CN1479864A

CN1479864A - 特定成分信息测量装置

Info

Publication number: CN1479864A
Application number: CNA028032861A
Authority: CN
Inventors: 内田真司; 大嵨希代子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-03
Also published as: JPWO2003021239A1; EP1422512A1; WO2003021239A1; US20040024541A1

Abstract

本发明提供不受试样表面障碍物质影响且能得到高信号强度的特定成分信息测量装置和测量方法。该测量装置具有光源(1)、对试样照射光源(1)的光线并且接收从所述试样返回的光线的ATR元件(2)、检测返回ATR元件(2)的光线的光检测器(4)、以及设定在所述光源(1)与所述光检测器(4)之间的光路中并且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通过得更多的起偏器(3)，根据由所述光检测器(4)检测出的光，测量所述试样中特定成分的浓度等信息。

Description

特定成分信息测量装置

技术领域

本发明涉及非侵入性测量试样中所含葡萄糖、胆固醇、酒精等特定成分的浓度信息等的特定成分信息测量装置。

背景技术

以往已提出用衰减全反射(下文简称为“ATR”)测量装置测量试样中(尤其是生物体和溶液中)的特定成分的方法。

例如，日本特开平9-113439号公报提出使具有一对平行相对的反射面的透明ATR元件紧贴上下嘴唇，测量血糖值的方法。

该方法将ATR棱镜衔在嘴上对其上下按压后，使光入射到ATR元件，在ATR元件的反射面与嘴唇的边界之间反复进行全反射，分析渗出到ATR元件外部的光线。

在BME Vol.5，No.8，(日本ME学会，1991)提出了这样的方法，即将ZnSe光学晶体等组成的ATR元件紧贴在嘴唇粘膜上之后，对该ATR元件入射波长9～11微米的激光，使ATR元件内部产生多重反射，并分析其吸收光、散射光，以测量血糖值和血中的酒精浓度。采用该方法，能以非侵入方式实时地测量葡萄糖浓度、酒精浓度、胆固醇浓度等特定成分的浓度。

上述方法将易失性光(“消散光”)用于定量分析。ATR元件中穿行的光仅少量浸入嘴唇，受该处所存在的体液中各种成分的影响。

例如，葡萄糖在光波数为1080/cm处存在光吸收峰，因而对生物体照射该波数的光时，吸收量随生物体中葡萄糖浓度的变化而不同。

因此，利用对生物体照射这种光，并且测量从生物体返回的光，能检测出随体液中各种成分的浓度变化而发生的吸收量变化，所以能得到各种成分的浓度信息。

然而，上述已有ATR测量装置存在下列问题。

易失性波的渗入深度通常与波长同一数量级，光只在生物体中通过很小的距离，因而存在不能得到足够的信号强度的问题。即，由于通过体液的光的光程长度非常短，被体液所吸收的光吸收量非常小，观测吸光度时不能得到足够的信号强度。图2所示虚线示出这种已有的ATR装置那样，不用起偏器而用无偏振光测量的、葡萄糖溶液在规定波长范围的吸光度。

这样，已有的ATR装置由于吸光度的信号强度不够强，也尝试进行重复全反射以增加信号强度的方法，但因多次反射而使光学元件有大型化并且成本提高的问题。

而且，由于光学元件变大，使测量也涉及更大范围，存在只能从特定的待测量处取得信号，造成分辨率低的问题。

又，易失性波渗入生物体中的深度与波长同一数量级，非常浅，因而在测量例如嘴唇粘膜中葡萄糖浓度等情况下存在问题。

亦即，只要嘴唇粘膜表面存在少量唾液，则光在唾液中通过并返回，因而具有不能测量其深处存在的嘴唇粘膜中的葡萄糖浓度的问题。

发明内容

因此，本发明鉴于上述存在问题，其目的为，提供不容易受试样表面障碍物质影响，并且能得到高信号强度的特定成分信息测量装置和测量方法。

为了解决上述课题，本发明第1项是一种特定成分信号测量装置，该装置具有光源、对试样照射从所述光源出射的光并且接收从所述试样返回的光的光学元件、检测出返回到所述光学元件的光的光检测器、和设定在所述光源与所述光检测器之间的光路中并且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通过得多的起偏器，根据由所述光检测器检测出的光测量所述试样中特定成分的信息。

