JP7505740B2

JP7505740B2 - 電磁波を用いた水溶液の濃度測定方法およびその装置

Info

Publication number: JP7505740B2
Application number: JP2020079789A
Authority: JP
Inventors: 徹倉林; 徹高橋; 信一淀川
Original assignee: Akita University NUC
Current assignee: Akita University NUC
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2024-06-25
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: JP2021173709A

Description

特許法第３０条第２項適用１．刊行物に発表発行者名：ＡＮｏｎ－ｐｒｏｆｉｔＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎＵｎｉｔｅｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＧｒｏｕｐ刊行物名：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎａｎａｌｙｔｉｃａｌａｎｄｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ，Ａｐｒ．２９－Ｍａｙ０１，２０１９、第９頁発行年月日：平成３１年４月２９日２．集会において発表集会名：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎａｎａｌｙｔｉｃａｌａｎｄｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ，Ａｐｒ．２９－Ｍａｙ０１，２０１９開催日：平成３１年４月２９日

本発明は、電磁波を用いた水溶液の濃度測定方法およびその装置に関する。

水溶液中の濃度測定には様々な方法が存在し、例えば、糖度計や血糖値測定などで以下の方法が利用されている。糖度計では、可視光領域において、水溶液の濃度変化により屈折率が変化することを利用している。血糖値測定では、酵素反応によって変化する検査紙の色を読み取る比色法や試薬中の電荷の変化により検出する電極法などがある。

電磁波を利用した濃度測定も存在し、電磁波は低侵襲での測定が可能であり、マイクロ波やミリ波で物質特有の振動が確認されている。主に、同軸プローブ法が用いられており、水溶液の濃度変化により生じる誘電率および導電率の変化（Ｃｏｌｅ－ＣｏｌｅＰｌｏｔの変化）で測定される方法もある。例えば、特許文献１では、２種類の検体の電磁波特性の差および温度差から成分濃度を測定している。
しかしながら、電磁波を利用した従来の水溶液濃度測定方法では、濃度変化に対する感度が十分でないという課題があった。

国際公開公報２０１１／０７４２１７号

本開示は、電磁波を用いた水溶液の濃度測定において、高精度で水溶液中の物質の濃度変化を測定する方法およびその装置を提供することを主目的とする。

本発明の一つの態様は、インピーダンス整合層を介して、水からなるリファレンス溶液に電磁波を照射したとき反射波の強度が入射波の強度の１／１００以下となるインピーダンス整合層を使用する、水溶液の濃度測定方法であって、インピーダンス整合層を介して、水からなるリファレンス溶液と、物質が溶解した試料溶液と、にそれぞれ電磁波を照射して、反射波について、マッチング周波数の変化値、および／又は、反射強度の変化値を検出することにより、試料溶液中の物質の濃度変化を測定する、水溶液の濃度測定方法である。

インピーダンス整合層を介して、濃度既知の水溶液からなるリファレンス溶液に電磁波を照射したとき反射波の強度が入射波の強度の１／１００以下となるインピーダンス整合層を使用する、水溶液の濃度測定方法であって、インピーダンス整合層を介して、濃度既知の水溶液からなるリファレンス溶液と、試料溶液と、にそれぞれ電磁波を照射して、反射波について、マッチング周波数の変化値、および／又は、反射強度の変化値を検出することにより、試料溶液中の物質の濃度変化を測定する、水溶液の濃度測定方法である。

さらに、インピーダンス整合層が、２以上の異なる誘電材料により形成され、周期構造を有してもよい。

本発明の他の態様は、試料溶液を内部に収容するとともに、試料溶液の照射面にインピーダンス整合層を備え、試料溶液に前記インピーダンス整合層を介して電磁波を照射する照射部と、試料溶液から反射される反射波の周波数及び強度を検出する検出部と、を有する水溶液の濃度測定装置であって、
インピーダンス整合層は、インピーダンス整合層を介してリファレンス溶液に電磁波を照射してリファレンス溶液から反射される反射波の強度が入射波の強度の１／１００以下となる層である、水溶液の濃度測定装置である。

本発明の方法および装置によれば、電磁波を用いた水溶液の濃度測定において、高精度で水溶液中の物質の濃度変化を測定することができる。

図１は、三層の媒質に電磁波を照射したときの入射及び反射の様子を模式的に示す図である。図１（ａ）は、リファレンス溶液３を媒質として含む場合を示し、図１（ｂ）は、試料溶液４を媒質として含む場合を示す。図２は、電磁界解析法におけるモデルを示す図である。図３は、複合誘電体層の構造の一つの態様を模式的に示す図である。図４は、複合誘電体層の構造の他の態様を模式的に示す図である。図５は、複合誘電体層の構造の他の態様を模式的に示す図である。図６は、ネットワークアナライザの反射測定の基本構成を示す図である図７は、単層誘電体を配置して電磁波を照射した場合の、純水のインピーダンスマッチング周波数を示す図である。図８は、単層誘電体を配置し、溶液のイオン成分または非イオン成分を変化させたときの試料溶液からの電磁波の反射強度を示す図である。図８（ａ）は、溶液に非イオン成分が含まれる場合、図８（ｂ）は、溶液にイオン成分が含まれる場合を示す。図９は、単層誘電体を配置し、溶液のイオン成分または非イオン成分を変化させたときの試料溶液からの電磁波の反射強度を示す図である。図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、それぞれ溶液のイオン成分と非イオン成分との比が異なる場合を示す。図１０（ａ）は、単層誘電体を配置し、溶液のイオン成分または非イオン成分によるインピーダンスマッチング周波数の変化を示す図であり、図１０（ｂ）は溶液のイオン成分と非イオン成分とを変化させたときの電磁波の反射強度の最小値を示す図である。図１１（ａ）、および、図１１（ｂ）は、図３に示す複合誘電体層１００において、球状の誘電体１０２の直径を変化させたときの電磁波の反射強度および実効屈折率を示す図である。図１２は、複合誘電体層を配置し、溶液のイオン成分と非イオン成分とを変化させたときの試料溶液からの電磁波の反射強度を示す図である。図１２（ａ）は、溶液に非イオン成分が含まれる場合、図１２（ｂ）、および、図１２（ｃ）は、溶液に非イオン成分が含まれる場合を示す。図１３（ａ）、および、図１３（ｂ）は、比誘電率εおよび導電率σについて、溶液のイオン成分または非イオン成分の濃度成分を変化させたときの電磁波の反射率およびマッチング周波数を示す図である。図１４は、図４（ａ）に示す複合誘電体層２００、図５（ａ）に示す複合誘電体層３００、図５（ｂ）に示す複合誘電体層４００における電磁波の反射強度を示す結果である。図１５は、ネットワークアナライザによるタイムドメイン法を用いた、セラミックスを誘電体膜としたときの純水の反射スペクトルの測定結果を示す図である。図１６は、ＴＨｚ波領域において、複合誘電体層を配置し、電磁波の反射強度を解析した結果を示す図である。図１７は、単層誘電体を配置し試料溶液からの電磁波の反射強度を測定した結果を示す図である。

