特許 7417992 自由水測定方法、及び自由水測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-11

(45)【発行日】2024-01-19

(54)【発明の名称】自由水測定方法、及び自由水測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20240112BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 E

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019234605

(22)【出願日】2019-12-25

(65)【公開番号】P2021103130

(43)【公開日】2021-07-15

【審査請求日】2022-12-12

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100124626

【弁理士】

【氏名又は名称】榎並 智和

(72)【発明者】

【氏名】白神 慧一郎

【審査官】鴨志田 健太

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０７７７８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５９－１９８３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８７４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１１０３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９０８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０９２８８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５６５６７６７（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１３４０３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１発振器の近傍の空気の物性又は媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出ステップと、
前記第１発振器又は前記第１発振器と異なる第２発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出ステップと、
前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の周波数シフト量に基づいて前記被検査物の自由水量を特定する特定ステップと、
を含み、
前記特定ステップは、複素誘電率空間における前記周波数シフト量の分布上の前記被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性に基づいて前記自由水量を特定する、自由水測定方法。

【請求項2】

第１発振器の近傍の空気の物性又は媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出ステップと、
前記第１発振器又は前記第１発振器と異なる第２発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出ステップと、
前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の周波数シフト量を取得し、前記被検査物の複素誘電率と周波数シフト量との既知の関係に基づいて、前記取得した周波数シフト量から前記被検査物の自由水量を特定する特定ステップと、
を含む、自由水測定方法。

【請求項3】

全体の水量から前記特定ステップにおいて特定された自由水量を差し引くことにより前記被検査物の水和水量を算出する算出ステップを含む
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自由水測定方法。

【請求項4】

前記第１発振器及び前記第２発振器は、互いに隣接して配置されている
ことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の自由水測定方法。

【請求項5】

発振器を含み、前記発振器の近傍の空気の物性又は媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数と前記発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数とを検出する検出部と、
前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の周波数シフト量に基づいて前記被検査物の自由水量を特定する特定部と、
を含み、
前記特定部は、複素誘電率空間における前記周波数シフト量の分布上の前記被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性に基づいて前記自由水量を特定する、自由水測定装置。

【請求項6】

発振器を含み、前記発振器の近傍の空気の物性又は媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数と前記発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数とを検出する検出部と、
前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の周波数シフト量を取得し、前記被検査物の複素誘電率と周波数シフト量との既知の関係に基づいて、前記取得した周波数シフト量から前記被検査物の自由水量を特定する特定部と、
を含む、自由水測定装置。

【請求項7】

全体の水量から前記特定部により特定された自由水量を差し引くことにより前記被検査物の水和水量を算出する算出部を含む
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の自由水測定装置。

【請求項8】

前記検出部は、
第１発振器を含み、前記第１発振器の近傍の空気の物性又は媒質の物性に応じて変化する前記第１発振周波数を検出する第１検出部と、
第２発振器を含み、前記第２発振器の近傍の前記被検査物の物性に応じて変化する前記第２発振周波数を検出する第２検出部と、
を含む
ことを特徴とする請求項５～請求項７のいずれか一項に記載の自由水測定装置。

【請求項9】

前記第１発振器及び前記第２発振器は、互いに隣接して配置されている
ことを特徴とする請求項８に記載の自由水測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自由水測定方法、及び自由水測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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

【0003】

例えば、特許文献１には、試料を加熱し、加熱前後の試料の質量を測定することで、自由水量の割合を求める手法が開示されている。例えば、特許文献２～特許文献５、及び非特許文献１には、電極の近傍の試料により生じた誘電率の変化を電極の寄生容量の変化に伴う発振周波数の変化として検出することにより、試料に含まれる水分を評価する手法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－８５６９９号公報

【文献】特開２０１７－１８７４６３号公報

【文献】国際公開第２０１７／１３０９６２号

【文献】特開２０１８－１５８号公報

【文献】特開２０１７－１３１２３０号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】満仲健、外６名、「１２０ＧＨｚと６０ＧＨｚ発振器アレイを用いて水の誘電緩和を評価するＣＭＯＳバイオセンサＩＣ」、映像情報メディア学会技術報告、ＩＴＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ、２０１６年３月１１日、第４０巻、第１２号、ｐ．４１－４４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、試料を加熱する必要がある。従って、測定対象が制限されると共に、自由水量の測定結果の精度を向上させることは難しい。また、特許文献２～特許文献５、及び非特許文献１に開示された手法では、自由水又は水和水だけを高精度に測定することは難しい。

【0007】

このように、従来の技術では、加熱に由来する状態変化を伴わずに、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等に含まれる水分のうち、自由水又は水和水だけを高精度に評価することは困難である。

【0008】

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、自由水又は水和水だけを高精度に評価するための新たな技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

いくつかの実施形態の第１態様は、第１発振器の近傍の空気に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出ステップと、第１発振器又は第１発振器と異なる第２発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出ステップと、前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の周波数シフト量に基づいて前記被検査物の自由水量を特定する特定ステップと、を含む、自由水測定方法である。

【0010】

いくつかの実施形態の第２態様は、第１態様において、全体の水量から前記特定ステップにおいて特定された自由水量を差し引くことにより前記被検査物の水和水量を算出する算出ステップを含む。

【0011】

いくつかの実施形態の第３態様では、第１態様又は第２態様において、前記特定ステップは、複素誘電率空間における前記周波数シフト量の分布上の前記被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性に基づいて前記自由水量を特定する。

【0012】

いくつかの実施形態の第４態様は、第１発振器の近傍の媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出ステップと、第２発振器の近傍の媒質内に分散された被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出ステップと、前記第１発振周波数及び前記第２発振周波数に基づいて前記被検査物における自由水の状態を特定する特定ステップと、を含む、自由水測定方法である。

【0013】

いくつかの実施形態の第５態様では、第４態様において、前記特定ステップは、前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の差分に基づいて前記自由水の状態を特定する。

【0014】

いくつかの実施形態の第６態様では、第１態様～第５態様のいずれかにおいて、前記第１発振器及び前記第２発振器は、互いに隣接して配置されている。

【0015】

いくつかの実施形態の第７態様は、発振器を含み、前記発振器の近傍の空気に応じて変化する第１発振周波数と前記発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数とを検出する検出部と、前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の周波数シフト量に基づいて前記被検査物の自由水量を特定する特定部と、を含む、自由水測定装置である。

【0016】

いくつかの実施形態の第８態様は、第７態様において、全体の水量から前記特定部により特定された自由水量を差し引くことにより前記被検査物の水和水量を算出する算出部を含む。