本发明第2项是如本发明第1项所述的信息测量装置，其中所述光检测器检测所述光的光量，所述信息是有关浓度的信息，根据所述光量测量所述浓度。

本发明第3项是如本发明第1或第2项所述的信息测量装置，其中使所述光的波数与所述特定成分有对应关系。

本发明第4项是本发明第1～第3项中任一项所述的信息测量装置，其中所述光学元件是ATR元件，所述试样配置成接触所述ATR元件，所述光检测器检测从所述ATR元件渗到所述试样的P偏振分量的光。

本发明第5项是本发明第2～第4项中任一项所述的信息测量装置，其中所述光的波数至少包含1000/cm至1125/cm的范围，根据所述波数范围的光量测量所述试样中的葡萄糖浓度。

本发明第6项是本发明第1～第5项中任一项所述的信息测量装置，其中所述起偏器设置成与所述光学元件、所述光源或所述光检侧器合为一体。

本发明第7项是本发明第1～第6项中任一项所述的信息测量装置，其中所述光源是SiC光源或量子级联光源。

本发明第8项是本发明第1～第7项中任一项所述的信息测量装置，其中所述光检测器是MCT检测器或热电传感器。

本发明第9项是本发明第6～第8项中任一项所述的信息测量装置，其中在所述光学元件、所述光源或所述光检测器的对光进行输入输出的至少一部分上形成用于反射或吸收所述P偏振分量以外的偏振分量的至少一部分的遮光膜，在所述形成的部分上形成所述起偏器。

本发明第10项是如本发明第9项所述的信息测量装置，其中由所述多个所述ATR元件形成所述光学元件，对所述多个ATR元件进行准直校正，使光的输入输出面对齐，在所述准直校正后的面上形成所述遮光膜。

本发明第11项是本发明第1～第10项中任一项所述的信息测量装置，其中所述光的照射对象是生物体粘膜。

本发明第12项是本发明第1～第4项中任一项所述的信息测量装置，其中所述光的照射对象是气体。

附图说明

图1是示出本发明实施形态的特定成分浓度测量装置的组成的概略图。

图2是示出本发明实施形态的特定成分浓度测量装置的葡萄糖溶液吸光度测量结果的特性图。

图3是示出本发明实施形态的特定成分浓度测量装置的嘴唇粘膜吸光度的特性图。

图4表示本发明实施形态的特定成分浓度测量装置以气体为测量对象时的构成图。

图5是示出本发明实施形态的特定成分浓度测量装置的一部分的构成的立体图。

图6是示出本发明实施形态的特定成分浓度测量装置的一部分的构成的立体图。

图7是涉及本发明的浓度测量装置的剖面图。

图8是涉及本发明的浓度测量装置在使用状态下的剖面图。

附图中，1为光源，2为ATR元件，3为起偏器，4为光检测器。

具体实施形态

下面用附图详细说明本发明的实施形态。

下面用图1说明本发明的实施形态。图1是示出本发明实施形态的特定成分浓度测量装置的概略图。

采用SiC光源作为光源1。与钨、卤素光源相比，SiC光源能辐射长波长的红外光。在对例如葡萄糖那样波数为1080/cm的红外区中具有吸收峰的物质进行测量特别理想。

作为本发明的光学元件的一个例子的ATR元件2采用对例如波长1.1～10微米的光透明的硅单晶基片。特别是硼和磷等杂质含量小且电阻率为100Ω·cm以上的这种基片更理想。电阻率为1500Ω·cm以上的更好。这些高电阻率的硅对于约9～10微米波长的红外线透射率高，适合测量在这些频带具有吸收区的葡萄糖等物质。而锗在这些红外区也透明，因而也是理想的。将这种ATR元件2配置成与例如嘴唇粘膜等本发明的试样接触。

作为本发明的起偏器的一个例子的起偏器3配置在ATR元件与光检测器4之间的光路中。由于采用起偏器3，能从无偏振的红外光取出P偏振分量的光。即在上述状态下旋转起偏器3以对该起偏器进行设定，使到达光检测器4的光的偏振分量为P偏振光。光检测器4采用例如热电传感器或MCT检测器。

下面用图1说明本发明特定成分浓度测量装置的工作原理。从光源1射出并且射入到ATR元件2的光一面反复进行全反射，一面在ATR元件内传播。光在ATR元件2的界面上全反射，但这时光少量渗出到ATR元件2外侧的媒体(例如嘴唇粘膜)中。这样从界面渗出的光称为易失性光波，已知有在波长的几倍的长度上从界面渗出的情况。这样渗出的光受媒体中特定成分的影响，一面在ATR元件2内部传播，一面通过起偏器3被引导到光检测器4。光检测器4根据导入的光线的光量对该光线进行分析，决定与该波长对应的特定成分的浓度。

