JP2016188777A - 成分濃度分析方法 - Google Patents
成分濃度分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016188777A JP2016188777A JP2015068228A JP2015068228A JP2016188777A JP 2016188777 A JP2016188777 A JP 2016188777A JP 2015068228 A JP2015068228 A JP 2015068228A JP 2015068228 A JP2015068228 A JP 2015068228A JP 2016188777 A JP2016188777 A JP 2016188777A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- relaxation
- sample
- measured
- concentration
- term
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims description 15
- 239000000470 constituent Substances 0.000 title 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 32
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 5
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 15
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 50
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 44
- 239000000306 component Substances 0.000 description 38
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 23
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 23
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N cholesterol Chemical compound C1C=C2C[C@@H](O)CC[C@]2(C)[C@@H]2[C@@H]1[C@@H]1CC[C@H]([C@H](C)CCCC(C)C)[C@@]1(C)CC2 HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 4
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 4
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 4
- 235000012000 cholesterol Nutrition 0.000 description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 3
- 102000009027 Albumins Human genes 0.000 description 2
- 108010088751 Albumins Proteins 0.000 description 2
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 2
- 239000012503 blood component Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000010238 partial least squares regression Methods 0.000 description 2
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000004497 NIR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000491 multivariate analysis Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000035900 sweating Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
【課題】測定が困難であった生体の成分などの被測定試料の濃度を求める技術を提供する。
【解決手段】予め設定した緩和式における緩和項に含まれる各値につき、被測定試料の濃度に対する当該値の濃度依存性を記録したデータベースを用い、まず、被測定試料の誘電緩和スペクトルを得る（Ｓ１）。次に、得た誘電緩和スペクトルに非線形最小自乗フィッティングを行うことにより前記各値を求める（Ｓ３）。次に、求めた値をデータベースに記録した濃度依存性に適用して、被測定試料の濃度を求める（Ｓ５）。
【選択図】図１
【解決手段】予め設定した緩和式における緩和項に含まれる各値につき、被測定試料の濃度に対する当該値の濃度依存性を記録したデータベースを用い、まず、被測定試料の誘電緩和スペクトルを得る（Ｓ１）。次に、得た誘電緩和スペクトルに非線形最小自乗フィッティングを行うことにより前記各値を求める（Ｓ３）。次に、求めた値をデータベースに記録した濃度依存性に適用して、被測定試料の濃度を求める（Ｓ５）。
【選択図】図１
Description
本発明は、誘電分光法を用いた対象成分の成分濃度分析方法に関する。
近年では、高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。
非侵襲な成分濃度測定装置として、分光法が提案されている。従来の非侵襲的な測定法としては、様々な周波数帯において試みられており、近赤外分光法では拡散反射法、光音響法が、中赤外分光法では全反射減衰法が試みられている（非特許文献１、２、３参照）。
分光法では、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。
図１０は、従来の赤外分光システムを示す。
赤外分光器１０１は、ブロードな近赤外領域の波長の光を発生する連続波光源を備え、マルチコアファイバ１０２を介して、照射部１０３と検出部１０４が接続される。照射部１０３は、被検体Ｔに光を照射し、検出部１０４は、生体内散乱による拡散反射した光を検出する。（非特許文献１参照）。
そして、アルブミン、グルコース、コレステロール等から多変量検量モデルを構築して、Partial Least Squares回帰法によりターゲット分子であるグルコースの非侵襲測定を高精度に行う。