【0017】

いくつかの実施形態の第９態様では、第７態様又は第８態様において、前記特定部は、複素誘電率空間における前記周波数シフト量の分布上の前記被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性に基づいて前記自由水量を特定する。

【0018】

いくつかの実施形態の第１０態様では、第７態様～第９態様のいずれかにおいて、前記検出部は、第１発振器を含み、前記第１発振器の近傍の空気に応じて変化する前記第１発振周波数を検出する第１検出部と、第２発振器を含み、前記第２発振器の近傍の前記被検査物の物性に応じて変化する前記第２発振周波数を検出する第２検出部と、を含む。

【0019】

いくつかの実施形態の第１１態様は、第１発振器を含み、前記第１発振器の近傍の媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出部と、第２発振器を含み、前記第２発振器の近傍の媒質内に分散された被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出部と、前記第１発振周波数及び前記第２発振周波数に基づいて前記被検査物における自由水の状態を特定する特定部と、を含む、自由水測定装置である。

【0020】

いくつかの実施形態の第１２態様では、第１１態様において、前記特定部は、前記第１発振周波数に対する前記第２発振周波数の差分に基づいて前記自由水の状態を特定する。

【0021】

いくつかの実施形態の第１３態様では、第１０態様～第１２態様のいずれかにおいて、前記第１発振器及び前記第２発振器は、互いに隣接して配置されている。

【0022】

なお、上記した複数の態様に係る構成を任意に組み合わせることが可能である。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、自由水又は水和水だけを高精度に評価するための新たな技術を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】実施形態に係る自由水測定装置の構成の一例を示す概略図である。

【図2】実施形態に係る発振器の構成の一例を示す概略図である。

【図3A】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図3B】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図4】実施形態に係る処理装置の構成の一例を示す概略図である。

【図5】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図6】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図7】実施形態に係る自由水測定装置の動作の一例を示すフロー図である。

【図8】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図9】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図10】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図11】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図12】実施形態に係る自由水測定装置の動作の一例を示すフロー図である。

【図13】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図14】実施形態に係る自由水測定装置の動作を説明するための説明図である。

【図15】実施形態に係る自由水測定装置の動作の一例を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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

【0026】

実施形態に係る自由水測定装置は、発振器の近傍の被検査物の物性に応じて生じた発振器の少なくとも１つの発振パラメータの変化を発振周波数の変化として検出し、検出された発振周波数の変化に対応した被検査物の物性を測定する。発振パラメータには、発振器の抵抗成分、容量成分、誘導成分などがある。実施形態に係る自由水測定方法は、実施形態に係る自由水測定装置により実現される。以下、主に、被検査物の物性の１つである複素誘電率に応じて発振周波数が変化する場合について説明する。

【0027】

図１に、実施形態に係る自由水測定装置の構成例のブロック図を示す。

【0028】

実施形態に係る自由水測定装置１は、センサ装置１００と、コントローラ２００と、処理装置３００とを含む。センサ装置１００は、被検査物の物性に応じて変化する発振周波数を検出する。コントローラ２００は、処理装置３００からの制御を受け、センサ装置１００を制御する。処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御し、センサ装置１００により得られた検出結果を解析して、被検査物の物性の測定結果を取得する。いくつかの実施形態では、コントローラ２００は、処理装置３００と一体的に形成される。いくつかの実施形態では、センサ装置１００は、コントローラ２００と一体的に形成される。

【0029】

センサ装置１００は、発振器アレイ１０と、発振周波数検出部３０とを含む。発振器アレイ１０は、半導体集積回路基板に２次元的に配列された複数の発振器２０を含む。複数の発振器２０のそれぞれの構成は同一である。実施形態に係る構成は、複数の発振器２０の配列状態に限定されない。例えば、複数の発振器２０は、半導体集計回路基板に１次元的又は３次元的に配列される。例えば、複数の発振器２０は、半導体集積回路基板にマトリックス状又は千鳥状に配列される。

【0030】

複数の発振器２０のそれぞれは、センサ素子として機能する。発振器２０は、近傍に配置された被検査物（又は空気）の物性に応じて生じた発振パラメータの変化により発振周波数を変化させる。この発振周波数の変化は、被検査物の物性（例えば、複素誘電率）に対応した変化として検出される。

【0031】

図１では、説明の便宜上、複数の発振器２０のうち、第１発振器２０_１と、第２発振器２０_２とが図示されている。第１発振器２０_１の環境変化動作特性は、第２発振器２０_２の環境変化動作特性とほぼ同様である（又は特性の差が所定の許容範囲内）。環境変化特性は、測定環境の変化（温度変化、湿度変化）に対する動作特性の変化（温度動作特性、湿度動作特性）を表す特性である。いくつかの実施形態では、双方の環境変化動作特性がほぼ同様になるように、第２発振器２０_２は、第１発振器２０_１に対して所定の距離以内に配置されている。いくつかの実施形態では、第２発振器２０_２は、第１発振器２０_１に隣接して配置されている。

【0032】

発振周波数検出部３０は、発振器２０の発振周波数を検出する。発振周波数検出部３０の機能は、公知の周波数検出回路により実現される。いくつかの実施形態では、発振周波数検出部３０は、複数の発振器２０のそれぞれに対応して設けられる。いくつかの実施形態では、発振周波数検出部３０は、複数の発振器２０の２以上の発振器毎に設けられる。

【0033】

図２に、実施形態に係る発振器２０の構成例を示す。図２では、説明の便宜上、発振周波数検出部３０も図示されている。

【0034】

発振器２０は、共振回路２１と、差動回路２２とを含む。

【0035】

共振回路２１は、インダクタＬ０と、キャパシタＣ０、Ｃ１、Ｃ２とを含む。キャパシタＣ０は、インダクタＬ０と電気的に並列に接続されている。キャパシタＣ１の一端は、センサ部２５を構成する１組の電極の一方に電気的に接続されている。キャパシタＣ１の他端は、インダクタＬ０の一端及びキャパシタＣ０の一端に電気的に接続されている。キャパシタＣ２の一端は、センサ部２５を構成する１組の電極の他方に電気的に接続されている。キャパシタＣ２の他端は、インダクタＬ０の他端及びキャパシタＣ０の他端に電気的に接続されている。