（濃度測定方法）
電磁波は屈折率の異なる媒質に入射すると、インピーダンスの変化により、電磁波の一部は透過するが、残りは反射する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、三層の媒質における電磁波を照射したときの入射波６及び反射波７の様子を模式的に示す図である。図１（ａ）における三層の媒質は、電磁波の入射方向から、真空１、誘電体層２、水または濃度既知の水溶液からなるリファレンス溶液３の順に配置されている。誘電体層２の表面からの反射波７’、および、誘電体層２とリファレンス溶液３の界面からの反射波７’’が発生するとき、互いに反射波の振幅が同じで位相が逆相になることにより打ち消しあい、電磁波の反射率がゼロになる。その現象をインピーダンスマッチングという。
本発明は、特定の周波数（マッチング周波数）で電磁波の反射率がゼロ（極小値）に近づくような誘電体層２を使用することを特徴とする濃度測定方法である。

図１（ｂ）における三層の媒質は、電磁波の入射方向から、真空１、誘電体層２、試料溶液４の順に配置されている。これにより、誘電体層２表面からの反射波７’、および、誘電体層２と試料溶液４の界面からの反射波７’’ を合わせた反射波７について、リファレンス溶液３を用いた測定からの周波数の変化値、および／又は、反射強度の変化値を検出することにより、試料溶液中の物質の濃度変化を測定することができる。

水溶液に物質が溶解すると、濃度に応じて、複素誘電率、すなわち、比誘電率、および、比導電率が変化し、複素反射係数が変化する。例えば、試料溶液４において、糖などの非電解質の溶解量が変化したとき、すなわち、溶液の非イオン成分の濃度が変化したときには、比誘電率が変化し、反射スペクトルにおいて主に周波数がシフトする。また、試料溶液４において、塩・酸などの電解質の溶解量が変化したとき、すなわち、溶液のイオン成分の濃度が変化したときには、導電率が変化し、反射スペクトルにおいて主に反射強度が変化する。
溶液のイオン成分および非イオン成分がともに変化した場合には、比誘電率の影響が導電率の影響よりも大きい試料溶液４ではインピーダンスマッチング周波数のシフトが顕著であり、導電率の影響よりも比誘電率の影響が小さい試料溶液４では電磁波の反射強度の変化が顕著である。すなわち、試料溶液４が、電解質溶液、非電解質溶液、および電解質と非電解質との混合溶液のいずれの場合も、濃度変化の測定が可能である。

また、血中糖濃度による糖尿病診断においては、空腹時血糖値が１２６ｍｇ／ｄＬ以上であることが挙げられているが、１２６ｍｇ／ｄＬのグルコース濃度を重量％で示すと０．１２６となり、最低でも０．０１重量％以上の測定分解能が必要となり、０．００１重量％以上の精度が好ましく、０．０００１重量％以上の精度がより好ましい。「電磁波の反射率がゼロ（極小値）に近づくように」とは、電磁波の反射率が上記測定分解能を満たす程度に小さいことを意味する。電磁波の反射率がゼロに近づくほど測定分解能は向上するので、例えば、電磁波の反射率を１／１００程度まで減少させると、０．１重量％の濃度変化が、電磁波の反射率を１／１０００程度まで減少させると、０．０１重量％の濃度変化が、電磁波の反射率を１／１００００程度まで減少させると、０．００１重量％の濃度変化が、電磁波の反射率を１／１０００００程度まで減少させると、０．０００１重量％の濃度変化が、それぞれ顕著に検出できる。導電率や誘電体層の屈折率も電磁波の反射率と同じ正確性で厳密に制御されるようにすることが好ましい。すなわち、インピーダンス整合層を介してリファレンス溶液３に電磁波を照射して、誘電体層２の表面からの反射波７’、および、誘電体層２とリファレンス溶液３の界面からの反射波７’’が発生するとき、反射波７’と反射波７’’とを合わせた反射波７の強度は、入射波の強度の１／１００以下が好ましく、１／１０００以下がより好ましく、１／１００００以下がさらに好ましく、１／１０００００以下が極好ましい。

本実施形態では、リファレンス溶液３として、純水または濃度既知の水溶液が用いられる。リファレンス溶液３として純水を使用する場合、純水でインピーダンスマッチングを実現できる誘電体層２を選択して使用することにより、純水（濃度０）から濃度偏倚を有する試料溶液４について、微量物質の濃度を測定することが可能である。また、リファレンス溶液３として、濃度既知の水溶液を使用する場合、濃度既知の水溶液でインピーダンスマッチングを実現できる誘電体層２を選択して使用することにより、インピーダンスマッチングさせた任意の濃度からの濃度偏倚を測定することが可能である。例えば、ヒトの血糖値レベルであるグルコース１００ｍｇ／ｄｌをリファレンス溶液３として、インピーダンスマッチングさせ、グルコース１００ｍｇ／ｄｌからの濃度の偏倚を測定することが可能である。