赤外領域には、生体成分に係る種々の吸収があるが、非侵襲的測定法においては、生体の主成分である水の背景吸収、生体組織（皮膚、血球等）の光散乱が大きな誤差要因となることが知られている。例えば、水の背景吸収はグルコースの吸収の１０００倍となるため、環境温湿度の影響や発汗による組織水分量の変化が誤差要因として顕著となる。また、生体は多成分系であり、生体成分の定量には、主成分分析やＰＬＳ回帰分析等の多変量解析等のケモメトリックス手法が用いられることが一般的である。近赤外領域では皮膚の光散乱を利用した拡散反射法により、グルコース、アルブミン、コレステロール等の血液成分や水、光散乱シミュレーションによりモデル化を行った生体光散乱係数をデータベース１０５として、検量モデルを作成し、演算部１０６が、未知のスペクトルを分析し、表示部１０７に表示する（非特許文献１参照）。
しかしながら、多成分系における成分の吸収スペクトルにおいて発熱や発汗による水分量変化や温度変化等が生じ、定量精度が悪化するという問題がある。
マイクロ波からミリ波の周波数帯では、従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波帯において、ベクトルネットワークアナライザ（Vector Network Analyzer:以下ＶＮＡ）に接続した同軸型プローブを用いた反射型測定による誘電分光測定がある（非特許文献３参照）。
図１１は、従来のマイクロ波・ミリ波帯誘電分光測定系を示す。図は、誘電分光法による成分濃度測定装置を示す構成例である。
ここでは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する。非特許文献３にも記載されるように同軸型プローブ２０１を用いて複素誘電率を測定する方法は一般的である。符号Ｇはグランド、符号Ｓは信号線である。開放端の同軸線路は液体の測定試料２０２に適している。開放端からは無限遠境界を前提として反射信号から複素誘電率が計算される。つまり、測定試料２０２に電場を印加し、ＶＮＡにより、反射係数と位相を周波数領域で測定する。また、測定試料２０２に立ち上がりの速いステップ状の電圧を印加し、その反射波形の時間変化から複素誘電率を求める方法もある。この際には、反射係数のかわりに透過係数を測定してもよい。この方法を時間領域反射（または透過）測定法と呼ばれる。周波数領域の測定では、反射係数／位相スペクトルを取得するために印加電界の周波数を掃引する。測定したスペクトルから複素誘電率は、次のように算出できる。
開放端同軸型のプローブを用いる場合の一般的な測定では、較正サンプルＡとして空気中での開放端、較正サンプルＢとして金属板による短絡、較正サンプルＣとして誘電率が既知の純水等の溶液サンプルを用いる。また、反射型同軸プローブ以外の装置では伝送線路の通過／反射特性を計測することにより、測定試料の誘電率を測定する方法がある。
図１２は、従来のミリ波帯・テラヘルツ波帯誘電分光測定系を示す。図１２は、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式電磁波分光測定システムを示す。
本システムは、第１連続波光源１ａ及び第２連続波光源１ｂと、第１スプリッタ２ａ及び第２スプリッタ２ｂと、第１カプラ３ａ及び第２カプラ３ｂと、光位相変調器４と、第１フォトミキサ５ａ及び第１フォトミキサ５ａとＴＨｚミキサとの両機能を一体化させた第３フォトミキサ５ｃとで主に構成されている（特許文献２、非特許文献４参照）。符号１００は、測定試料、符号８はレンズである。
従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、第３フォトミキサ５ｃでのミキシング時における２つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するテラヘルツ（ＴＨｚ）波の伝搬長や光が伝搬するファイバの長さ等を調整する。テラヘルツ波帯ではレンズや放物面鏡を用いた疑似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献３にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。
以上のように、観測される電波の周波数に対応する信号の振幅や位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。一般的にはCole-Cole式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。成分計測では、例えば液中に含まれるグルコースやコレステロール等の成分の量に複素誘電率は相関があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。非特許文献５には数Ｇ〜４０ＧＨｚ帯まで動作する伝送線路の伝送特性の変化により測定した試料の誘電率を、多項式のキャリブレーションモデルに代入し、血中生体成分濃度を算定する方法が開示されている。
Katsuhiko Maruo, Mitsuhiro Tsurugi, Mamoru Tamura, and Yukihiro Ozaki, "In Vivo Noninvasive Measurement of Blood Glucose by Near-Infrared Diffuse-Reflectance Spectroscopy," Appl. Spectrosc. 57, pp.1236-1244 (2003)
H. M. Heise, Ralf Marbach, Gunter Janatsch and J. D. Kruse-Jarres "Multivariate Determination of Glucose in Whole Blood by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy", Anal. Chem. 1989, 61, pp.2009-2015.
Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, "A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.13, No.4 Aug. 2006.
J.-Y. Kim H.-J. Song, K. Ajito, M. Yaita, and N. Kukutsu, "Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range," IEEE Trans. THz Sci. Tech., 3, pp.158?164 (2013).
Maximilian Hofmann, Georg Fischer, Robert Weigel, and Dietmar Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 61, NO. 5, pp.2195-2204,MAY 2013.