也就是说，光检测器4在与规定的波长对应的特定成分含量大的情况下检测出大的吸收峰，反之，特定成分含量少时则检测出小的吸收峰。然后，与光检测器具有的该波长上的基准吸收峰进行比较，以决定与该波长对应的特定成分的浓度。

在ATR元件2的外侧填充葡萄糖溶液作为本发明的试样，图2示出测量其吸光度特性的结果。作为试样的葡萄糖溶液，采用浓度为1000mg/dl的溶液。

图2所示实线示出如上所述将起偏器3设定成使P偏振光透射，并且在光波数从1000/cm到1125/cm的范围利用光检测器4对葡萄糖溶液的吸光度进行分光测量的结果。虚线示出无起偏器3的状态下进行测量时的结果。这样将起偏器3设定成使P偏振光透射，容易了解从ATR元件2渗出的P偏振状态的光的变化。

采用P偏振光时，分光特性的形状与无偏振时几乎相同，但各波长上的吸光度大小差别大。例如，在波数为1080/cm时，无偏振的情况下吸光度为约0.0058，而采用P偏振光时吸光度增大到0.0073左右。

这是由于P偏振光比无偏振光更多地渗入葡萄糖溶液中，光线渗入较深，结果使光路实质上加长。

这种情况意味着高灵敏度检测非常微弱的信号时，采用P偏振光进行检测较佳，如以上那样采用P偏振光能得到较好的结果。

图3示出采用嘴唇粘膜作为本发明试样时P偏振状态的光的吸光度特性。与图2所示葡萄糖溶液的情况一样，采用P偏振光时测得的吸光度比不用起偏器的无偏振时的吸光度大。例如，在波数为1080/cm时，无起偏器的无偏振光时吸光度为约0.007，而由于采用P偏振分量，吸光度大幅度增加到0.0125。

这是因为P偏振光比无偏振光能更深地渗入嘴唇粘膜，结果使吸光度增大。

因此，即使嘴唇粘膜上存在唾液等障碍物质，光也能通过该物质到达嘴唇粘膜，所以不容易受障碍物质的影响。这样，本发明的特定成分浓度测量方法、装置不局限于溶液，对嘴唇粘膜也有效。尤其测量嘴唇粘膜中的葡萄糖浓度时，利用P偏振光，从而能进行精度高且使用上有效的测量。这样，本实施形态的特定成分浓度测量装置就能以非侵入方式测量嘴唇粘膜中的葡萄糖浓度等生物体内特定成分的浓度。

以上的说明中，所作阐述假设在包含波数1000/cm至1125/cm的范围测量试样中的葡萄糖浓度，但该范围只是一个例子，也可在其他范围测量葡萄糖浓度。

本实施形态的特定成分浓度测量装置，作为生物体内的特定成分，不限于测量葡萄糖浓度，对酒精浓度、胆固醇浓度等特定成分的浓度当然也都能测量。

再者，本发明的特定成分浓度测量装置不仅能测量溶液中存在的特定成分，而且能测量气体的特定成分。图4示出一例本发明用作气体传感器的情况。

图4记述的浓度测量装置中，孔7形成于存在任意种气体的气管6上以便能安装导管5，并且将导管5***孔7。导管5的前端设置作为本发明光学元件之一例的，ATR元件构成的棱镜8。由折射率比所设想进行测量的气体的折射率大足够多的材料组成。棱镜8具有斜面9和斜面11，前者用于进行折射，以使从光源1入射的光照射到作为对象的气体与棱镜的界面10，后者用于进行折射，以将界面10上全反射的光引导到光检测器4。

下面说明这样构成的浓度测量装置的工作原理。从光源1出射的光在棱镜8的斜面10上折射后，到达棱镜8与气体的界面10。界面10上全反射的光在棱镜8的斜面11折射后，返回导管5内，通过起偏器3到达光检测器4。这时在界面10渗出部分光线，因而光检测器4通过起偏器3分析受气体影响的光。这时，如果将起偏器3设定成能透射P偏振波，则与上文所述的情况相同，能以更高精度分析气体的成分。一旦棱镜8表面上的气体浓度发生变化，则返回的光的光量发生变化，因而与上文所述的情况相同，能根据光量决定气体浓度。

这样，利用图4所示浓度测量装置，则不从气管6等抽取气体，就能分析该气体成分的浓度。

作为气体，只要在所用光源的波长上存在吸收，就能进行检测，例如能检测酒精、水、二氧化碳等。

图4所示的上述例子中，所作的说明假设气管6的孔7直接***导管5，进行气体浓度测量，但也可做成在气管6上设置测量用的阀(图中未示出)，通过该阀安装导管5的结构。在这种情况下，可在关闭该阀的状态下将导管5装到该阀的一端，而在测量气体浓度时只要打开该阀即可。