【0036】

差動回路２２は、差動トランジスタ対を含む公知の差動回路である。差動回路２２は、共振回路２１を駆動する。

【0037】

センサ部２５の近傍には、被検査物が配置可能である。被検査物をセンサ部２５の近傍に配置することにより、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とが被検査物を介して電気的に接続される。いくつかの実施形態では、センサ部２５を構成する１組の電極が被検査物と接触することにより、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とが被検査物を介して電気的に接続される。いくつかの実施形態では、センサ部２５を構成する１組の電極が被検査物と非接触の状態で電磁的に接続されることにより、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との間の寄生素子の状態（抵抗成分、容量成分、誘導成分の少なくとも１つ）が変化する。例えば、特許文献４に記載されているように、被検査物が被覆膜を介して電極と電磁的に接続されるように構成される。

【0038】

例えば、被検査物の等価回路は、図２に示すように、並列に接続された容量成分と抵抗成分とより表される。この場合、被検査物をセンサ部２５の近傍に配置することにより、インダクタＬ０及びキャパシタＣ０と並列に接続される容量成分と抵抗成分とが変化する。この発振パラメータの変化により、発振周波数が変化する。容量成分は、誘電率（複素誘電率）に比例する。すなわち、被検査物の誘電率に応じて発振周波数が変化する。従って、発振周波数を検出することにより、検出された発振周波数に対応した被検査物の物性を推測することが可能になる。

【0039】

実施形態に係る発振器２０の一例として、例えば特許文献２に開示されている発振器などがある。ここで、被検査物が空気の場合に検出される容量をＣ_ａｉｒとし、キャパシタＣ１、Ｃ２の合成容量値をＣ_１とし、インダクタＬ０の誘導成分をＬ_０とし、被検査物の複素誘電率εの実部をε’（分極成分）とし、複素誘電率εの虚部をε”（吸収成分）とする。このとき、発振周波数ｆは、式（１）のように表される。式（１）において、共振回路の実効的な誘導成分をＬ_ｅｆｆとし、実効的な容量成分をＣ_ｅｆｆとする。

【0040】

【数1】

【0041】

コントローラ２００は、発振器アレイ１０の複数の発振器２０を選択的に制御し、所望の発振器２０の発振周波数の変化の測定制御を行う。コントローラ２００は、複数の発振器２０のうち２以上の発振器を選択的に制御し、上記の測定制御を並列に、又は順次に実行することが可能である。コントローラ２００は、複数の発振器２０の１以上の発振器を互いに異なる制御タイミングで制御し、所定時間内に各発振器の発振周波数の変化を検出する測定制御を行うことが可能である。

【0042】

図３Ａ及び図３Ｂに、水の複素誘電率の虚部（誘電損失スペクトル、吸収の大きさを表す）を示す。図３Ａは、水と生体分子（例えば、タンパク質）の吸収スペクトルの一例を表す。図３Ａでは、縦軸は複素誘電率の虚部を表し、横軸は周波数を表す。図３Ｂは、室温の水と熱水の吸収スペクトルの一例を表す。図３Ｂでは、縦軸は複素誘電率の虚部を表し、横軸は周波数を表す。

【0043】

図３Ａに示すように、水の吸収スペクトルＰ１と生体分子の吸収スペクトルＰ２とを比較すると、吸収性が高い周波数帯域が互いに異なる。例えば、２０ＧＨｚ～１００ＧＨｚでは、水の吸収性が高いが、生体分子の吸収性は低い。また、図３Ｂに示すように、室温の水の吸収スペクトルＰ３と熱水の吸収スペクトルＰ４とを比較すると、２０ＧＨｚを境界に吸収性の変化が異なる。水の状態変化に対する敏感性を考慮すると、６０ＧＨｚ帯の発振周波数を用いることで、水の物理的性質の選択的な観測に有効である。

【0044】

そこで、実施形態に係る自由水測定装置１は、６０ＧＨｚ帯の発振器２０を用いる。

【0045】

６０ＧＨｚ帯は、自由水の配向緩和が支配的になり、イオン分極（＜ＭＨｚ）、高分子の配向緩和（～１０ＭＨｚ）、及び水和水の配向緩和（～数ＧＨｚ）の影響は無視できるほど小さくなる帯域である。１０ＧＨｚより低周波側の周波数帯域では、上記の成分の影響を受けるため、自由水を選択的に観測することは難しくなる。一方、１００ＧＨｚより高周波側の周波数帯域では、水分子や生体分子の分子間振動及び分子内振動の影響が大きくなるため、自由水だけに着目するのが困難になる。

【0046】

また、６０ＧＨｚ帯の水の複素誘電率は、１０００ＧＨｚ以上の高周波領域に比べて、温度依存性が大きい。これは、水分子の状態変化（具体的には水素結合環境の変化）に対して敏感になることを意味する。

【0047】

更に、６０ＧＨｚ帯の電磁波は、生体に対して非侵襲である。光子エネルギーの大きさは、可視光に比べて１万倍ほど小さい。

【0048】

また、実施形態に係るセンサ装置１００によれば、波長に依存しない空間分解能が得られる。一般に、伝搬光の空間分解能は回折限界で決まるため、周波数６０ＧＨｚ（すなわち、波長は５ｍｍ）の遠方場では数ｍｍ以下の物質を認識することが困難である。しかしながら、センサ装置１００では、共振器の近傍で電磁波が局在しており波が遠方へ伝搬することはないため、共振器の近傍（例えば、直上）の誘電率のみに感度が高い「近接場」センサとして機能する。従って、観測できる物質のサイズは、回折限界に依存することなく、共振器（発振器）のアレイ密度で決まる。例えば、５０μｍ間隔で発振器を配列させることで、波長より２桁小さい物質を明瞭に検出することが可能になる。

【0049】

また、実施形態に係るセンサ装置１００は、非常に微弱な電力で電磁波を発生させることができる。この場合、局在する電磁波の出力は非常に小さく、水分子の強制運動による温度上昇はほとんど認められない。一方で、実施形態に係るセンサ装置１００が動作することで、回路基板がわずかに発熱する。また、環境ゆらぎによる温度変動もある。これらによる温度変化は、例えば６０時間連続運転で０．４℃程度である。６０時間連続で測定しても温度上昇は０．４℃程度であるため、測定により細胞にヒートショック応答が起こることはなく、生きている細胞が測定によって細胞死に至ることはない。

【0050】

以上のように、６０ＧＨｚ帯の発振周波数の変化を検出することで、非侵襲、且つ非染色で、生体分子の水の物性を測定することが可能になる。自由水測定装置１は、加熱に由来する状態変化を伴わずに、生体分子だけではなく、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物における水の物性を測定することが可能である。