しかしながら、従来においては、電波、光の周波数領域において生体成分を非侵襲測定する際には、光では生体散乱の影響が大きい一方、マイクロ波〜テラヘルツ波では、生体成分固有の吸収スペクトルが生じないため、被測定成分の分離が難しく、成分濃度の定量精度が十分でないという課題があった。
本発明は、測定が困難であった生体の成分などの被測定試料の濃度を求める技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、所定の緩和式における緩和項に含まれる各値につき、被測定試料の濃度に対する当該値の濃度依存性を記録したデータベースを用いる成分濃度分析方法であって、前記被測定試料の誘電緩和スペクトルを得るステップと、前記誘電緩和スペクトルに非線形最小自乗フィッティングを行うことにより前記各値を求めるステップと、前記求めた値を前記データベースに記録した濃度依存性に適用して、前記被測定試料の濃度を求めるステップとを行うことを特徴とする。
本発明によれば、従来では測定が困難であった生体の成分などの被測定試料の濃度を求めることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係る成分濃度分析方法のフローチャートを示す。
本実施の形態に係る成分濃度分析方法を用いるには、予め設定した緩和式における緩和項に含まれる各値につき、被測定試料の濃度に対する当該値の濃度依存性を記録したデータベースが必要となる。緩和式、データベースについては、後述する。
本実施の形態に係る成分濃度分析方法を用いるには、予め設定した緩和式における緩和項に含まれる各値につき、被測定試料の濃度に対する当該値の濃度依存性を記録したデータベースが必要となる。緩和式、データベースについては、後述する。
成分濃度分析方法では、まず、被測定試料の誘電緩和スペクトルを得る（Ｓ１）。
次に、得た誘電緩和スペクトルに非線形最小自乗フィッティングを行うことにより前記各値を求める（Ｓ３）。
次に、求めた値を前記データベースに記録した濃度依存性に適用して、被測定試料の濃度を求め（Ｓ５）、測定を終える。
誘電緩和スペクトルは、例えば、マイクロ波〜テラヘルツ波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射（または透過）したマイクロ波〜テラヘルツ波のものである。本実施の形態では、このスペクトル応答を観測し、多変量検量モデルを構築して、ターゲット分子の非侵襲測定を高精度に行う。
例えば、緩和式は、４つのデバイ緩和式と２つのローレンツアン式の線形結合により表されるものである。例えば、被測定試料（成分）は、グルコースであり、その濃度を求める。
本実施の形態では、被測定試料（成分）に関係ある帯域を用いると良い精度の多変量検量モデルが得られるため、回帰分析に有効なマイクロ波〜テラヘルツ波の帯域を使用し、例えば生体における目的の成分の濃度を精度よく測定することができる。
本実施の形態では、例えば、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波において、生体中の主成分で極性分子である水の誘電緩和現象とその変化、又は水と溶質との相互作用を利用する。マイクロ波〜テラヘルツ波までの誘電分光スペクトルは少なくとも４つのデバイ緩和式と２つのローレンツアン式による線形結合から式（３）で表すことができる。
χβは、被測定試料（成分）のダイポールモーメントに依存するβ緩和項、
χδは、水と被測定試料（成分）との相互作用によるダイポールモーメントに依存するδ緩和項、
χｓｌｏｗは、バルク水の低速緩和項、
χｆａｓｔは、バルク水の高速緩和項、
χＳは、分子間伸縮振動項、
χＬは、水の振動項、
各項のΔεは、緩和強度、
各項のτは、緩和時間、
ΔＶＳ、ΔＶＬは、振動強度、
ωは、共鳴周波数、
γは、減衰定数、
ε∞は、赤外領域における誘電率である。
このように、デバイ緩和式とローレンツアン式の両方を用いることで、一方を用いる場合よりも、周波数帯域を広くすることができる。
図２は、本実施の形態に係る成分濃度分析方法に用いる測定システムの例を示す。
本システムは、上述のデータベース（図２では、データベース１）と、ミリ波／テラヘルツ波帯分光システム２と、マイクロ波／ミリ波分光システム３と、いずれのシステム１、２から得る被測定試料の誘電緩和スペクトルについても、その誘電緩和スペクトルに非線形フィッティングを行うことにより、緩和式における緩和項に含まれる各値を求め、求めた値をデータベース１に記録した濃度依存性に適用して、被測定試料の濃度を求める演算器（コンピュータ）４と、求めた濃度を表示する表示器５を備える。
ミリ波／テラヘルツ波帯分光システム２では、フローセルのインレットから液体の測定試料を導入し、アウトレットから排出する。
また、ミリ波／ＴＨｚ波分光装置が発生した電波を放射器から放射し、それをレンズ（図示せず）や放物面鏡を用いた疑似光学系を介して、フローセル中の測定試料に照射し、反射信号を疑似光学系を介して、ロックインアンプに接続された検出器で受信し、ミリ波／ＴＨｚ波分光装置がその検出信号から誘電緩和スペクトルを得て、演算器（コンピュータ）４に出力する。
また、ミリ波／テラヘルツ波帯分光システム２では、測定試料での電磁波の吸収が大きい場合には、空間伝搬型によりレンズ等を用いてコリメートして、フローセル中の測定試料を載せたＡＴＲプリズムを通して、反射する配置によって信号強度の減衰を計測し、測定試料の吸光度スペクトルを計測する。
なお、シリコンを材料とするＡＴＲプリズム（Ｓｉプリズム）上に測定試料セルを配置して反射信号の分光測定を行ってもよい。プリズムの材料としては、測定対象の誘電率により使用する材料は適宜選択するが、例えば、高抵抗Ｓｉ以外には、ポリマー、石英でもよい。
マイクロ波／ミリ波分光システム３では、非特許文献３にも記載されるように、同軸型の誘電測定プローブを用いた複素誘電率を測定する。容器等に液体の測定試料を充填し、誘電測定プローブを液浸し、誘電測定プローブに接続したマイクロ波／ミリ波測定装置により、誘電緩和スペクトルを得て、演算器（コンピュータ）４に出力する。
