダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωにおける、インダクタ１０１の自己インダクタンスＬを複素数として算出する。
【００３７】
即ち、インダクタンス計測部１０５は、角周波数ωにおける複素数の自己インダクタンスＬを、Ｌ＝ｖ／ｉによって算出する。
【００３８】
なお、本来、自己インダクタンスは、２端子対回路のリアクタンス成分として定義され、実数値で表されるが、ここでは、計算方法を明確にするため、複素透磁率に比例する複素数の自己インダクタンスという量を定義する。
【００３９】
特性値検出部１０６は、インダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωが変化するごとに、その角周波数ωにおける自己インダクタンスＬの実部または虚部の変化傾向を観測する。そして、特性値検出部１０６は、特徴的な変化傾向を示すときの角周波数ωを、特性値である共鳴角周波数ω0として検出する。さらに、特性値検出部１０６は、その特徴的な変化傾向を示すときにおける自己インダクタンスＬの実部または虚部を、特性値として検出する。
【００４０】
ここで、自己インダクタンスＬは、インダクタ１０１の形状に依存した係数Ａgeoと透磁率μとを用いて、Ｌ＝μ・Ａgeoとして示される。また、透磁率μはμ＝μ’（ω）−ｊμ”（ω）として、つまり複素数として示される。その結果、自己インダクタンスＬは、Ｌ＝（μ’（ω）−ｊμ”（ω））・Ａgeo＝μ’（ω）・Ａgeo−ｊμ”（ω）・Ａgeoとして、透磁率μの実部μ’（ω）と虚部μ”（ω）とを用いて示される。
【００４１】
したがって、特性値検出部１０６は、透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）の変化傾向を観測し、特徴的な変化傾向を示すときにおける透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）を、特性値μ’0または特性値μ”0として検出している。
【００４２】
なお、複素数である透磁率μの実部μ’（ω）は、磁界エネルギーの蓄積に対応し、透磁率μの虚部μ”（ω）は、エネルギーの損失に対応している。
【００４３】
物性評価部１０７は、上述の特性値に基づいて、サンプル１１の磁気共鳴に関する、つまりサンプル１１のフリーラジカルに関する物性値を特定する。すなわち、物性評価部１０７は、フリーラジカルの濃度、構造、電子状態、および電子分布などを特定して評価する。
【００４４】
例えば、物性評価部１０７は、既知の複数のサンプルの特性値と物性値とを対応付けたテーブルを記憶しており、そのテーブルを参照することにより、サンプル１１の物性値を特定する。
【００４５】
具体的には、物性評価部１０７は、例えば、半導体、セラミックス薄、触媒、および色素材料などの材料評価、さらに、食品の評価や血液診断などの生体材料や生体組織の分析、および活性酸素などのフリーラジカルの計測による薬品投与の影響追跡などを行う。なお、食品の評価や血液診断のように、水分を含むサンプル１１に対しても評価される。
【００４６】
なお、本実施の形態では、特性値検出部１０６および物性評価部１０７が、インダクタンス計測部１０５によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す調整値に基づいて、サンプル１１の物性値を特定する物性値特定手段として構成されている。
【００４７】
図２は、角周波数ωに対する磁化率χの実部χ’と虚部χ”の変化を示す図である。
【００４８】
角周波数ωに対する透磁率μの実部μ’（ω）および虚部μ”（ω）の変化傾向は、角周波数ωに対する磁化率χの実部χ’（ω）および虚部χ”（ω）と同様の変化傾向を示す。
【００４９】
磁化率χは、χ＝χ’（ω）−ｊ・χ”（ω）として複素数で示される。そして、透磁率μの実部μ’（ω）は、磁化率χの実部χ’（ω）を用いて、μ’（ω）＝μ0・（１＋χ’（ω））として示され、透磁率μの虚部μ”（ω）は、磁化率χの虚部χ”（ω）を用いて、μ”（ω）＝μ0χ”（ω）として示される。なお、μ0は真空中の透磁率である。
【００５０】
したがって、透磁率μの実部μ’（ω）および虚部μ”（ω）は、磁化率χの実部χ’（ω）および虚部χ”（ω）とそれぞれ比例関係にある。
【００５１】
磁化率χの実部χ’（ω）は、図２の（ａ）に示すように、インダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωが共鳴角周波数ω0付近で変化すると、大きく変動する。つまり、自己インダクタンスＬの実部または透磁率μの実部μ”（ω）も、図２の（ａ）に示すような変化傾向を示す。
【００５２】
また、磁化率χの虚部χ”（ω）は、図２の（ｂ）に示すように、インダクタ１０１に流れる交流電流の角周波数ωが共鳴角周波数ω0になると、最大になる。つまり、角周波数ωが小さい値から共鳴角周波数ω0に近づくと、虚部χ”（ω）は共鳴角周波数ω0付近から急激に増加し、共鳴角周波数ω0で最大値となる。そして、角周波数ωが共鳴角周波数ω0よりも大きくなると、虚部χ”（ω）は共鳴角周波数ω0付近で急激に減少する。
【００５３】
つまり、自己インダクタンスＬの虚部または透磁率μの虚部μ”（ω）も、図２の（ｂ）に示すような変化傾向を示す。
【００５４】
本実施の形態における特性値検出部１０６は、図２の（ａ）に示す変化傾向または図２の（ｂ）に示す変化傾向から、最大値や最小値となるような激しい変動を示す傾向を、特徴的な変化傾向として見つけ出している。
【００５５】
ここで、従来のＥＳＲにおける測定感度について説明する。
【００５６】
従来のＥＳＲの測定感度Δｍは、それぞれ以下の（数１）によって示される。なお、Ｈ0（Resonator）は空洞共振器の磁場の強さを示し、Ｈ0（Sample）はサンプル中の磁場の強さを示す。また、Ｖolume（Resonator）は空洞共振器の体積を示し、Ｖolume（Sample）はサンプルの体積を示す。