本実施形態では、電磁波を入射させる媒質は、真空１が用いられているが、真空に限らず、空気等の気体でもよい。

（誘電体層の屈折率・厚さの決定方法）
本発明では、電磁波を照射する測定試料溶液の照射面に、インピーダンス整合層である誘電体層２を配置する。
誘電体層２は、リファレンス溶液３にインピーダンスマッチングする厚さｄ、屈折率ｎの誘電体層である。誘電体層２の厚さｄ、屈折率ｎは、図１（ａ）に示すように、リファレンス溶液３において電磁波の反射率がゼロ（極小値）に近づくように後述される数式を用いて決定される。これによって、周波数の変化値、又は、電磁波の反射強度の変化値を高精度で検出することができ、溶液中の物質の濃度変化を測定することができる。また、インピーダンスマッチング時の周波数ｆ_０は、マッチング周波数ともいう。

誘電体層２におけるインピーダンスマッチングの条件、すなわち電磁波による反射波が最小になる条件としての振幅整合条件と位相整合条件は、誘電体層２やリファレンス溶液３に電磁波の吸収がない場合、真空１と誘電体層２との界面での反射波のフレネル係数をρ_０、誘電体層２とリファレンス溶液３との界面での反射波のフレネル係数をρ_１とすると式（１）および式（２）になる。真空１の屈折率をｎ_０、リファレンス溶液３の屈折率をｎ_ｗとする。

また、誘電体層の上下面による多重反射の影響を考慮した全体のフレネル係数ρは式（３）になる。

よって、全体の反射率Ｒはフレネル係数ρを用いると、式（４）になる。

全体の反射率Ｒは、屈折率を用いて表すと式（５）になる。

式（５）より反射率Ｒをゼロにするための振幅整合条件は式（６）になる。

振幅整合条件とは、誘電体層２の表面からの反射波と、誘電体層２とリファレンス溶液３との界面からの反射波と、の振幅が同じになる条件である。

また、位相整合条件、すなわち、誘電体層２の表面からの反射波の位相と、誘電体層２とリファレンス溶液３との界面からの反射波の位相が逆相になる条件は、位相差２ｎｄｃｏｓθが垂直入射の場合にはｃｏｓθ＝１となるため、式（８）のように表される。

上記の振幅整合条件および位相整合条件を満たし、反射量を最小にするためには、各媒質の屈折率の関係がｎ_０＜ｎ＜ｎ_ｗを満たす必要がある。この条件により、真空１から誘電体層２とリファレンス溶液３に電磁波を照射すると、疎な物質から密な物質に電磁波が入射するため、反射波の位相はそれぞれ１８０度ずれ、反射波同士は同相となるが、位相整合条件を満たす場合には水溶液からの反射波がさらに１８０度ずれるため真空１で重なるときには逆相となる。
式（７）の振幅整合条件と式（８）の位相整合条件のそれぞれを満たすとき、特定の周波数で合計の反射率が最小となる。

誘電体層２におけるインピーダンスマッチングの条件において、誘電体層２およびリファレンス溶液３に電磁波の吸収がある場合、振幅整合条件は以下のようになる。
誘電体層２およびリファレンス溶液３の複素屈折率は、それぞれＮ＝ｎ－ｊｋ、Ｎ_ｗ＝ｎ_ｗ－ｊｋ_ｗとし、入射媒質には電磁波の吸収がないとする。また、誘電体層２を１回通過した電磁波は，Δだけ位相が変化する。

ここで、δは電磁波の吸収がない場合の位相変化であり、γは電磁波の吸収による減衰に関する係数である。これより、全体のフレネル係数ρは以下のようになる。

ただし、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、式（１４）～式（１８）になる。

したがって、反射率Ｒおよび位相φ_Ｒは式（１８）、式（１９）に表される。

つまり、媒質で電磁波の吸収がある場合についても振幅整合条件を求めることができる。

（ＦＤＴＤ法）
また、水および水溶液は、複素誘電率を用いて表され、周波数依存性がある。上述したインピーダンスマッチング条件を満たす、誘電体層２の最適な厚みｄ、および、実効屈折率ｎを高精度で決定するために、電磁界解析法において、ＦＤＴＤ法は有効な方法である。

ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ－ＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ；時間領域差分）法とは、広く用いられている数値電磁界解析法であり、１９６６年にＫ．Ｓ．Ｙｅｅにより基本的アルゴリズムが提案された、時間領域のマクスウェル方程式（電磁現象の最も基礎的な法則）を直接差分化する手法である。

ＦＤＴＤ法による逐次解析手法の一例として、以下（１）～（６）の手順が挙げられる。ただし、以下手順によって、本実施形態におけるＦＤＴＤ法を用いた逐次解析手法が制限されるものではない。
（１）領域を細かいセルに分割し、それぞれのセルに対しマクスウェル方程式を定式化する。すなわち、マクスウェルの微分方程式の時間と空間の微分を差分で表した式を作る。
（２）それぞれのセルに媒質の定数を与える。すなわち、真空、誘電体、導体等様々な媒質で構成される領域に、媒質の誘電率、導電率、透磁率等を設定する。
（３）励振を与え，電磁波源を作る。すなわち、励振面で正弦波の平面波を与える。
（４）全領域の各セルの電磁界を算出する。
（５）微小時間経過後の正弦波を励振面に与え、上記計算を定常状態、つまり、電磁波が領域全体に伝わり一定の状態、になるまで繰り返し、その時の電力観測面での反射電力、透過電力を算出する。
（６）励振する周波数を変化させ，上記（１）～（５）の計算を繰り返す。

図２は、電磁界解析法に使用する解析構造３０のモデルを示す図である。図２において、Ｐは以下で説明する周期、ｄは誘電体層２の厚さ、ｅは真空１側のＰＭＬ面３１とリファレンス溶液３または試料溶液４側のＰＭＬ面３４との距離、ｆは真空１側のＰＭＬ面３１と、リファレンス溶液３もしくは試料溶液４内の観測面３２、との距離、ｇは真空１側のＰＭＬ面３１と、真空1および誘電体層２の界面、との距離、ｈは真空１側のＰＭＬ面３１と励振面３３との距離、ｉは真空１側のＰＭＬ面３１と観測面３２との距離である。また、ＦＤＴＤ法において用いる解析構造３０は、セルサイズを設定する必要がある。