なお、図示しないが、ミリ波／テラヘルツ波帯分光システム２やマイクロ波／ミリ波分光システム３においては、内部で広帯域な発振器を備えるベクトルネットワークアナライザ、光パルス光源を用いて電波を発生する時間分解分光器、または連続波光源を用いて電波を発生する連続波分光器のいずれかを用いる。
図３は、異なるグルコース濃度の水溶液における５００ＭＨｚから１２ＴＨｚまでの誘電緩和スペクトルを示す。図３（ａ）に誘電率実部、図３（ｂ）に誘電率虚部を示す。
「Glucose」に続く数値は濃度を示す。濃度に応じた短波長シフトが生じている。ただし、グルコース結晶の吸収ピークは観測されない。
図４は、濃度１．４６２Ｍのグルコース水溶液の誘電緩和スペクトルおよび式（３）の緩和式によるフィッティング結果を示す。図４（ａ）に実部、図４（ｂ）に虚部を示す。
図４（ｂ）において、符号４１はβ緩和、符号４２は水和水のδ緩和であり、符号４３はバルク水の低速緩和、符号４４はバルク水の高速緩和、符号４５は分子間の伸縮振動、符号４６は分子間の振動に基づくピークである。それぞれの緩和や振動現象は、式（３）の各項の式に対応している。それぞれのピークは、β緩和では1GHz以下、σ緩和は10GHz近傍，バルク水の低速緩和は20GHz近傍、バルク水の高速緩和は0.7THz近傍、分子間の伸縮運動は3THz近傍、分子間の振動は10THz以上に存在する。
フィッティング手法としては、例えば、非線形最小自乗フィッティングを行い、カイ二乗値が１０−９以下となるようにした。また、フィッティングの精度を高めるために、変数の一部を定数として設定してよく、例えば、τｓｌｏｗは複数の濃度の生化学水溶液において変化しないことが知られており、文献値よりτｓｌｏｗを７．９ｐｓとした。また、τβは、次の理論式より求めた。
３００Ｋの純水をフィッティングすることにより、Δεｓｌｏｗ ＝７２．０９、Δεｆａｓｔ＝１．９８、τｆａｓｔ＝２７７ｆｓ、ΔＶＳ＝１．２３、ωＳ＝５．２２ＴＨｚ／２π、γＳ＝５．４３ＴＨｚ／２π、ΔＶＬ＝０．５０、ωＬ＝１３．９４ＴＨｚ／２π、γＬ＝７．７０ＴＨｚ／２πと求めた。ε∞＝３．０と濃度に無依存な定数とした。
次に、データベース１に記録される濃度依存性をグラフによって例示する。
図５は、グルコース水溶液におけるβ緩和の緩和強度（Δεβ）と緩和時間（τβ）の濃度依存性を示す。
β緩和項は溶質単体のダイポールモーメントに依存するため、Δεβは、濃度に対して線形に増加する。一方、τβは、非線形に増加する。
図６は、グルコース水溶液におけるδ緩和の緩和強度（Δεδ）と緩和時間（τδ）の濃度依存性とリタデーションファクターを示す。
図７は、グルコース水溶液におけるバルク水の低速緩和の緩和強度（Δεｓｌｏｗ）の濃度依存性を示す。
図８は、グルコース水溶液におけるバルク水の高速緩和の緩和強度（Δεｆａｓｔ）と緩和時間（τｆａｓｔ）の濃度依存性を示す。
被測定試料（成分）の濃度を求めるためには、これらの帯域のスペクトルデータを緩和項に分解した数値データベースとして検量線を作成して、データベース１に記録する。そして、演算器４としては、主成分分析やＰＬＳ法等のケモメトリクス処理手法を実行可能なものを用い、演算器４が、被測定試料（成分）の濃度を求め、表示器５に表示する。
図９は、変形例に係る測定システムを示す。
本実施の形態に係る成分濃度分析方法に用いる測定システムとしては、透過型配置としてもよい。
図９において、放射器から放射したＴＨｚ波（テラヘルツ波）は、レンズを通過し、窓板と固定治具に支持された誘電率測定用セルの中の被測定試料（成分）を含む液体などを通過し、さらにレンズを通過して、検出器で受信される。検出器の出力信号は、ロックインアンプに接続された低雑音増幅器で増幅される。増幅された信号からは、被測定試料の誘電緩和スペクトルが得られる。よって、図２と同様に、演算器４が誘電緩和スペクトルとデータベース１を用いて、濃度を求め、表示器５に表示することができる。
誘電率測定用セルのサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上であり、厚さは試料の透過率にも依存するが、純水では０．１ｍｍ程度である。窓板の材料は、電磁波を良く透過する高抵抗Si、Zカット水晶、HDPE、TPX、Tsurupica等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。
なお、図９は、水溶液等の液体での測定例を例示しているが、測定試料は固体でもよい。
以上のように、本実施の形態によれば、測定が困難であった被測定試料の濃度を検出することができる。特に、マイクロ波からテラヘルツ波の帯域の電磁波を用いた場合であっても、他の成分との分離が可能であり、目的である特定の被測定試料（成分）の濃度を検出することができる。また、マイクロ波からテラヘルツ波の帯域の電磁波を用いることで、生体散乱が少なく、例えば、健康診断に必要な生体の成分の濃度を非侵襲で定量化することができる。
１ データベース
２ ミリ波／テラヘルツ波帯分光システム
３ マイクロ波／ミリ波分光システム
４ 演算器
５ 表示器
２ ミリ波／テラヘルツ波帯分光システム
３ マイクロ波／ミリ波分光システム
４ 演算器
５ 表示器
Claims (4)
- 所定の緩和式における緩和項に含まれる各値につき、被測定試料の濃度に対する当該値の濃度依存性を記録したデータベースを用いる成分濃度分析方法であって、
前記被測定試料の誘電緩和スペクトルを得るステップと、
前記誘電緩和スペクトルに非線形最小自乗フィッティングを行うことにより前記各値を求めるステップと、
前記求めた値を前記データベースに記録した濃度依存性に適用して、前記被測定試料の濃度を求めるステップと
を行うことを特徴とする成分濃度分析方法。 - 前記緩和項に含まれる各値の少なくとも１つを定数とすることを特徴とする請求項１記載の成分濃度分析方法。
- 前記緩和式は、４つのデバイ緩和式と２つのローレンツアン式の線形結合により表されるものであることを特徴とする請求項１または２記載の成分濃度分析方法。
- 前記緩和式は、
χδは、水と被測定試料との相互作用によるダイポールモーメントに依存するδ緩和項、
χｓｌｏｗは、バルク水の低速緩和項、
χｆａｓｔは、バルク水の高速緩和項、
χＳは、分子間伸縮振動項、
χＬは、水の振動項、
各項のΔεは、緩和強度、
各項のτは、緩和時間、
ΔＶＳ、ΔＶＬは、振動強度、