【００５７】
【数１】
【００５８】
上記（数１）において、Ｈ0（Resonator）≒Ｈ0（Sample）が成り立つため、（数１）は以下の（数２）のように示される。
【００５９】
【数２】
【００６０】
つまり、従来のＥＳＲでは、Ｖolume（Resonator）を小さくすることができないため、薄膜材料のような微小なサンプルに対しては、測定感度が非常に低下してしまう。例えば、従来のＥＳＲの測定感度は、１０12個よりも少ないフリーラジカルを検出することができない。
【００６１】
一方、本実施の形態における磁気共鳴測定装置１００では、従来のＥＳＲのように空洞共振器を用いないため、インダクタ１０１を小さくすることで、微小なサンプルであっても高い測定感度を維持することができる。
【００６２】
ここで、本実施の形態における予備実験結果について説明する。
【００６３】
予備実験では、ＤＰＰＨ（1,1-diphenyl-2-plcrylhydrazy）をサンプルとして用い、半導体集積回路（チップ）上に形成されたインダクタ１０１を利用した。
【００６４】
図３は、本実施の形態の予備実験に使用される半導体集積回路の外観図である。
【００６５】
この図３に示すように、半導体集積回路２０には、幅寸法が約１２０μｍのインダクタ１０１が形成されている。
【００６６】
予備実験では、このような半導体集積回路２０のインダクタ１０１が形成されている部分に、約２５０μＭのＤＰＰＨを含むエタノール溶液を約２μｌだけ滴下して乾燥させた。
【００６７】
また、公称磁束密度が約１０ｍＴの永久磁石を磁石１０２として利用し、約１０〜１４０ＭＨｚの範囲で交流電圧源１０３の周波数をスイープさせた。なお、インダクタンス計測部１０５には、HP4396A-85046A Network Analyzer（日本ヒューレットパッカード社製）を利用した。
【００６８】
図４は、インダクタンス計測部１０５によって計測されたインダクタンスの実部を示す図である。
【００６９】
インダクタンス計測部１０５による計測では、インダクタンス（自己インダクタンス）の実部において、低周波数の領域に多くのノイズが現れたが、約１２０ＭＨｚ付近で特徴的な変化傾向が観測された。
【００７０】
図５は、インダクタンス計測部１０５によって計測されたインダクタンスの虚部と測定時の角周波数との積を示す図である。
【００７１】
インダクタンス計測部１０５による計測では、インダクタンス（自己インダクタンス）の虚部において、上述と同様、低周波数の領域に多くのノイズが現れたが、約１２０ＭＨｚ付近で特徴的な変化傾向が観測された。
【００７２】
このような図４および図５によって示される計測結果から、特性値である共鳴角周波数ω0が１２０ＭＨｚとして検出された。
【００７３】
また、本予備実験における測定感度を概算したところ、１０11〜１０12個のフリーラジカルを検出することができるという結果が得られた。したがって、本予備実験では、サンプルが微小であるにも拘らず、本発明が従来のＥＳＲと同等以上の測定感度を有することが示された。なお、本予備実験では、磁束密度などの設定値を最適化せずに測定を行っており、得られた結果が測定感度の最良値でないことは言うまでもない。また、サンプルに印加される磁場の磁束密度にはばらつきがあり、正確な磁束密度を特定するためには、サンプルの位置における磁束密度を実際に測定する必要がある。なお、本予備実験におけるサンプルの磁束密度は、サンプルのｇ値から、約４．３ｍＴと算出される。
【００７４】
上記に示されたように本実施の形態では、磁気共鳴をさせずに、インダクタンスの変化傾向に基づいて物性値を特定するため、寸法制限を有する従来のＥＳＲの空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることができる。言い換えれば、寸法設計の自由度を高めることができる。
【００７５】
また、空洞共振器の制限を受けることなく、交流電流の角周波数ωを自由に設定することができる。したがって、交流電圧源１０３を小型化することができる。さらに、サンプルに印加される磁場の強さは角周波数ωと密接な関係にあるが、角周波数ωを適切に選択することができるため、その磁場を印加する磁石を簡素化することができる。
【００７６】
つまり、従来のＥＳＲでは磁場の強度を変化させてサンプルの物性値を測定する必要があるが、本実施の形態では、角周波数ωを自由に設定することができるため、磁場の代わりに角周波数ωを変化させてサンプルの物性値を測定することができる。その結果、磁石１０２に電磁石を用いる必要がなく、永久磁石を用いることができる。
【００７７】
したがって、大きな体積と重量の空洞共振器を有する従来のＥＳＲでは、その装置全体をチップ化することは不可能であるが、本実施の形態における磁気共鳴測定装置１００では、その装置をチップ（半導体集積回路）化して小型化することが可能となる。さらに、装置の外部に強い電磁波が放出されないため、電波法の規制を受けることなく、使用可能な角周波数ωの選択の幅を広げることができる。
【００７８】
その結果、本実施の形態の磁気共鳴測定装置では、実地での測定および評価であるｉｎ−ｓｉｔｕ評価を行うことができる。例えば、本実施の形態のインダクタ１０１が形成されたチップにサンプルを載せたり、インプランタブルにサンプルを測定したりすることよって、フリーラジカルなどの短寿命の物質や薄膜材料の定量化を行うことができる。
【００７９】
さらに、本実施の形態では、導波管やマイクロストリップ線路を用いず、一般的な集積回路だけを使用するため、本実施の形態の磁気共鳴測定装置１００を量産化することができ、コスト低減を図ることができる。
【００８０】
さらに、本実施の形態では、インダクタ１０１を含む集積回路の微細加工技術により、インダクタ１０１に対するサンプルの体積比率を高めることができ、その結果、高感度化を図り、微小なサンプルでも十分な測定感度で測定することができる。
【００８１】
このように本実施の形態における磁気共鳴測定装置は、医療技術分野や材料科学分野で多用されているＥＳＲやＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）と同様の用途および機能を有しながら、それらの装置よりも測定感度が高く、集積回路化を図ることができる。
【００８２】
（変形例）
以上、本発明に係る磁気共鳴測定装置について、実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００８３】
例えば、上記実施の形態では、インダクタ１０１の自己インダクタンスを計測したが、相互インダクタンスを計測しても良い。
【００８４】
図６は、本変形例に係る磁気共鳴測定装置の構成図である。
【００８５】
本実施の形態における磁気共鳴測定装置２００は、相互インダクタンスの変化に基づいてサンプル１１のフリーラジカルに関する物性値を測定する装置であって、インダクタ２０１ａ，２０１ｂ、磁石２０２、交流電流源２０３、周波数調整部２０４、インダクタンス計測部２０５、特性値検出部２０６、物性評価部２０７、電圧計２１１，２１２、オペアンプ２１３，２１４、およびフィードバック抵抗２１５を備えている。
【００８６】
磁石２０２は、測定対象であるサンプル１１に、例えば数十ｍＴの磁束密度の直流磁場を印加する。
【００８７】
インダクタ２０１ａ，２０１ｂは、それぞれ磁気的に結合され、サンプル１１と一定関係の位置、即ちサンプル１１から磁気的影響を受けるような位置に配置されている。例えば、インダクタ２０１ａ，２０１ｂの中空部にサンプル１１が配置される。
【００８８】
交流電流源２０３は、周波数調整部２０４によって設定された周波数の交流電流を供給する。また、交流電流源２０３には、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）が備えられている。
【００８９】
オペアンプ２１３は、インダクタ２０１ａに流れる交流電流をフィードバック抵抗２１５に流す反転増幅器として動作する。
【００９０】
オペアンプ２１４は、ボルテージフォロアとして構成されており、インダクタ２０１ｂに生じる誘導電圧を出力する。
【００９１】
電圧計２１１は、インダクタ２０１ａにかかる交流電圧の値を計測する。そして、電圧計２１１は、インダクタ２０１ａにかかる交流電圧の値を、そのインダクタ２０１ａにかかる交流電圧と交流電流源２０３の交流電流との位相差に応じた複素数ｖ1として、インダクタンス計測部２０５に通知する。
【００９２】
電圧計２１２は、インダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧の値を計測する。そして、電圧計２１２は、インダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧の値を、そのインダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧と交流電流源２０３の交流電流との位相差に応じた複素数ｖ2として、インダクタンス計測部２０５に通知する。
【００９３】
周波数調整部２０４は、交流電流源２０３から供給される交流電流の周波数を調整して設定する。例えば、周波数調整部２０４は、低周波数から高周波数まで所定の間隔で交流電流の周波数を変化させる。そして、周波数調整部２０４は、設定された周波数をインダクタンス計測部２０５に通知する。
【００９４】
インダクタンス計測部２０５は、その周波数調整部２０４によって設定された周波数、つまりインダクタ２０１ａに流れる交流電流の角周波数ωにおける、インダクタ２０１ａ，２０１ｂの相互インダクタンスＭを算出する。
【００９５】
つまり、インダクタ２０１ｂに誘導される交流電圧ｖ2は、インダクタ２０１ａに流れる交流電流の値Ｉ1を用いて、以下の（数３）のように示される。
【００９６】
【数３】
【００９７】
ここで、電流値Ｉ1の代わりにフィードバック抵抗２１５の抵抗値Ｒと電圧値ｖ1とを用いると、交流電圧ｖ2は、以下の（数４）のように示される。
【００９８】
【数４】
【００９９】
したがって、インダクタンス計測部２０５は、以下の（数５）に示すように、相互インダクタンスＭを複素数として算出する。
【０１００】
【数５】
【０１０１】
特性値検出部２０６は、インダクタ２０１ａに流れる交流電流の角周波数ωが変化するごとに、その角周波数ωにおける相互インダクタンスＭの実部または虚部の変化傾向を観測する。そして、特性値検出部２０６は、特徴的な変化傾向を示すときの角周波数ωを、特性値である共鳴角周波数ω0として検出する。さらに、特性値検出部２０６は、その特徴的な変化傾向を示すときにおける相互インダクタンスＭの実部または虚部を、特性値として検出する。
【０１０２】
ここで、相互インダクタンスＭは、インダクタ２０１ａ，２０１ｂの形状および構成に依存した係数Ａgeoと透磁率μとを用いて、Ｍ＝μ・Ａgeoとして示される。また、透磁率μはμ＝μ’（ω）−ｊμ”（ω）として、つまり複素数として示される。その結果、相互インダクタンスＭは、Ｍ＝（μ’（ω）−ｊμ”（ω））・Ａgeo＝μ’（ω）・Ａgeo−ｊμ”（ω）・Ａgeoとして、透磁率μの実部μ’（ω）と虚部μ”（ω）とを用いて示される。
【０１０３】
したがって、特性値検出部２０６は、透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）の変化傾向を観測し、特徴的な変化傾向を示すときにおける透磁率μの実部μ’（ω）または虚部μ”（ω）を、特性値μ’0または特性値μ”0として検出している。
【０１０４】