上述说明中，所作阐述假设将起偏器3如图1所示，配置在ATR元件与光检测器4之间，但并不限于上述位置，只要在光源1与光检测器4之间的光路上即可。这时也能取得与上文所述相同的效果。该情况下，起偏器3与例如光源1、光检测器4、ATR元件2等合为一体也是理想的。以此可实现装置的小型化。

图5表示起偏器与ATR元件2合为一体的例子。图5(a)为其立体图，图5(b)是从图5(a)的A方向看的剖面图。

对于ATR元件2光线入射或出射的面上形成作为本发明的起偏器的一个例子的线状遮光膜62。作为遮光膜62的材料只要是对使用的光进行反射或吸收的材料即可。然后，用例如掩模蒸镀、光刻法制版等方法，在ATR元件2的光入射或出射面上形成遮光膜。

遮光膜62的厚度为10nm以上、1微米以下较佳，不到10nm，则光透射，超过1微米，则形成遮光膜62时的蒸镀时间或蚀刻时间变长，因而不理想。

作为遮光膜62形成的线与线的间隔设定为例如0.5微米至3微米。将线与线的间隔设定成这种间隔，能多透射图5箭头方向的P偏振光。虽然图中未示出，但对遮光膜62而言，与该箭头正交的偏振分量的光几乎都被吸收而不能透射。

这样使起偏器与ATR元件2合为一体，起偏器就不需要对ATR元件定位，因而浓度测量装置组装简单。而且对浓度测量装置本身的小型化也有效。

图6示出一例批量生产具有上述那种起偏器的ATR元件的情况。

如图6所示，首先叠置多个ATR元件2。例如，图6表示将3级ATR元件2叠在一起的例子。在这种情况下，叠置得使ATR元件2输入输出光的侧面61对齐。

接着，在ATR元件61的入射面或出射面上用真空蒸镀法等成膜手段形成遮光膜62。这样能方便地在ATR上制作遮光膜。

利用这种制作方法，能在叠置在一起的ATR元件上统一形成起偏器，因而对批量生产有效。

以上的说明中，所作阐述一直假设光源1是SiC光源，但也可将量子级联激光光源用作光源1。量子级联光源比上述SiC光源发热量小，因而能抑制生物体或设备的热损坏问题，特别有用。

如上文所述，以上说明的特定成分浓度测量方法不限于溶液，对嘴唇粘膜的特定成分测量、用作气体传感器的特定气体成分测量也有效。

又，以上说明的浓度测量装置中，虽然图中未示出，但也有在光源1与ATR元件2之间设置分光手段的情况。这样，能测量特定成分的波长分光特性，因此可取得各种波长上的吸收特性，因而是理想的。尤其是采用干涉仪的FT-IR分光法能进行高灵敏度测量，因此是理想的。

如上所述，采用本发明，则可提供能利用简易的结构方便地取得高信号强度，能高精度测量特定成分的浓度的特定成分浓度测量装置和测量方法。本发明的特定成分浓度测量装置和测量方法能在微弱信号得到放大的状态下进行检测，因而实用上有利。

又，以上的说明中，所作阐述假设接收从试样返回的光，根据所接收光的光量测量试样中特定成分的浓度，但也可利用光的波长变化、散射状态等光量以外的参数代替光的光量，测量特定成分的浓度。即，本实施形态的特定成分浓度测量装置结构上也可做成根据接收的光，测量试样中特定成分的浓度的结构。在这种情况下，只要从界面渗出的光受与界面相接的试样的影响，使光的波长、散射状态等发生变化，就能得到与上文所述相同的效果。

以上的说明中，所作说明假设接收从试样返回的光，根据所接收的光测量试样中特定成分的浓度，但所测量的不限于浓度，也可测量温度，湿度、粘度、密度等浓度以外的信息。在这种情况下，可根据所接收的光，使上述信息与其对应。在这种情况下也能得到与上文所述相同的效果。

以上的说明中，将本发明的起偏器设定在其起作用的状态下能够使P偏振光通过，但本发明的起偏器不限于其作用状态仅使P偏振分量的光通过，也可以是使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通过得多的作用状态，这时也能得到与上文所述相同的效果。

亦即，上述本发明的起偏器未必仅透射完全偏振状态的光线，只要能透射比无偏振状态下的P偏振分量多的P偏振状态的光，就能得到与上文所述相同的效果。

又，本发明的范围包含使用时支持着上面所述的ATR元件2的支持机构。图7示出一例这种支持机构的剖面图。

图7所示的支持机构71配置光源1、起偏器3、光检测器4，并且具有支持ATR元件用的凹口73。而且，在凹口73又形成凹部72。该凹部72用于在图8那样使用并支持ATR元件2时，排除从ATR元件2渗出的光对支持手段的材料的影响。图7示出与光源1、起偏器3和光检测器4一起支持ATR元件2的机构，但光源1、起偏器3或光检测器4也可与支持机构71分开配置。这时，只要由支持机构71支持ATR元件，并且配置光源1、起偏器3、光检测器4以得到与上面所述相同的效果即可。

以上的说明中，所作阐述一直假设本发明的光学元件是ATR元件2，但即使是ATR元件以外的元件，只要是进行与上面所述相同作用的光学元件，任何元件均可。

本发明光检测器也可以是MCT检测器、热电传感器以外的光检测器。

下面说明本发明所涉及的本发明者的发明。本发明涉及的第1发明是这样的特定成分信息测量方法，即其中具有对试样照射光源的光线并且接收从所述试样返回的光线的步骤、以及检测所述接收的光并且根据所述检测的光测量所述试样中特定成分的信息的步骤，在所述光源与所述光检测器之间的光路中设定起偏器，以使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通过得得多，以检测受所述试样影响的P偏振分量的光。

本发明的第2发明是这样的特定成分信息测量装置，即具有光源、支持对试样照射所述光源的光线并且接收从所述试样返回的光线的光学元件用的支持机构、检测返回所述光学元件的光的光检侧器、和设定在所述光源与所述光检测器之间的光路中并且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通过得更多的起偏器，根据由所述光检测器检测出的光，测量所述试样中的特定成分的信息。

本发明的第3发明是对试样照射光源的光线并且接收从所述试样返回的光线的光学元件，由光检测器检测返回所述光学元件的光，在所述光源与所述光检测器之间的光路中设定起偏器，以使P偏振分量的光比其他偏振分量的光多透射，并且根据所述光检测器检测出的光测量所述试样中的特定成分的信息。

本发明涉及的第4发明是如第3发明所述的光学元件，而且在光输入输出的至少一部分上形成用于反射或吸收至少一部分所述P偏振分量以外的偏振分量的遮光膜，并且在所述形成的部分形成所述起偏器。

工业应用性

采用本发明，可提供不受试样表面障碍物质影响并且能得到高信号强度的特定成分信息测量装置。

Claims

1.一种特定成分信息测量装置，其特征在于，具有

光源、

对试样照射从所述光源射出的光并且接收从所述试样返回的光的光学元件、

检测返回所述光学元件的光的光检测器、以及

设定在所述光源与所述光检测器之间的光路中，并且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通过得更多的起偏器，

根据由所述光检测器检测出的光，测量所述试样中特定成分的信息。

2.如权利要求1所述的信息测量装置，其特征在于，所述光检测器检测所述光的光量，所述信息是有关浓度的信息，根据所述光量测量所述浓度。

3.如权利要求1或2所述的信息测量装置，其特征在于，使所述光的波数与所述特定成分有对应关系。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述光学元件是ATR元件，所述试样配置成接触所述ATR元件，所述光检测器检测从所述ATR元件渗到所述试样的P偏振分量的光。

5.如权利要求2～4中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述光的波数至少包含1000/cm至1125/cm的范围，根据所述波数范围的光量测量所述试样中的葡萄糖浓度。

6.如权利要求1～5中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述起偏器设置成与所述光学元件、所述光源或所述光检测器合为一体。

7.如权利要求1～6中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述光源是SiC光源或量子级联光源。

8.如权利要求1～7中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述光检测器是MCT检测器或热电传感器。

9.如权利要求6～8中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，在所述光学元件、所述光源或所述光检测器的对光进行输入输出的至少一部分上形成用于反射或吸收所述P偏振分量以外的偏振分量的至少一部分用的遮光膜，在所述形成的部分上形成所述起偏器。

10.如权利要求9所述的信息测量装置，其特征在于，由多个所述ATR元件形成所述光学元件，对所述多个ATR元件进行准直校正，使光的输入输出面对齐，在所述准直校正后的面上形成所述遮光膜。

11如权利要求1～10中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述光进行照射的对象是生物体粘膜。

12.如权利要求1～4中的任一项所述的信息测量装置，其特征在于，所述光进行照射的对象是气体。