開放領域の解析を行う場合、解析領域は有限なため、解析構造の終端で反射が生じないように吸収媒質で囲む必要がある。本実施形態では、吸収境界条件の一つであるＰＭＬ（ＰｅｒｆｅｃｔＭａｔｃｈｅｄＬａｙｅｒ）面３１、３４を使用している。
観測面３２において、一定時間に透過する電力を算出し励振した電力に対する比を求め、反射電力と透過電力を算出する。
励振面３３は、正弦波の平面波を発生させる面であり、電磁波の発生源となる。ｚ方向のみに進行する電磁波を励振すると、励振面の後方にある観測面は、媒質からの反射電力を観測する面となる。
セルサイズは、Ｙｅｅのアルゴリズムによる微小セルを表す。ｙ方向が一様（ｙ方向は無限に広がっていて、電磁界も一様に広がっている）場合には、二次元解析としてΔｘおよびΔｚを設定する。三次元解析では、Δｘ、Δｙ、および、Δｚを設定する。任意のセルサイズを制限なく設定することができるが、逐次解析によるずれを防ぐように、セルサイズΔｘ、Δｙ、および、Δｚの数値を設定する必要がある。例えば、誘電体層２のセルサイズΔｘ、Δｙ、および、Δｚとして、１００μｍ以下を用いると、逐次解析のずれを防ぐことができる。セルサイズは５０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下がさら好ましく、１μｍ以下がさらにより好ましく、０．１μｍ以下が極好ましい。また、セルサイズΔｘ、Δｙ、および、Δｚは、それぞれ同じ数値でも異なる数値の組み合わせでもよい。後述する複合誘電体層３００、および、複合誘電体層４００において、５μｍ以下のセルサイズを設定することにより、多層構造の層数分の逐次解析によるずれが蓄積されて、インピーダンスマッチングの条件から大きくずれてしまうことを防ぐことができる。複合誘電体層１００、および、複合誘電体層２００において、０．１μｍ以下のセルサイズを設定することにより、微細構造で逐次解析によるずれが蓄積されて、インピーダンスマッチングの条件から大きくずれてしまうことを防ぐことができる。

（誘電体層の構造）
誘電体層２は、単層誘電体でも、複合誘電体層でもよい。誘電体層２を形成する材料としては、少なくとも１種類以上の誘電体であればよい。単層誘電体であれば、形成する材料により屈折率ｎが決定されるので、インピーダンスマッチングするように、誘電体層の厚さｄを決定すればよい。

複合誘電体層では、２種類以上の誘電体から構成され、異なる種類の誘電体は異なる屈折率を有するため、厚さｄに加えて、実効屈折率の制御が可能である。所望の実効屈折率を得るために、複合誘電体層内として、後述する構造をもつ誘電体層が挙げられる。
図３、図４、図５では、電磁波の入射方向をｚ方向、照射面をｘｙ平面として、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を表示している。複合誘電体層の構造について以下に説明する。

図３は、複合誘電体層の構造の一つの態様を模式的に示す図である。図３（ａ）は、複合誘電体層１００の斜視図であり、図３（ｂ）は、複合誘電体層１００のｘｙ平面に沿う断面図である。図３（ｃ）は、ＦＴＤＴ法による解析を行う１ユニットの誘電体１０３の概要を示す図である。
図３（ａ）～図３（ｃ）に示すように、複合誘電体層１００は、直方体の誘電体１０１中に直径２ａμｍの球形の誘電体１０２を有する１ユニットの誘電体１０３を、複数ユニット有し、１ユニットの誘電体１０３がｘｙ平面上に周期的に隣り合って配置されることで形成されている。１ユニットの誘電体１０３の厚さ、すなわちｚ軸上の長さはｄμｍ、ｘ軸上、ｙ軸上の長さはＰμｍであり、ｘｙ平面上に隣あう球形の誘電体１０２の球の中心間の距離はＰμｍである。図３（ａ）では１ユニットの誘電体１０３が９個周期的に配置され、複合誘電体層１００が構成されているが、複合誘電体層１００における１ユニットの誘電体１０３の個数は、周期的に隣り合って配置されていれば、制限はなく、何個でもよい。
実効屈折率を所望の数値にするために、直方体の誘電体１０１と球形の誘電体１０２との体積比を変化させてもよい。例えば、球形の誘電体１０２の半径ａを変える方法は、実効屈折率を簡単に制御できる方法の一つである。

図４は、複合誘電体層の構造の他の態様を模式的に示す図である。図４（ａ）は、複合誘電体層２００を斜視図であり、図４（ｂ）は、直方体の誘電体２０２の斜視図である。図４（ｃ）は、ＦＴＤＴ法による解析を行う１ユニットの誘電体２０３の概要を示す図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、複合誘電体層２００は、ｚ軸上の長さはｄμｍ、ｘ軸上、ｙ軸上の長さはａμｍの直方体の誘電体２０２を内包する、ｚ軸上の長さがｄμｍ、ｘ軸上、ｙ軸上の長さがＰμｍの直方体の誘電体２０１を有する１ユニットの誘電体２０３を、複数ユニット有し、１ユニットの誘電体２０３がｘｙ平面上に周期的に隣り合って配置されることで形成されている。図４（ａ）では１ユニットの誘電体２０３が９個周期的に配置され、複合誘電体層２００が構成されているが、複合誘電体層２００における１ユニットの誘電体２０３の個数は、周期的に隣り合って配置されていれば、制限はなく、何個でもよい。
実効屈折率を所望の数値にするためには、直方体の誘電体２０１と直方体の誘電体２０２との体積比を変化させてもよい。例えば、直方体の誘電体２０２のｘ軸上、ｙ軸上の長さａを変える方法は、実効屈折率を簡単に制御できる方法の一つである。

本実施形態の態様として、２種類の誘電体から形成される複合誘電体層の構造を上述したが、誘電体は３種類以上の複合誘電体層でもよく、複合誘電体層の構造は、上述した複合誘電体層の構造の態様に限らない。
例えば、複合誘電体層１００内の球形の誘電体１０２が楕円球形等でもよく、複合誘電体層２００内の直方体の誘電体２０２のｚ軸上の長さが直方体の誘電体２０１のｚ軸上の長さより小さい値をとり、内包されていてもよい。複合誘電体層１００および複合誘電体層２００がｘｙ平面上だけでなくｚ軸上にも周期的に配置されて複合誘電体層を形成していてもよい。
また、４種類以下の誘電体材料からなる複合誘電体層であれば、複合誘電体層を作成する際の歪制御などが抑えられる。