物性評価部２０７は、上述の特性値に基づいて、サンプル１１の磁気共鳴に関する、つまりサンプル１１のフリーラジカルに関する物性値を特定する。
【０１０５】
このように本変形例に係る磁気共鳴測定装置２００は、相互インダクタンスの変化傾向に基づいて物性値を特定するため、上記実施の形態の磁気共鳴測定装置１００と同様、寸法制限を有する従来のＥＳＲの空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることができる。
【０１０６】
以上、本発明について実施の形態およびその変形例を用いて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１０７】
例えば、本実施の形態およびその変形例では、インダクタに流れる交流電流の角周波数ωを調整値として変化させたが、角周波数ωの代わりに、サンプルに印加される磁場の強さを調整値として変化させてもよい。
【０１０８】
また、インダクタが形成されたチップ上に、磁束密度を測定するための回路（ホール素子など）を集積化して、高精度化を図ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の磁気共鳴測定装置は、小型化を図ることができるという効果を奏し、例えば、半導体、セラミックス薄、触媒、および色素材料などの材料評価に有用であり、さらに、食品の評価や血液診断などの生体材料や生体組織の分析、および活性酸素などのフリーラジカルの計測による薬品投与の影響追跡などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の実施の形態における磁気共鳴測定装置の構成図である。
【図２】同上の測定方法を説明するための説明図である。
【図３】同上のインダクタが形成された半導体集積回路の外観図である。
【図４】同上のインダクタンスの実部の計測結果を示す図である。
【図５】同上のインダクタンスの虚部と角周波数との積の計測結果を示す図である。
【図６】同上の変形例に係る磁気共鳴測定装置の構成図である。
【図７】従来のＥＳＲの原理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０，１１ サンプル
１００ 磁気共鳴測定装置
１０１ インダクタ
１０２ 磁石
１０３ 交流電圧源
１０４ 周波数調整部
１０５ インダクタンス計測部
１０６ 特性値検出部
１０７ 物性評価部
１１１ 電圧計
１１２ 電流計
１１３ オペアンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する磁気共鳴測定装置であって、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタと、
前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、
前記電流供給手段によって供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加手段によって印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整手段と、
前記調整手段によって変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段と、
前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定手段と
を備えることを特徴とする磁気共鳴測定装置。
【請求項２】
前記物性値特定手段は、
前記インダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値と、前記調整値におけるインダクタンスの実部または虚部とをそれぞれ特性値として検出し、
前記特性値に応じた前記測定対象物の物性値を特定する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項３】
前記インダクタンス計測手段は、
前記インダクタの自己インダクタンスを計測する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項４】
前記インダクタンス計測手段は、
前記インダクタと、前記インダクタに磁気的に結合された他のインダクタとの間の相互インダクタンスを計測する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項５】
前記物性値特定手段は、
前記測定対象物の電子スピン共鳴に関する物性値を特定する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項６】
測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する集積回路であって、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタと、
前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、
前記電流供給手段によって供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加手段によって印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整手段と、
前記調整手段によって変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段と、
前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定手段と
を備えることを特徴とする集積回路。
【請求項７】
測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する磁気共鳴測定方法であって、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加ステップと、
前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタに、交流電流を供給する電流供給ステップと、
前記電流供給ステップで供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加ステップで印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整ステップと、
前記調整ステップで変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測ステップと、
前記インダクタンス計測ステップで計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定ステップと
を含むことを特徴とする磁気共鳴測定方法。
【請求項１】
測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する磁気共鳴測定装置であって、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタと、
前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、
前記電流供給手段によって供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加手段によって印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整手段と、
前記調整手段によって変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段と、
前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定手段と
を備えることを特徴とする磁気共鳴測定装置。
【請求項２】
前記物性値特定手段は、
前記インダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値と、前記調整値におけるインダクタンスの実部または虚部とをそれぞれ特性値として検出し、
前記特性値に応じた前記測定対象物の物性値を特定する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項３】
前記インダクタンス計測手段は、
前記インダクタの自己インダクタンスを計測する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項４】
前記インダクタンス計測手段は、
前記インダクタと、前記インダクタに磁気的に結合された他のインダクタとの間の相互インダクタンスを計測する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項５】
前記物性値特定手段は、
前記測定対象物の電子スピン共鳴に関する物性値を特定する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項６】
測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する集積回路であって、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタと、
前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、
前記電流供給手段によって供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加手段によって印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整手段と、
前記調整手段によって変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段と、
前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定手段と
を備えることを特徴とする集積回路。
【請求項７】
測定対象物の磁気共鳴に関する物性値を測定する磁気共鳴測定方法であって、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加ステップと、
前記測定対象物と一定関係の位置に配置されたインダクタに、交流電流を供給する電流供給ステップと、
前記電流供給ステップで供給される交流電流の周波数、または、前記磁場印加ステップで印加される磁場の強さを調整値とし、前記調整値を変化させる調整ステップと、
前記調整ステップで変化された調整値ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測ステップと、
前記インダクタンス計測ステップで計測されたインダクタンスが特徴的な変化傾向を示す前記調整値に基づいて、前記測定対象物の物性値を特定する物性値特定ステップと
を含むことを特徴とする磁気共鳴測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２０３１０４（Ｐ２００８−２０３１０４Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３９９５１（Ｐ２００７−３９９５１）
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
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