【0051】

処理装置３００は、センサ装置１００により得られた発振周波数に対する解析処理を実行する。

【0052】

図４に、図１の処理装置３００の構成例のブロック図を示す。

【0053】

処理装置３００は、特定部３１０と、算出部３２０とを含む。

【0054】

特定部３１０は、発振周波数検出部３０により検出された第１発振器２０_１による第１発振周波数と第２発振器２０_２による第２発振周波数とに基づいて、被検査物に含まれる水分に関する情報を特定する。水分に関する情報として、自由水量、水和水量などがある。特定部３１０は、第１発振周波数を基準とした第２発振周波数に基づいて、被検査物に含まれる水分に関する情報を特定する。具体的には、特定部３１０は、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引いた周波数シフト量に基づいて、被検査物に含まれる水分に関する情報を特定する。

【0055】

例えば、特定部３１０は、第１発振器２０_１のセンサ部が空気であるときに検出された第１発振周波数と、第２発振器２０_２のセンサ部の近傍に被検査物が配置されたときに検出された第２発振周波数とを取得する。特定部３１０は、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引くことにより周波数シフト量を求める。特定部３１０は、後述するように、周波数シフト量に基づいて自由水量を特定する。なお、第１発振周波数を検出する発振器は、第２発振周波数を検出する発振器と同一の発振器であってよい。すなわち、自由水量を特定する場合、同一の発振器を用いて、センサ部が空気であるときの第１発振周波数と、センサ部の近傍に被検査物が配置されたときの第２発振周波数とを検出するように構成されていてもよい。

【0056】

更に、特定部３１０は、第１発振器２０_１のセンサ部の近傍に培地（広義には、媒質）が配置されたときに検出された第１発振周波数と、第２発振器２０_２のセンサ部の近傍に培地内に分散された被検査物が配置されたときに検出された第２発振周波数とを取得する。特定部３１０は、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引くことにより得られた差分を用いることで、測定環境変化分をキャンセルすることができる。なお、上記の空気の発振周波数を検出するための発振器は、培地の発振周波数を検出するための発振器と異なる発振器であってよい。

【0057】

算出部３２０は、特定部３１０により特定された自由水量を用いて水和水量を求める。具体的には、あらかじめ水分の量が既知である場合に、算出部３２０は、水分の量から自由水量を差し引くことにより水和水量を求める。

【0058】

このような処理装置３００の機能は、プロセッサにより実現される。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、ＳＰＬＤ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ））等の回路を含む。プロセッサは、例えば、記憶回路又は記憶装置に格納されているプログラムを読み出し実行することで、実施形態に係る機能を実現する。記憶回路又は記憶装置がプロセッサに含まれていてよい。また、記憶回路又は記憶装置がプロセッサの外部に設けられていてよい。同様に、コントローラ２００の機能は、プロセッサにより実現されてよい。

【0059】

第１発振器２０_１、第２発振器２０_２及び発振周波数検出部３０は、実施形態に係る「検出部」の一例である。第１発振器２０_１及び発振周波数検出部３０は、実施形態に係る「第１検出部」の一例である。第２発振器２０_２及び発振周波数検出部３０は、実施形態に係る「第２検出部」の一例である。

【0060】

（自由水量の定量評価）
次に、上記の自由水量の定量評価について説明する。

【0061】

図５に、タンパク質水溶液の複素誘電率の測定結果の一例を示す。図５は、被検査物（測定試料）としてのヒト血清アルブミン（ＨＳＡ）（タンパク質の一例）の１０ｗｔ％水溶液（２５℃）の複素誘電率の実部（分極スペクトル）と複素誘電率の虚部（吸収スペクトル）の測定結果を表す。図５は、溶質（Ｓｏｌｕｔｅ）Ｑ１、水和水（Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｗａｔｅｒ）Ｑ２、自由水（Ｆｒｅｅ ｗａｔｅｒ、Ｂｕｌｋ ｗａｔｅｒ）Ｑ３について、各発振周波数における複素感受率成分をプロットしたものである。０．０１～０．５ＧＨｚの帯域ではインピーダンスアナライザの周波数測定結果が用いられる。０．５～５０ＧＨｚの帯域ではネットワークアナライザの周波数測定結果が用いられる。５０～１０００ＧＨｚの帯域ではテラヘルツ時間領域分光の周波数測定結果が用いられる。

【0062】

図５では、測定結果をＤｅｂｙｅ関数を用いた次式に従ってピークフィッティング解析を行って得られた吸収スペクトルＱ４が図示されている。

【0063】

【数2】

【0064】

式（２）において、ω（＝２πｆ）は角周波数を表し、σは電気伝導率［Ｓ／ｍ］を表し、ε_０は真空の誘電率（８．８５×１０^－１２）［Ｆ／ｍ］を表し、Δεは緩和強度を表し、τは緩和時間［ｓ］を表し、ε_∞は誘電率の高周波極限を表す。右辺の第１項は、溶質Ｑ１に対応し、右辺の第２項及び第３項は水和水Ｑ２に対応し、右辺の第４項及び第５項は自由水Ｑ３に対応する。右辺の第２項はピークｈ１（不図示）に対応し、右辺の第３項はピークｈ２（不図示）に対応することを意味する。同様に、右辺の第４項はピークｂ１（不図示）に対応し、右辺の第５項はピークｂ２（不図示）に対応することを意味する。

【0065】

上記のように、自由水測定装置１によれば、誘電率の変化に対応した発振周波数の変化を検出することが可能である。ここで、測定試料がないとき（すなわち、測定試料が空気）に検出された第１発振器２０_１の発振周波数をｆ_{ＬＣ（ＢＫＧ）}とし、測定試料があるときに検出された第２発振器２０_２の発振周波数をｆ_{ＬＣ（ＳＡＭ）}とする。このとき、複素誘電率の実部と虚部とが大きくなると、周波数シフト量Δｆ（＝ｆ_{ＬＣ（ＢＫＧ）}－ｆ_{ＬＣ（ＳＡＭ）}）も増加する。そこで、自由水量が異なる複数のケースについて、複素誘電率と周波数シフト量との関係が既知であれば、測定により得られた周波数シフト量から自由水量を直接的に特定することが可能になる。

【0066】

図６に、実施形態に係る複素誘電率と周波数シフト量との関係の一例を示す。図６は、複素誘電率とセンサ装置１００により検出された発振周波数の周波数シフト量との関係を表す二次元プロット（等高線マップ、複素誘電率空間における発振周波数の周波数シフト量の分布）に、図５のタンパク質水溶液の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性を重畳したものである。図６において、縦軸は複素誘電率の虚部を表し、横軸は複素誘電率の実部を表す。誘電率の変化は、自由水量が１００％、８０％、６０％、４０％、２０％のそれぞれの場合をプロットしたものである。この誘電率は、例えば、図５のグラフから求めることができる。

【0067】

すなわち、特定部３１０は、第１発振器２０_１のセンサ部が空気であるときに検出された第１発振周波数と、第２発振器２０_２のセンサ部の近傍に被検査物が配置されたときに検出された第２発振周波数とを取得する。特定部３１０は、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引くことにより周波数シフト量Δｆを求める。特定部３１０は、求められた周波数シフト量Δｆから、図６に示す自由水量の変化を表す特性線上の位置を一意に特定し、特定された位置から自由水量を定量的に特定することが可能である。

【0068】

いくつかの実施形態では、特定部３１０は、特性線上の２点の測定結果を補間（例えば、線形補間）することにより、所望の位置における自由水量を特定する。例えば、周波数シフト量が０．６ＧＨｚのとき、特定部３１０は、自由水量が６０％の位置と自由水量が４０％のときの位置とを補間することにより、周波数シフト量が０．６ＧＨｚのときの自由水量（％）を求めることができる。

【0069】

図７に、実施形態に係る自由水測定装置１の第１動作例のフロー図を示す。処理装置３００の図示しない記憶部には、図７に示す処理を実現するためのコンピュータプログラムが記憶されている。処理装置３００は、このコンピュータプログラムに従って動作することにより、図７に示す処理を実行することが可能である。

【0070】

（Ｓ１：空気の発振周波数を検出）
まず、処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御することにより、センサ装置１００に空気の発振周波数を検出させる。

【0071】

これにより、発振周波数検出部３０は、発振器アレイ１０の複数の発振器のうち、測定試料がない発振器（あらかじめ決められた発振器（第１発振器２０_１））による発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＢＫＧ）}を検出する。コントローラ２００は、検出された発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＢＫＧ）}を取得し、取得された発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＢＫＧ）}を処理装置３００に送る。

【0072】

（Ｓ２：測定試料の発振周波数を検出）
続いて、処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御することにより、センサ装置１００に測定試料の発振周波数を検出させる。

【0073】

これにより、発振周波数検出部３０は、発振器アレイ１０の複数の発振器のうち、測定試料が近傍に配置された発振器（あらかじめ決められた発振器（第２発振器２０_２））による発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＳＡＭ）}を検出する。コントローラ２００は、検出された発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＳＡＭ）}を取得し、取得された発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＳＡＭ）}を処理装置３００に送る。

【0074】

（Ｓ３：周波数シフト量を算出）
次に、処理装置３００は、周波数シフト量Δｆを特定部３１０に算出させる。

【0075】

特定部３１０は、ステップＳ１において得られた発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＢＫＧ）}からステップＳ２において得られた発振周波数ｆ_{ＬＣ（ＳＡＭ）}を差し引くことにより、周波数シフト量Δｆを求める。

【0076】

（Ｓ４：自由水量を特定）
次に、処理装置３００は、自由水量を特定部３１０に特定させる。

【0077】

特定部３１０は、ステップＳ３において算出された周波数シフト量Δｆから、図６に示す自由水量の変化を表す特性線上の位置を一意に特定し、特定された位置から自由水量を特定する。

【0078】

（Ｓ５：水和水量を特定）
続いて、処理装置３００は、水和水量を算出部３２０に算出させる。

【0079】

算出部３２０は、上記のように、既知の水分の量から、ステップＳ４において特定された自由水量を差し引くことにより水和水量を求める。

【0080】

以上で、自由水測定装置１の動作は終了である（エンド）。

【0081】

＜アルブミンの熱変性に伴う水和状態変化の例＞
次に、実施形態に係る構成を、上記のアルブミンの熱変性に伴う水和状態異変化の定量評価に適用した場合について説明する。

【0082】

１０ｗｔ％ＨＳＡ水溶液を熱変性させると、アルブミンの高次構造が変化し、水和状態が変化する。実施形態に係る自由水測定装置１によれば、従来の分光測定よりも高精度に水和状態の変化を観察することが可能になる。

【0083】

図８に、１０ｗｔ％ＨＳＡ水溶液の熱変性前後の周波数シフト量の時間変化の一例を示す。図８の左側の小グラフは、水の周波数シフト量（Ｒ２）とＨＳＡ水溶液の周波数シフト量（Ｒ１）との差分の時間変化を表したものである。図８の右側のグラフは、左側のグラフのベースラインの部分（定常時の部分）を拡大したものである。

【0084】

具体的には、図８は、ＨＳＡ水溶液を２５℃で２時間放置し（手順１）、１５分間にわたってＨＳＡ水溶液を７０℃で加温し（手順２）、７時間が経過するまでＨＳＡ水溶液を２５℃で放置（手順３）した場合の周波数シフト量の時間変化を表す。

【0085】

７０℃で加温されたＨＳＡ水溶液の周波数シフト量は、２５℃で放置されていたときのＨＳＡ水溶液の周波数シフト量より増大する。これは、温度の上昇に伴って水及びＨＳＡ水溶液における６０ＧＨｚ帯の誘電率が大きくなるためである。

【0086】

２５℃のとき、水（Ｒ２）は加温前後（変性前後）で一定である。これに対して、ＨＳＡ水溶液は、同温であっても加温前後で周波数シフト量が変化する。これは、熱変性に伴う自由水量の変化に対応する。従って、実施形態における上記の手法を用いて、周波数シフト量の変化分Δｆ１から熱変性前後に変化した自由水量を求めることができる。すなわち、熱変性前の自由水量と熱変性後の自由水量を高精度に求めることができる上に、熱変性前の水和水量と熱変性後の水和水量も高精度に求めることができる。従って、図９に示すように、熱変性前後のアルブミン１分子あたりの水和水量（ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）を高精度に求めることができる。

【0087】

（長時間測定の安定性）
生体組織や生体分子中の水の状態を観察する場合、長時間に亘る測定が必要な場合がある。しかしながら、センサ装置１００等の物理デバイスは、長時間に亘って動作させると、環境揺らぎと素子自体の発熱に起因して動作特性が変化する。

【0088】

図１０に、発振周波数の時間変化の一例を示す。図１０は、内部が３７℃に保たれた恒温槽において、長時間に亘ってセンサ装置１００で水の発振周波数を測定した結果を表す。図１０において、縦軸は発振周波数を表し、横軸は時間を表す。

【0089】

図１０に示すように、理想的には、時間が経過しても一定の発振周波数が検出されるべきにもかかわらず、時間経過と共に発振周波数が高くなる。例えば、標準偏差が９．５×１０^－３ＧＨｚとなり、センサ装置１００を用いた長時間測定の結果には測定誤差が生じる。

【0090】

そこで、実施形態では、特定部３１０は、第１発振器２０_１のセンサ部の近傍に培地が配置されたときに検出された第１発振周波数と、第２発振器２０_２のセンサ部の近傍に培地内に分散された被検査物が配置されたときに検出された第２発振周波数とを取得する。特定部３１０は、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引くことにより得られた差分を求め、求められた差分を用いて水の状態を評価する（例えば、自由水量を求める）ことで、測定環境変化分がキャンセルされた測定結果を取得する。具体的には、特定部３１０は、上記のように第１発振周波数と第２発振周波数とを取得し、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引くことにより発振周波数の差分を求める。第２発振周波数をこの差分に代えて水の状態を評価することにより、培地内の被検査物における水の状態を高精度に測定することが可能になる。

【0091】

上記のように、第１発振器２０_１及び第２発振器２０_２は、互いに隣接して配置されていることが望ましい。

【0092】

図１１に、発振周波数の差分の時間変化の一例を示す。図１１は、第２発振周波数から第１発振周波数を差し引いて得られた差分Δｆの時間経過の一例を表す。図１１において、縦軸は発振周波数の差分を表し、横軸は時間を表す。

【0093】

図１１に示すように、発振周波数の差分はほぼゼロになる。例えば、標準偏差が３．１×１０^－４ＧＨｚとなり、センサ装置１００を用いた長時間測定の結果に測定誤差の影響はほぼなくなる。

【0094】

図１２に、実施形態に係る自由水測定装置１の第２動作例のフロー図を示す。処理装置３００の図示しない記憶部には、図１２に示す処理を実現するためのコンピュータプログラムが記憶されている。処理装置３００は、このコンピュータプログラムに従って動作することにより、図１２に示す処理を実行することが可能である。

【0095】

（Ｓ１１：培地の発振周波数を検出）
まず、処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御することにより、センサ装置１００に培地の発振周波数を検出させる。

【0096】

これにより、発振周波数検出部３０は、発振器アレイ１０の複数の発振器のうち、センサ部の近傍に培地が配置された発振器（あらかじめ決められた発振器（第１発振器２０_１））による発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}を検出する。コントローラ２００は、検出された発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}を取得し、取得された発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}を処理装置３００に送る。

【0097】

（Ｓ１２：測定試料の発振周波数を検出）
続いて、処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御することにより、センサ装置１００に、培地内に分散された測定試料の発振周波数を検出させる。

【0098】

これにより、発振周波数検出部３０は、発振器アレイ１０の複数の発振器のうち、培地内に分散された測定試料がセンサ部の近傍に配置された発振器（あらかじめ決められた発振器（第２発振器２０_２））による発振周波数ｆ_ＳＡＭを検出する。コントローラ２００は、検出された発振周波数ｆ_ＳＡＭを取得し、取得された発振周波数ｆ_ＳＡＭを処理装置３００に送る。

【0099】

（Ｓ１３：発振周波数の差分を算出）
次に、処理装置３００は、発振周波数の差分を特定部３１０に算出させる。

【0100】

特定部３１０は、ステップＳ１１において得られた発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}からステップＳ１２において得られた発振周波数ｆ_ＳＡＭを差し引くことにより、発振周波数の差分を求める。

【0101】

（Ｓ１４：差分を評価）
次に、処理装置３００は、ステップＳ１３において求められた発振周波数の差分を評価する。

【0102】

例えば、処理装置３００は、ステップＳ１３において求められた発振周波数の差分を用いて、図７に示す自由水量を定量的に求める処理を実行する。この場合、ステップＳ１では空気の発振周波数が上記のように第１差分として求められ、ステップＳ２では測定試料の発振周波数が上記のように第２差分として求められ、ステップＳ３では第１差分と第２差分とから周波数シフト量が算出される。

【0103】

以上で、自由水測定装置１の動作は終了である（エンド）。

【0104】

なお、いくつかの実施形態では、処理装置３００は、測定開始前に、発振器アレイ１０の複数の発振器のそれぞれについて、センサ部の近傍に培地が配置された状態で発振周波数を検出し、検出された複数の発振周波数のばらつきをキャンセルするためのキャリブレーション情報を算出する。処理装置３００は、測定開始後に、キャリブレーション情報を用いて、検出された発振周波数を補正し、補正された発振周波数に対して水の状態の評価を上記のように実行してもよい。

【0105】

＜ＳＧ１細胞の長時間測定の例＞
次に、実施形態に係る構成を、ＳＧ１細胞の長時間測定に適用した場合について説明する。

【0106】

皮膚の最外層は、細胞死した細胞が積層された角質層である。角質層の深層側には、顆粒層がある。顆粒層の細胞は、外側から順にＳＧ１細胞、ＳＧ２細胞、ＳＧ３細胞と呼ばれる。顆粒層においてＳＧ１細胞がプログラムされた細胞死に移行することで、角質細胞に変化する。

【0107】

図１３に、ＳＧ１細胞、ＳＧ２細胞、及び培地を測定試料とする発振周波数の差分の時間変化の一例を示す。図１３では、縦軸は発振周波数の差分を表し、横軸はＳＧ１細胞死を誘導してからの時間を表す。なお、図１３において、ＳＧ２細胞は、採取直後に細胞死に移行した細胞である。

【0108】

図１３に示すように、培地を測定試料とする発振周波数の差分の時間変化Ｔ１では、±３．１×１０^－４ＧＨｚの範囲内で変化する。また、ＳＧ２細胞を測定試料とする発振周波数の差分の時間変化Ｔ２では、±４．６×１０^－４ＧＨｚの範囲内で変化する。すなわち、時間変化Ｔ１、Ｔ２は、２４時間に亘ってほぼ一定である。

【0109】

これに対して、ＳＧ１細胞を測定試料とする発振周波数の差分の時間変化Ｔ３では、３５×１０^－４ＧＨｚの範囲内で変化し、特に、測定開始直後に発振周波数の差分が変化している。この変化は、細胞死に伴う水の変化である。