他の態様として、図５（ａ）、および、図５（ｂ）に示すように、誘電体３０１と誘電体３０２とがｘ軸方向に交互に積層された複合誘電体層３００、および誘電体４０１～４０８がｚ軸方向に順に積層された複合誘電体層４００が挙げられる。また、誘電体３０１と誘電体３０２は、異なる誘電体材料であり、誘電体３０１のｘ軸方向の厚さＤｘ１と誘電体３０２のｘ軸方向の厚さＤｘ２は、同じでもよく、異なっていてもよい。本実施形態の複合誘電体層３００では、２種類の誘電体が積層されているが、３種類以上の誘電体材料が積層されていてもよい。
本実施形態では、誘電体４０１～４０８に用いられる誘電体材料の種類およびそれぞれの厚さは、特に限定されないが、異なる種類の誘電体材料でもよく、同じ種類の誘電体材料が誘電体４０１～４０８のうちいずれか２つ以上の誘電体に用いられていてもよく、またその配置の順序にも制限はない。また、誘電体４０１～４０８のｚ軸方向の各誘電体の厚さＤｚ１～Ｄｚ８は、それぞれ、照射する電磁波の波長に応じて選択できる。

本発明で用いる解析においては、複合誘電体層は、周期的に隣り合って配置される、すなわち周期構造をもつための、１ユニットの誘電体の大きさ、すなわち周期Ｐは、特に制限されない。周期Ｐは、マイクロ波～ミリ波帯では、好ましくは１～１０ｍｍ程度、より好ましくは２～６ｍｍ程度、さらに好ましくは３～４ｍｍ程度に設定し、ＴＨｚ波では、好ましくは０．１～１００μｍ程度、より好ましくは０．５～５０μｍ程度、さらに好ましくは１～１０μｍ程度に設定する。ＦＴＤＴ法において、周期的境界条件を用いて、１ユニットの誘電体が周期構造をもつことで形成された平面（波長に対して十分大きく、ほぼ無限大である平面）として解析結果を得ているため、周期Ｐは、特に制限されない。

（誘電体層の材料）
誘電体層２を形成する材料として、公知の誘電体を特に制限なく用いることができる。例えば、クリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル樹脂）、ポリエチレン、ポリイミドなどのプラスチック、セラミックス、油などの液体、シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料等が挙げられる。
その製造方法も、公知の方法を特に制限なく用いることができるが、例えば、ポリイミドやアクリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル樹脂）は、液体状物質を塗布し溶剤を乾燥させ、必要に応じて熱処理をすることで、所望の膜厚の誘電体層を得ることができ、ポリエチレンやセラミックス、シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料は、切削や研磨を用いることで、所望の膜厚の誘電体層を得ることができる。
誘電体層２を形成する材料として、例えば、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、メラミン樹脂、光学プラスチック（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などが好適である。その製造方法も、公知の方法を特に制限なく用いることができるが、例えば、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、メラミン樹脂、光学プラスチック（ポリメタクリル酸メチル樹脂）等は、各種液状材料を用いた射出成型による所望の膜厚の誘電体層の形成や、スプレーコーティングやスピンコーティングによる塗布量制御による膜厚制御による形成が可能である。さらには、所定よりも厚い板材から、切削や研磨によって所望の膜厚の誘電体層を得ることも可能である。

本実施形態の複合誘電体層３００および複合誘電体層４００では、誘電体が積層されており、その製造方法も公知の方法を特に制限なく用いることができるが、真空蒸着法、イオンアシスト蒸着法やスパッタリング法等の誘電体多層膜の成膜方法が挙げられる。
本実施形態の複合誘電体層１００および複合誘電体層２００では、あらゆる誘電体材料の組み合わせが可能である。
例えば、各種気体の比誘電率が1程度、樹脂を含む各種高分子の比誘電率は２～４、各種セラミックスの比誘電率は２０～１００であることは公知である。複合誘電体層１００を構成する誘電体１０１および１０２、複合誘電体層２００を構成する誘電体２０１および２０２、複合誘電体層３００を構成する誘電体３０１および３０２、誘電体層４００を構成する誘電体４０１および４０２の組み合わせとして、組み合わせる誘電体材料は限定されないが、各種高分子と各種セラミックス、各種気体と各種セラミックス、各種気体と各種高分子、各種高分子と各種高分子、各種セラミックと各種セラミックス等を組み合わせることができ、誘電体材料により異なる比誘電率を持つことから、複合誘電体層の誘電率および実行屈折率を制御することが可能である。

例えば、マシナブルセラミックスなどが好適である。マシナブルセラミックスは、ガラスをマトリックスとし、フッ素金雲母・ジルコニア微結晶を均一に析出させた緻密な複合マイカセラミックスで、電気絶縁性、耐熱性、断熱性に優れており、切削可能であるという特徴も持つ。インピーダンス整合層として、屈折率の制御が可能であるため、好適である。
マシナブルセラミックスの製造方法は、公知の方法を特に制限なく用いることができるが、例えば、特殊な組成のガラスを成形した後に、適当な温度で再加熱してガラス母材中に結晶を析出させる結晶化ガラスや微結晶焼結などがある。結晶化ガラスの結晶は、例えば、フッ素金雲母、希土類アルミノケイ酸塩を析出させたものがある。微結晶焼結は、例えば、雲母、チタン酸アルミニウム、ワラストナイト、窒化ホウ素などを焼結させたものがある。