ωは、共鳴周波数、
γは、減衰定数、
ε∞は、赤外領域における誘電率
であることを特徴とする請求項３記載の成分濃度分析方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015068228A JP6288717B2 (ja) | 2015-03-30 | 2015-03-30 | 成分濃度分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015068228A JP6288717B2 (ja) | 2015-03-30 | 2015-03-30 | 成分濃度分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016188777A true JP2016188777A (ja) | 2016-11-04 |
| JP6288717B2 JP6288717B2 (ja) | 2018-03-07 |
Family
ID=57239549
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015068228A Active JP6288717B2 (ja) | 2015-03-30 | 2015-03-30 | 成分濃度分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6288717B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109330592A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-02-15 | 天津大学 | 基于超宽带微波s11参数的血糖浓度检测方法 |
| CN109350076A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-02-19 | 天津大学 | 基于超宽带微波s21参数的血糖浓度检测方法 |
| JP2019101036A (ja) * | 2017-11-29 | 2019-06-24 | ヘレーウス クヴァルツグラース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフトＨｅｒａｅｕｓ Ｑｕａｒｚｇｌａｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ | セラミック材料またはガラス質材料の本体内の成分の濃度を測定する方法 |
| WO2019203110A1 (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 |
| WO2019203153A1 (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 |
| JPWO2018110481A1 (ja) * | 2016-12-15 | 2019-12-19 | フェムトディプロイメンツ株式会社 | テラヘルツ波信号解析装置、テラヘルツ波信号解析方法およびテラヘルツ波信号解析用プログラム |
| CN112903811A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 湖北第二师范学院 | 一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法 |
| JPWO2021124393A1 (ja) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | ||
| CN117530675B (zh) * | 2024-01-03 | 2024-04-02 | 中国科学院自动化研究所 | 基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升***、方法及设备 |
| WO2024070653A1 (ja) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 測定装置、及び、測定方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007145143A1 (ja) * | 2006-06-12 | 2007-12-21 | Mitsubishi Electric Corporation | 成分濃度を測定するシステムおよび方法 |
| JP2008215901A (ja) * | 2007-03-01 | 2008-09-18 | Sony Corp | 血球の定性及び／又は定量分析方法、及び血液劣化検出方法 |
| US20110006785A1 (en) * | 2008-01-22 | 2011-01-13 | Lubomir Gradinarsky | Analyzing method using a processing structure as a probe |
-
2015
- 2015-03-30 JP JP2015068228A patent/JP6288717B2/ja active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007145143A1 (ja) * | 2006-06-12 | 2007-12-21 | Mitsubishi Electric Corporation | 成分濃度を測定するシステムおよび方法 |
| JP2008215901A (ja) * | 2007-03-01 | 2008-09-18 | Sony Corp | 血球の定性及び／又は定量分析方法、及び血液劣化検出方法 |