【0110】

図１４に、測定開始直後の時間変化Ｔ３の拡大図を示す。

【0111】

従来、細胞死は、膜透過性の変化を蛍光プローブ等により観測することで定義される。この例では、図１４のＳＧ１細胞を蛍光プローブで観測することにより、膜透過性の変化が５０％になるまでの時間を細胞死に移行する時間として、ｔ_５０％＝１．２７±０．０４ｈが観測された。これに対して、実施形態によれば、発振周波数の差分の変化が５０％になるまでの時間を細胞死に移行する時間として、ｔ_５０％＝０．４３±０．０７ｈとなる。すなわち、細胞内の水の変化を高精度に検出することで、従来の細胞死と判断される時点より早い段階で細胞死であると判断することが可能になる（真の細胞死に移行する時間が短縮される）。

【0112】

このように、実施形態によれば、細胞死に移行する状態を高精度に特定することができる。それにより、細胞死に移行したと判断するための所定の閾値を設けることで、細胞死か否かを瞬時に判断することも可能になる。

【0113】

（その他の動作例）
実施形態に係る自由水測定装置１は、次のように動作することも可能である。

【0114】

図１５に、実施形態に係る自由水測定装置１の第３動作例のフロー図を示す。処理装置３００の図示しない記憶部には、図１５に示す処理を実現するためのコンピュータプログラムが記憶されている。処理装置３００は、このコンピュータプログラムに従って動作することにより、図１５に示す処理を実行することが可能である。

【0115】

（Ｓ２１：空気と培地の発振周波数を検出）
まず、処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御することにより、センサ装置１００に空気と培地の発振周波数を検出させる。

【0116】

これにより、発振周波数検出部３０は、発振器アレイ１０の複数の発振器のうち、センサ部の近傍に培地等の測定試料がない発振器による発振周波数ｆ_ａｉｒを検出する。また、発振周波数検出部３０は、発振器アレイ１０の複数の発振器のうち、センサ部の近傍に培地が配置された発振器による発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ１}を検出する。コントローラ２００は、検出された発振周波数ｆ_ａｉｒ、ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ１}を取得し、取得された発振周波数ｆ_ａｉｒ、ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ１}を処理装置３００に送る。

【0117】

（Ｓ２２：周波数シフト量Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}を算出）
次に、処理装置３００は、周波数シフト量Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}を特定部３１０に算出させる。

【0118】

特定部３１０は、ステップＳ２１において得られた発振周波数ｆ_ａｉｒから発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ１}を差し引くことにより、周波数シフト量Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}を求める。例えば、発振周波数ｆ_ａｉｒが６５．０ＧＨｚであり、発振周波数ｆ_{ｍｅｄｉｕｍ１}が６３．２ＧＨｚである場合、周波数シフト量Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}は、１．８（＝６５．０－６３．２）ＧＨｚである。

【0119】

（Ｓ２３：測定試料の発振周波数を長時間測定）
続いて、処理装置３００は、コントローラ２００を介してセンサ装置１００を制御することにより、培地内に懸濁させた細胞を測定試料として発振周波数の長時間測定を実行する。処理装置３００は、所定のタイミングで、隣接する発振器の発振周波数の差分δｆを繰り返し求める。

【0120】

例えば、０時間目ではδｆ＝０．１ＧＨｚ、１時間目ではδｆ＝０．１ＧＨｚ、・・・、２４時間目ではδｆ＝０．２ＧＨｚとなる。

【0121】

（Ｓ２４：周波数シフト量Δｆ_ｃｅｌｌを算出）
次に、処理装置３００は、周波数シフト量Δｆ_ｃｅｌｌを特定部３１０に算出させる。具体的には、処理装置３００は、所定のタイミング毎に、細胞の周波数シフト量Δｆ_ｃｅｌｌを特定部３１０に算出させる。

【0122】

特定部３１０は、周波数シフト量Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}と差分δｆとを用いて、所定のタイミング毎に細胞の周波数シフト量Δｆ_ｃｅｌｌを算出する。例えば、０時間目ではΔｆ_ｃｅｌｌ＝Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}－δｆ＝１．８ＧＨｚ－０．１ＧＨｚ＝１．７ＧＨｚ、１時間目ではΔｆ_ｃｅｌｌ＝Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}－δｆ＝１．７ＧＨｚ、・・・、２４時間目ではΔｆ_ｃｅｌｌ＝Δｆ_{ｍｅｄｉｕｍ}－δｆ＝１．８ＧＨｚ－０．２ＧＨｚ＝１．６ＧＨｚとなる。

【0123】

（Ｓ２５：自由水量を算出）
次に、処理装置３００は、自由水量を特定部３１０に特定させる。

【0124】

特定部３１０は、ステップＳ２４において算出された周波数シフト量Δｆ_ｃｅｌｌから、図６に示す自由水量の変化を表す特性線上の位置を一意に特定し、特定された位置から自由水量を特定する。

【0125】

いくつかの実施形態では、処理装置３００は、水和水量を算出部３２０に算出させる。算出部３２０は、上記のように、既知の水分の量から、ステップＳ２５において特定された自由水量を差し引くことにより水和水量を求める。

【0126】

以上で、自由水測定装置１の動作は終了である（エンド）。

【0127】

以上説明したように、実施形態では、６０ＧＨｚ帯の周波数で発振する発振器の近傍の被検査物の誘電率に応じて変化する発振周波数が検出される。そして、センサ部の被検査物が空気であるときに検出された第１発振周波数と、センサ部に被検査物が配置されたときに検出された第２発振周波数とから周波数シフト量が求められる。あらかじめ取得された自由水量の変化を表す特性線を用いることで、求められた周波数シフト量から自由水量を定量的に特定することができる。更に、センサ部に培地が配置された隣接する発振器の発振周波数を用いて測定環境変化をキャンセルするようにしたので、より高精度な測定結果を得ることが可能になる。

【0128】

従って、実施形態によれば、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、自由水又は水和水だけを非破壊、且つ非染色で高精度に測定することができる。特に、単一細胞レベルであっても、高い再現性で細胞内の平均的な水の状態を高精度に測定することができる。

【0129】

［効果］
実施形態に係る自由水測定方法、及び自由水測定装置について説明する。

【0130】

いくつかの実施形態に係る自由水測定方法は、第１発振器（２０_１）の近傍の空気に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出ステップと、第１発振器又は第１発振器と異なる第２発振器（２０_２）の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出ステップと、第１発振周波数に対する第２発振周波数の周波数シフト量に基づいて被検査物の自由水量を特定する特定ステップと、を含む。

【0131】

このような方法によれば、被検査物の複素誘電率の実部及び虚部と周波数シフト量との関係に基づいて、取得された周波数シフト量に対応する複素誘電率の実部及び虚部を特定することができる。それにより、複素誘電率の実部及び虚部と自由水量との関係に基づいて被検査物の自由水量を特定することが可能になる。従って、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、自由水だけを非破壊、且つ非染色で高精度に測定することができる。

【0132】

いくつかの実施形態は、全体の水量から特定ステップにおいて特定された自由水量を差し引くことにより被検査物の水和水量を算出する算出ステップを含む。

【0133】

このような方法によれば、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、水和水だけを非破壊、且つ非染色で高精度に測定することができる。

【0134】

いくつかの実施形態では、特定ステップは、複素誘電率空間における周波数シフト量の分布上の被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性に基づいて自由水量を特定する。

【0135】

このような方法によれば、被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性を予め測定しておくことで、周波数シフト量から被検査物の自由水量を特定することが可能になる。

【0136】

いくつかの実施形態に係る自由水測定方法は、第１発振器（２０_１）の近傍の媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出ステップと、第２発振器（２０_２）の近傍の媒質内に分散された被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出ステップと、第１発振周波数及び第２発振周波数に基づいて被検査物における自由水の状態を特定する特定ステップと、を含む。

【0137】

このような方法によれば、媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数と、媒質内に分散された被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数とを検出し、第１発振周波数及び第２発振周波数に基づいて被検査物の自由水の状態を特定するようにしたので、測定環境の変化や素子の温度特性にかかわらず、自由水の状態を高精度に測定することが可能になる。

【0138】

いくつかの実施形態では、特定ステップは、第１発振周波数に対する第２発振周波数の差分に基づいて自由水の状態を特定する。

【0139】

このような方法によれば、簡素な処理で、測定環境の変化や素子の温度特性にかかわらず、自由水の状態を高精度に測定することが可能になる。

【0140】

いくつかの実施形態では、第１発振器及び第２発振器は、互いに隣接して配置されている。

【0141】

このような方法によれば、測定環境の変化や素子の温度特性にかかわらず、自由水の状態をより一層高精度に測定することが可能になる。

【0142】

いくつかの実施形態に係る自由水測定装置（１）は、発振器（第１発振器２０_１又は第２発振器２０_２）を含み、発振器の近傍の空気に応じて変化する第１発振周波数と発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数とを検出する検出部と、第１発振周波数に対する第２発振周波数の周波数シフト量に基づいて被検査物の自由水量を特定する特定部（３１０）と、を含む。

【0143】

このような構成によれば、被検査物の複素誘電率の実部及び虚部と周波数シフト量との関係に基づいて、取得された周波数シフト量に対応する複素誘電率の実部及び虚部を特定することができる。それにより、複素誘電率の実部及び虚部と自由水量との関係に基づいて被検査物の自由水量を特定することが可能になる。従って、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、自由水だけを非破壊、且つ非染色で高精度に測定することができる。

【0144】

いくつかの実施形態は、全体の水量から特定部により特定された自由水量を差し引くことにより被検査物の水和水量を算出する算出部（３２０）を含む。

【0145】

このような構成によれば、皮膚等の生体組織、細胞、結晶、又は水溶液等の被検査物に含まれる水分のうち、水和水だけを非破壊、且つ非染色で高精度に測定することができる。

【0146】

いくつかの実施形態では、特定部は、複素誘電率空間における周波数シフト量の分布上の被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性に基づいて自由水量を特定する。

【0147】

このような構成によれば、被検査物の誘電率の変化に対する自由水量の変化特性を予め測定しておくことで、周波数シフト量から被検査物の自由水量を特定することが可能になる。

【0148】

いくつかの実施形態では、前記検出部は、第１発振器（２０_１）を含み、第１発振器の近傍の空気に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出部（第１発振器２０_１及び発振周波数検出部３０）と、第２発振器（２０_２）を含み、第２発振器の近傍の被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出部（第２発振器２０_２及び発振周波数検出部３０）と、を含む。

【0149】

このような構成によれば、第１発振器を用いて第１発振周波数を検出し、第２発振器を用いて第２発振周波数を検出することができるため、測定制御を簡素化したり、測定時間を短縮したりすることが可能になる。

【0150】

いくつかの実施形態に係る自由水測定装置（１）は、第１発振器（２０_１）を含み、第１発振器の近傍の媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数を検出する第１検出部（第１発振器２０_１及び発振周波数検出部３０）と、第２発振器（２０_２）を含み、第２発振器の近傍の媒質内に分散された被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数を検出する第２検出部（第２発振器２０_２及び発振周波数検出部３０）と、第１発振周波数及び第２発振周波数に基づいて被検査物における自由水の状態を特定する特定部（３１０）と、を含む。

【0151】

このような構成によれば、媒質の物性に応じて変化する第１発振周波数と、媒質内に分散された被検査物の物性に応じて変化する第２発振周波数とを検出し、第１発振周波数及び第２発振周波数に基づいて被検査物の自由水の状態を特定するようにしたので、測定環境の変化や素子の温度特性にかかわらず、自由水の状態を高精度に測定することが可能になる。

【0152】

いくつかの実施形態では、特定部は、第１発振周波数に対する第２発振周波数の差分に基づいて自由水の状態を特定する。

【0153】

このような構成によれば、簡素な処理で、測定環境の変化や素子の温度特性にかかわらず、自由水の状態を高精度に測定することが可能になる。

【0154】

いくつかの実施形態では、第１発振器及び第２発振器は、互いに隣接して配置されている。

【0155】

このような構成によれば、測定環境の変化や素子の温度特性にかかわらず、自由水の状態をより一層高精度に測定することが可能になる。

【0156】

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

【0157】

例えば、自由水測定装置１は、被検査物を含む培地が流れる流路を含み、流路の途中に設けられたセンサ装置１００（発振器２０）により、流路を流れる被検査物の発振周波数を検出するように構成してもよい。

【符号の説明】

【0158】

１ 自由水測定装置
１０ 発振器アレイ
２０ 発振器
２０_１ 第１発振器
２０_２ 第２発振器
３０ 発振周波数検出部
１００ センサ装置
２００ コントローラ
３００ 処理装置
３１０ 特定部
３２０ 算出部

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】