(測定装置)
本発明の水溶液の濃度測定装置には、電磁波の微小反射特性を検知できることが求められる。ネットワークアナライザは有効な測定手段と考えられる。以下にネットワークアナライザの反射測定の工程を説明する。
図６は、ネットワークアナライザの反射測定の基本構成を示す図である。マイクロ波からミリ波領域の電磁波を使用するにあたり、ネットワークアナライザ４０を使用した際の反射測定は、信号発生器４１でＤＵＴ（ＤｅｖｉｃｅＵｎｄｅｒＴｅｓｔ：非測定物）４２に入力する信号を出力し、パワースプリッタ４３で信号を２分岐し、分岐させた信号の１つはＤＵＴ４２を通らないルートを通ってリファレンス受信部４４に到達し、もう１つの信号は方向性結合器４５を通過してＤＵＴ４２に到達し、ＤＵＴ４２から反射した信号が方向性結合器４５を通ってテスト受信部４６に到達する。方向性結合器４５は、端子間の信号が通過できる向きが制限されているデバイスで、本発明において、反射特性の測定に使用される。
リファレンス受信部４４およびテスト受信部４６で、到達した信号の信号レベルと位相を検出し、データ処理部で、リファレンス受信部４４の信号レベル（ＤＵＴ４２を通らないルート）に対するテスト受信部４６（ＤＵＴ４２から反射するルート）の比較をする。ＤＵＴ４２を通らないルートの信号とＤＵＴ４２から反射した信号を検出・比較することによって、ＤＵＴ４２に信号を入力した場合にどのくらいの割合で信号が反射するか、また、入力信号と反射信号の位相差を測定することが可能となる。

また、ネットワークアナライザを用いて反射スペクトルを測定すると、所望の反射波以外の反射波も加わっている。所望の反射波を観測するために、周波数領域での測定データを逆フーリエ変換することにより、時間領域に変換するタイムドメイン法を使用することも有用である。

タイムドメイン法は、ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ（ＴＤＲ：時間領域反射率測定法）ともいわれる。高速なステップ信号をＤＵＴに入力し、そのＤＵＴのインピーダンスに応じて発生する信号の反射波の振幅やステップ振動を出力してから反射波が返ってくるまでの時間を求めることができる。この時間を用いることによって、信号発生器からＤＵＴまでの距離を求めることができ、さらにはＤＵＴのインピーダンスを求めることができる。一般的に、オシロスコープでＴＤＲを使用する場合にはステップ信号を入力するが、ネットワークアナライザでは正弦波を用いる。ネットワークアナライザの信号源から発振される信号は周波数を連続的に変化させる周波数掃引を用いる。そのため、それぞれの周波数について逆フーリエ変換することで時間領域の結果を得ることができる。
よって、Ｇａｔｉｎｇ処理は、時間領域においてインピーダンスマッチングの前後のピーク間の時間を取り出して、不必要な時間領域を削除し、不要な反射波を取り除くことによって、必要な反射波のみを観測できる有用な方法の一つであり、本発明においても好適である。

また、電磁波を照射する照射部としては、公知の装置でよく、何ら制限なく用いることができる。電磁波としては、マイクロ波、ミリ波、および、ＴＨｚ波が用いられる。

＜ＦＴＤＴ法結果＞
（単層誘電体層）
図７は、単層誘電体を配置し、純水のインピーダンスマッチング周波数を示す図である。図２におけるＦＴＤＴ法のパラメータで、Ｐ＝３６００μｍ、ｅ=６００００μｍ、ｆ＝５７５００μｍ、ｇ＝１００００μｍ、ｈ＝３０００μｍ、ｉ＝２５００μｍ、セルサイズΔｘ＝Δｚ＝５０μｍと設定した。
純水に対する単層誘電体層のインピーダンスマッチング周波数は２２．５４４６２１ＧＨｚで、マッチング周波数における電磁波の反射強度は－１０７．５ｄＢである。インピーダンスマッチング条件を満たす誘電体層は、厚さｄ＝１．０５ｍｍで、屈折率ｎ＝２．７９５５６である。

リファレンス溶液として純水を用いた場合の試料溶液において、非イオン成分の濃度変化をΔｃ’、イオン成分の濃度変化をΔｃ’’とする。すなわち、純水では、Δｃ’＝０、Δｃ’’＝０となる。濃度係数ｍは、非イオン成分のみの溶液ではΔｃ’：Δｃ’’＝ｍ：０、イオン成分のみの溶液ではΔｃ’：Δｃ’’＝０：ｍとなる。濃度係数ｍは、Δｃ’およびΔｃ’’の変化率を表す係数である。任意の実数ｘを用いて表すと、ｍ＝ｘの場合、Δｃ’：Δｃ’’＝ｍ：０であれば、純水の誘電率実部の値の変化量Δｃ’が（１００×ｘ）％となり、Δｃ’：Δｃ’’＝０：ｍであれば、純水の誘電率虚部の値の変化量Δｃ’’が（１００×ｘ）％となる。

図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、濃度係数ｍを０から０．０１までは０．００１毎に、０．０１から０．０７までは０．０１毎に変化させたときの試料溶液からの電磁波の反射強度を示す図である。
図８（ａ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝ｍ：０であり、インピーダンスマッチング周波数を谷としてもつ試料溶液からの電磁波の反射スペクトルが非イオン成分の濃度変化によって周波数シフトすることがわかる。

図８（ｂ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝０：ｍであり、試料溶液からの電磁波の反射強度がイオン成分の濃度変化によって変化することがわかる。

図９（ａ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝ｍ：０．５ｍであり、図９（ｂ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝ｍ：ｍであり、図９（ｃ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝０．５ｍ：ｍである。

図１０は、図８、図９を異なる視点から表した図である。図１０（ａ）は、Δｃ’：Δｃ’’をｍ：０、ｍ：０．５ｍ、ｍ：ｍ、０．５ｍ：ｍ、０：ｍとしたときの、濃度係数ｍに対するインピーダンスマッチング周波数を示す図である。図１０（ａ）より、比誘電率が導電率よりも大きい試料溶液ではインピーダンスマッチング周波数のシフトが顕著である。
図１０（ｂ）は、Δｃ’：Δｃ’’をｍ：０、ｍ：０．５ｍ、ｍ：ｍ、０．５ｍ：ｍ、０：ｍとしたときの、濃度係数ｍに対する電磁波の反射強度の最小値を示す図である。図１０（ｂ）より、導電率よりも比誘電率が小さい試料溶液では電磁波の反射強度の変化が顕著である。すなわち、試料溶液が、あらゆる電解質、非電解質、および電解質と非電解質との混合の溶液で応用可能であるといえる。

（複合誘電体層１００）
図２におけるパラメータで、Ｐ＝３６００μｍ、ｅ=６００００μｍ、ｆ＝５７５００μｍ、ｇ＝１００００μｍ、ｈ＝３０００μｍ、ｉ＝２５００μｍ設定する。サンプリング周波数０．００１ＧＨｚとする。複合誘電体層１００は、厚さｄ＝１１００μｍで、比誘電率εr_１＝２の直方体状の樹脂内に、比誘電率εr_２＝８０の球状のセラミックスを配置する。セルサイズは、誘電体層部分のセルでは、Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝０．１μｍ、それ以外のセルでは、Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝５０μｍとする。
なお、各種樹脂の比誘電率は２～４、各種セラミックスの比誘電率は２０～１００であることは公知であるため、複合誘電体層１００として、比誘電率εr_１＝２の直方体状の樹脂内に、比誘電率εr_２＝８０の球状のセラミックスを配置した。
図１１（ａ）は、直径２ａμｍの球状のセラミックにおいて、直径２ａを８９８μｍ、８９９μｍ、９００μｍ、９０１μｍと変化させて、電磁波の反射強度を示す。図１１（ｂ）は、直径２ａμｍの球状のセラミックにおいて、直径２ａを７００μｍ、８００μｍ、９００μｍ、１０００μｍと変化させて、実効屈折率を示す。実効屈折率は、球状のセラミックの直径により、変化する。

（複合誘電体層２００）
図２におけるパラメータで、Ｐ＝３６００μｍ、ｅ=６００００μｍ、ｆ＝５７５００μｍ、ｇ＝１００００μｍ、ｈ＝３０００μｍ、ｉ＝２５００μｍと設定する。サンプリング周波数０．００１ＧＨｚとする。複合誘電体層２００は、比誘電率εr_１＝３．４の直方体状のポリイミド内に、比誘電率εr_２＝１１．７の直方体状のシリコンを配置する。セルサイズは、誘電体層部分のセルでは、Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝０．１μｍ、それ以外のセルでは、Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝５０μｍとする。
図１２は、厚さｄ＝１０００．３μｍで、ａ＝８５２μｍである誘電体層を用いて、濃度係数ｍを―０．００３から０．０００３までは０．００１毎に、変化させたときの試料溶液からの電磁波の反射強度を示す図である。
図１２（ａ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝ｍ：０であり、図１２（ｂ）、および、図１２（ｃ）は、Δｃ’：Δｃ’’＝０：ｍである。Δｃ’によるマッチング周波数のシフト、およびΔｃ’’による反射強度の変化がわかる。

図１３は、図１２を異なる視点から表した図である。図１３（ａ）は、比誘電率εおよび導電率σについて、Δｃ’およびΔｃ’’に対する反射率を示す。図１３（ｂ）は、比誘電率εおよび導電率σについて、Δｃ’およびΔｃ’’に対するマッチング周波数を示す。分散係数Ｒ^２が１もしくは限りなく１に近く、比誘電率εおよび導電率σの変化量が高精度で測定されている。

（その他の複合誘電体層）
図１４は複合誘電体層２００、複合誘電体層３００、複合誘電体層４００における反射強度を示す結果である。
図２におけるパラメータで、Ｐ＝３６００μｍ、ｅ=６００００μｍ、ｆ＝５７５００μｍ、ｇ＝１００００μｍ、ｈ＝３０００μｍ、ｉ＝２５００μｍと設定する。サンプリング周波数０．００１ＧＨｚとする。
複合誘電体層２００は、図４において、比誘電率εr_１＝３．４の直方体状のポリイミド内に、比誘電率εr_２＝１１．７の直方体状のシリコンを配置し、ｚ軸方向の誘電体層の厚さｄ＝１０００μｍ、ａ＝８５２μｍとした。セルサイズは、誘電体層部分のセルでは、Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝０．１μｍ、それ以外のセルでは、Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝５０μｍとする。
複合誘電体層３００は、図５（ａ）において、誘電体３０１のｘ軸方向の厚さＤｘ１＝５３５μｍ、比誘電率２．０のシリコン樹脂等と、誘電体３０１のｘ軸方向の厚さＤｘ２＝４６５μｍ、比誘電率８０のセラミックスとを積層することで、ｘ軸方向の周期的構造を形成し、ｙ軸方向の周期構造は１ｍｍで繰り返し、ｚ軸方向の誘電体層の厚さは０．５ｍｍとした。セルサイズは、誘電体３０１では、Δｘ＝５３．５μｍ、誘電体３０２では、Δｘ＝４６．５μｍとする。さらに、Δｙ＝Δｚ＝５０μｍとする。
複合誘電体層４００は、図５（ｂ）において、誘電体４０１、４０３、４０５、および、４０７は比誘電率８０のセラミックス、誘電体４０２、４０４、４０６、および、４０８は比誘電率２．０のシリコン樹脂等とする。誘電体４０１～４０８のｚ軸方向の各層の厚さは、Ｄｚ１＝５５μｍ、Ｄｚ２＝５μｍ、Ｄｚ３＝２０μｍ、Ｄｚ４＝５０μｍ、Ｄｚ５＝８５μｍ、Ｄｚ６＝４０μｍ、Ｄｚ７＝１７０μｍ、Ｄｚ８＝２１０μｍとする。セルサイズは、Δｘ＝Δｙ＝５０μｍ、Δｚ＝５μｍとする。
複合誘電体層の構造の変化により、インピーダンスマッチング周波数が変化する。

（Ｇａｔｉｎｇ）
図１５は、ネットワークアナライザによるタイムドメイン法を用いた、セラミックスを誘電体膜としたときの純水の反射スペクトルの測定結果を示す図である。

（ＴＨｚ領域）
図２において、ＦＴＤＴ法において、Ｐ＝６μｍ、ｅ=８００μｍ、ｆ＝７００μｍ、ｇ＝２００μｍ、ｈ＝１００μｍ、ｉ＝８０μｍ、セルサイズΔｘ＝Δｙ＝Δｚ＝０．１μｍと設定する。サンプリング周波数０．０１ＧＨｚとする。複合誘電体層２００の構造をとり、比誘電率εr_１＝２．５６の直方体状の高分子内に、比誘電率εr_２＝１の直方体状の真空（空気）を配置する。
例えば、εr_１＝２．５６の高分子としてはポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、メラミン樹脂、光学プラスチック（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などが相当する。
図１６（ａ）は、厚さｄ＝２０μｍの複合誘電体層２００内の直方体状の誘電体２０２において、長さａを２．８１μｍから２．８６μｍまで０．０１μｍ毎に、反射強度を測定した結果である。図１６（ｂ）は、長さａμｍ＝２．８４μｍの直方体状の誘電体２０２において、厚さｄを１９．８７μｍから１９．９１μｍまで０．０１μｍ毎に、電磁波の反射強度を解析した結果である。複合誘電体層はＴＨｚ領域も含む広範囲の周波数域で有用である。

＜実測結果＞
（単層誘電体層）
マイクロ波帯～ミリ波帯ネットワークアナライザ（Ｎ５２４４Ａ、ＡｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を用いて、インピーダンスマッチングを用いた反射測定を行った。樹脂製容器に誘電体層を接着し、ネットワークアナライザに接続した同軸導波管変換器上に設置した。また、測定時に導波管の位置が変わらないように固定する。導波管の測定可能周波数範囲は２０ＧＨｚから４３．５ＧＨｚを利用した。

図１７ではポリエチレン単層誘電体層を配置して、試料溶液として、０ｇ／ｄＬ～１ｇ／ｄＬの濃度のグルコース溶液に、電磁波を照射して反射波の強度を測定した結果である。濃度により、反射強度が変化しているが、例えば、０ｇ／ｄＬ（純水）と０．１ｇ／ｄＬグルコース溶液（血中血糖値レベル）の反射強度差は、約０．３ｄＢである。

（複合誘電体層）
単層誘電体層における、反射強度の測定結果から、インピーダンスマッチングされた誘電体層を試料溶液の表面に配置することで、試料溶液における濃度変化を測定できることと、複合誘電体層と単層誘電体とのシミュレーション結果より、複合誘電体層ではより高精度で試料溶液における濃度変化を測定できると考えられる。
単層複合体で、十分なインピーダンスマッチングを生ぜしめる誘電率を持つ物質は実現しがたい場合にも、既存の誘電体から複合誘電体を形成することによって、十分なインピーダンスマッチングを実現できることができる。
またインピーダンスマッチング周波数により誘電体層の厚みは変化するが、本実施形態の複合誘電体層では、２０～３０ＧＨｚ付近では誘電体層２の厚みｄは９００～１１００μｍ程度、インピーダンスマッチング周波数が２～３ＴＨｚ領域では誘電体層２の厚みｄは１６～２１μｍ程度であった。ただし、誘電体層の厚みの変化に加え、複合誘電体を形成する構造の寸法や多層構造における厚みの調整などを行うことにより、各周波数帯において最適の誘電率を実現させ、より高い精度でインピーダンスマッチングを生じさせることが可能となる。

ヒトの皮膚（角質、上皮、および、真皮）に対応した誘電体層を組み合わせることで、インピーダンスマッチングを実現すると、ヒト血糖値等の高感度での非侵襲測定が可能になり、従来の血糖値測定法で問題となっている痛みや検査の際の医療廃棄物を除去できると考えられる。

真空１
誘電体層２
リファレンス溶液３
試料溶液４
入射波６
反射波７７’ ７’’
複合誘電体層１００２００３００４００
直方体の誘電体１０１２０１２０２
誘電体３０１３０２４０１４０２４０３４０４４０５４０６４０７４０８
球形の誘電体１０２
１ユニットの誘電体１０３２０３
解析構造３０
ＰＭＬ面３１３４
観測面３２
励振面３３
ネットワークアナライザ４０
信号発生器４１
ＤＵＴ４２
パワースプリッタ４３
リファレンス受信部４４
方向性結合器４５
テスト受信部４６

Claims

インピーダンス整合層を介して、水からなるリファレンス溶液に電磁波を照射したとき反射波の強度が入射波の強度の１／１００以下となるインピーダンス整合層を使用する、水溶液の濃度測定方法であって、
（ａ）前記インピーダンス整合層を介して、前記水からなるリファレンス溶液と、物質が溶解した試料溶液と、にそれぞれ電磁波を照射して、反射波について、マッチング周波数の変化値、および／又は、反射強度の変化値を検出することにより、前記試料溶液中の前記物質の濃度変化を測定すること
を含み、
前記電磁波は、マイクロ波、ミリ波、又はＴＨｚ波であり、
前記インピーダンス整合層が、２種以上の誘電体が隣り合って繰り返し配置された周期構造を有する、水溶液の濃度測定方法。
インピーダンス整合層を介して、濃度既知の水溶液からなるリファレンス溶液に電磁波を照射したとき反射波の強度が入射波の強度の１／１００以下となるインピーダンス整合層を使用する、水溶液の濃度測定方法であって、
（ａ）前記インピーダンス整合層を介して、前記濃度既知の水溶液からなるリファレンス溶液と、試料溶液と、にそれぞれ電磁波を照射して、反射波について、マッチング周波数の変化値、および／又は、反射強度の変化値を検出することにより、前記試料溶液中の物質の濃度変化を測定すること
を含み、
前記電磁波は、マイクロ波、ミリ波、又はＴＨｚ波であり、
前記インピーダンス整合層が、２種以上の誘電体が隣り合って繰り返し配置された周期構造を有する、水溶液の濃度測定方法。
前記（ａ）において、インピーダンスマッチング周波数の変化および反射強度の変化の両方に基づいて、前記試料溶液中の非イオン性物質およびイオン性物質の両方について濃度の変化を測定する、
請求項１または２に記載の水溶液の濃度測定方法。
試料溶液を内部に収容するとともに、前記試料溶液の照射面にインピーダンス整合層を備え、前記試料溶液に前記インピーダンス整合層を介して電磁波を照射する照射部と、
前記試料溶液から反射される反射波の周波数及び強度を検出する検出部と、
を有する水溶液の濃度測定装置であって、
前記インピーダンス整合層は、前記インピーダンス整合層を介してリファレンス溶液に電磁波を照射して前記リファレンス溶液から反射される反射波の強度が入射波の強度の１／１００以下となる層であり、
前記電磁波は、マイクロ波、ミリ波、又はＴＨｚ波であり、
前記インピーダンス整合層が、２種以上の誘電体が隣り合って繰り返し配置された周期構造を有する、水溶液の濃度測定装置。