| US20110006785A1 (en) * | 2008-01-22 | 2011-01-13 | Lubomir Gradinarsky | Analyzing method using a processing structure as a probe |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 小川雄一: "生物計測のためのテラヘルツ帯における細胞の複素誘電率", 農業食料工学会誌, vol. 第７６巻第３号, JPN6017044036, 1 May 2014 (2014-05-01), JP, pages 223 - 228, ISSN: 0003683779 * |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2018110481A1 (ja) * | 2016-12-15 | 2019-12-19 | フェムトディプロイメンツ株式会社 | テラヘルツ波信号解析装置、テラヘルツ波信号解析方法およびテラヘルツ波信号解析用プログラム |
| US11181474B2 (en) | 2016-12-15 | 2021-11-23 | Femto Deployments Inc. | Terahertz wave signal analysis device, terahertz wave signal analysis method, and terahertz wave signal analysis program |
| EP3557230A4 (en) * | 2016-12-15 | 2020-10-28 | Femto Deployments Inc. | TERRAHERTZ WAVE SIGNAL ANALYSIS DEVICE, TERRAHERTZ WAVE SIGNAL ANALYSIS METHOD AND TERRAHERTZ WAVE SIGNAL ANALYSIS PROGRAM |
| JP7050655B2 (ja) | 2017-11-29 | 2022-04-08 | ヘレーウス クヴァルツグラース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト | セラミック材料またはガラス質材料の本体内の成分の濃度を測定する方法 |
| JP2019101036A (ja) * | 2017-11-29 | 2019-06-24 | ヘレーウス クヴァルツグラース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフトＨｅｒａｅｕｓ Ｑｕａｒｚｇｌａｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ | セラミック材料またはガラス質材料の本体内の成分の濃度を測定する方法 |
| WO2019203153A1 (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 |
| JP2019190896A (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-31 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 |
| JP2019190895A (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-31 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 |
| US20210161419A1 (en) * | 2018-04-20 | 2021-06-03 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Component concentration measurement device and component concentration measurement method |
| WO2019203110A1 (ja) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 |
| CN109330592A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-02-15 | 天津大学 | 基于超宽带微波s11参数的血糖浓度检测方法 |
| CN109350076A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-02-19 | 天津大学 | 基于超宽带微波s21参数的血糖浓度检测方法 |
| JPWO2021124393A1 (ja) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | ||
| WO2021124393A1 (ja) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | 日本電信電話株式会社 | 誘電分光測定装置 |
| CN112903811A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 湖北第二师范学院 | 一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法 |
| CN112903811B (zh) * | 2021-01-22 | 2023-12-01 | 湖北第二师范学院 | 一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法 |
| WO2024070653A1 (ja) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 測定装置、及び、測定方法 |
| CN117530675B (zh) * | 2024-01-03 | 2024-04-02 | 中国科学院自动化研究所 | 基于弛豫矫正的磁粒子成像分辨率提升***、方法及设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6288717B2 (ja) | 2018-03-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6288717B2 (ja) | 成分濃度分析方法 | |
| Smolyanskaya et al. | Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids | |
| Taday | Applications of terahertz spectroscopy to pharmaceutical sciences | |
| Borovkova et al. | Terahertz time-domain spectroscopy for non-invasive assessment of water content in biological samples | |
| JP6389135B2 (ja) | 成分濃度分析装置および成分濃度分析方法 | |
| Wilmink et al. | Development of a compact terahertz time-domain spectrometer for the measurement of the optical properties of biological tissues | |
| Chen et al. | Quantify glucose level in freshly diabetic’s blood by terahertz time-domain spectroscopy | |
| Gabriel et al. | Dielectric measurement: error analysis and assessment of uncertainty | |
| JP6849630B2 (ja) | 成分濃度測定装置および成分濃度測定方法 | |
| US11839468B2 (en) | Component concentration measurement device and component concentration measurement method | |
| Li et al. | Time-domain terahertz optoacoustics: manipulable water sensing and dampening | |
| JP6169546B2 (ja) | 誘電分光センサ、誘電分光センサを用いた測定システムおよび誘電分光センサを用いた測定方法 | |
| CN105628640A (zh) | 一种基于太赫兹光谱技术的检测尿液的方法 | |
| JP6807300B2 (ja) | 成分濃度測定方法及び成分濃度測定装置 | |
| Tanaka et al. | Differential photoacoustic spectroscopy with continuous wave lasers for non-invasive blood glucose monitoring | |
| Nakamura et al. | Broadband dielectric spectroscopy for quantitative analysis of glucose and albumin in multicomponent aqueous solution | |
| Wentao et al. | Study on identification methods in the detection of transgenic material based on terahertz time domain spectroscopy | |
| Tajima et al. | Linearization technique for dual-wavelength CW photoacoustic detection of glucose | |
| Tajima et al. | Multi-modality analysis of glucose aqueous solution using photoacoustic and dielectric spectroscopy for non-invasive glucose monitoring | |
| JP6572169B2 (ja) | 成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法 | |
| Gusev et al. | Blood glucose concentration sensing using biological molecules relaxation times determination | |
| JP6771417B2 (ja) | 成分濃度測定方法及び成分濃度測定装置 | |
| Cherkasova et al. | The investigation of blood and skin THz response at high glucose concentration | |
| Tajima et al. | Advances in noninvasive glucose sensing enabled by photonics, acoustics, and microwaves | |
| JP2008175794A (ja) | 反射測定装置および方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170106 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20170106 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20171109 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20171121 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20171226 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180130 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180201 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6288717 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |