JP3679800B2 - グルコース蛍光検査方法 - Google Patents

Description

この発明は、一般的にはグルコース検査装置に係り、更に詳しくは、グルコースによって直接的に発光される蛍光（けいこう）を検査して試料中に存在するグルコース濃度を測定するグルコース検査装置に関するものである。

グルコースは、生体組織、食物、及び化学的生成物のなかに存在する基本的な有機化合物であり、試料中に存在するグルコースの濃度を正確に測定することが望ましい場合がしばしばある。例えば、糖尿病に冒された患者は、血液中の糖分量を調節するインシュリンを作り出す能力を失っている。患者は連続的にインシュリン注射を受け、血液中のグルコース量を定期的に検査してインシュリン注射の時機を調節する必要がある。血液のグルコース量検査では、通常は人体から少量の血液を採取しなければならない。採血するために針を人体の皮膚に突き刺す都度に、それに付随した瘢痕組織の集積に加えて、感染症の危険も存在する。また、血液の採取、処理及び検査にはかなりの時間が費やされる。

血液のような試料に存在するグルコースの濃度を測定する代表的な方法を分類すると、芳香族アミン法、酵素法、酸化法、及び極く最近では、赤外線反射分光法及び赤外線吸収分光法がある。血液の赤外線反射及び吸収分光法は、一般には、比較的複雑で高価な計測器具を要し、かつ分解能に限界がある。

上述の検討から明らかなように、比較的非侵襲性であって、単純かつ迅速に使用でき、しかも優れた分解能を有するグルコース検査装置が求められている。

（発明の要約）
本発明は、グルコース検査装置に実施され、試料中に存在するグルコースの濃度を測定する方法に関するものであって、試料中に存在するグルコースから直接発光される蛍光を検査する。このグルコース検査装置は、励起光で試料を照射し、試料中に存在するグルコースに作用して蛍光を発光させ、該蛍光を検出及び処理して、試料中のグルコースの濃度を測定する。

グルコース検査装置は、光源、センサ、及び処置装置を具備する。光源は、試料に向けて励起光を放射し、試料中のグルコースに作用して蛍光を発光させる。励起光を受けて試料はリターン光を発生するが、このリターン光は試料中のグルコースから発光する蛍光を含んでいる。センサはリターン光を検査し、２つのスペクトル波長帯域内の光の強度を表す２種類の信号を発生する。第１の信号は、第１の波長帯域内に含まれる波長を有するリターン光の強度を表す。第２の信号は、第２の波長帯域内に含まれる光の強度を表す。処理装置は、２種類の電気信号を処理して試料中のグルコースの濃度を決定する。

本発明の更に詳細な実施態様では、光源は略２５０ナノメートル〜略３５０ナノメートルの間の波長を有する狭帯域光を放射する。典型的な狭帯域紫外線光源は、３０８ナノメートルの波長を有するエキシマレーザである。第１の波長帯域はグルコース蛍光の特性スペクトルピークを示す。このピークは、励起光の波長よりも略３０〜５０ナノメートル長い波長を有する。エキシマレーザを使用する場合は、グルコース蛍光の特性スペクトルピークの波長は３３５〜３５５ナノメートルの間にある。第２の波長帯域は参照帯域（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂａｎｄ）であって、略３８０〜４２０ナノメートルの範囲から選ばれる。

センサは試料からのリターン光を検査する。本発明の別の更に詳細な実施態様では、センサは複数の検知器を具備して、第１及び第２の波長帯域内のリターン光を同時に検査する。２つの検知器を具備するセンサにおいては、１つの検知器は第１の波長帯域内の光の強度を測定し、もう１つの検知器は第２の波長帯域内の光の強度を測定する。各検知器は、対応する波長帯域内の光の強度を表す信号を供給する。

処理装置は、前記の信号に基づいて２つの波長帯域内の光強度の比率を決定する。試料中のグルコースの濃度は、前記の光強度の比率に基づいて決定される。

試料は、種々の組成を含んでいてもよく、また固体もしくは液体であってもよい。人体の口腔内のグルコース量の検査に際しては、試料は歯肉もしくは舌の基部のような口腔組織である。

本発明の別の更に詳細な実施態様においては、センサは、リターン光から励起光を分離するために用いられるダイクロイックフィルタと、スリットを備えた絞りと、リターン光を分光するために用いられるプリズムとを具備する。センサは、光学的分析装置に接続される検知素子アレーを有する分光器を具備することもある。

本発明の更に別の詳細な実施態様においては、光源からの励起光を試料へ導くために導波路が用いられる。リターン光を試料からセンサへ導くためには、同一の導波路もしくは別の導波路が用いられる。光ファイバ導波路が用いられる場合には、容易に使用できるように光ファイバ導波路を結束することもある。

本発明の更に別の詳細な実施態様においては、導波路はプローブ内に収納される。プローブは用途に応じて様々な形態をとる。プローブは、体外血流のグルコースの濃度を検査するためのカテーテルであってもよい。また、プローブは経皮的に検査するように適応されて、口内の口腔組織のような皮膚を介して人体のグルコースの濃度を検査することもある。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して本発明の原理を示す好ましい実施例の説明によって明らかになろう。

例示の図面で示すように、本発明によるグルコース検査装置１０は、試料１２中に存在するグルコースの濃度の計測に適用されて、グルコースの蛍光を直接検査する装置であって、蛍光染料もしくは他の間接的な方法を使用しない。また、このグルコース蛍光検査装置は、比較的安価な器具類を使用して、従来の分光学的方法よりも優れた分解能を提供する。該グルコース蛍光検査装置は、比較的非侵襲性であり、即時的に結果を得ることができ、かつ大抵の実験室的及び臨床的装置に容易に適応できる。該検査装置は、人体から血液を採取することを必要とせず、グルコース濃度を経皮的に検査できるから、遠心分離、保管及びその他の時間のかかる検査のような関連する血液処理技術を省くことができる。

図１に示したグルコース検査装置１０では、光源１４は紫外線励起光１６を試料１２に指向し、試料中の任意のグルコースに蛍光を誘発させる。センサ１８は試料からのリターン光２０を検査するが、このリターン光はグルコース蛍光を含んでいおり、センサ１８は２つの予め定められた波長帯域内のリターン光の強度に対応する２つの電気信号を発生する。第１の電気信号は、グルコース蛍光の特性スペクトルピークを含む波長帯域内のリターン光の強度を表す。第２の電気信号は、参照波長帯域内のリターン光の強度を表す。第１及び第２の電気信号は、それぞれ信号線２２及び２４によって、センサから処理装置２２に伝達される。次いで、処理装置は２つの電気信号を処理して、試料中のグルコースの濃度を決定する。

光源１４は励起源とも呼ばれる。光源からの励起光１６は２５０〜３５０ナノメートルの波長を有するものでよい。励起光は任意の形式の狭帯域紫外線光源で発生されるものでよい。好ましい実施例では、光源は波長３０８ｎｍ及びエネルギー密度１２ミリジュール／平方ミリメートルを有する紫外線エキシマレーザである。代替的には、窒素レーザ、光学的にチョッピングされるヘリウム−カドミウム・レーザ、周波数逓倍ダイオードレーザ、あるいは固体レーザが用いられてもよい。励起光の強度即ちエネルギー密度は、１ミリジュール／平方ミリメートルを超えなければならないが、１５ミリジュール／平方ミリメートルを超えてはならない。エネルギー密度が高過ぎると、試料のアブレーションが起こることがある。一方、エネルギー密度が低過ぎると、十分な電気信号を得ることが困難になる。

センサ１８内の検知器は、適当な帯域通過フィルタを備えた光電性の個別ダイオードのような単純なものでも、あるいはリターン光の広帯域スペクトルを分析する光学的多重チャネル分析器のような複雑なものでもよい。好ましくは、簡単なＣＣＤアレーを使用し、各個の構成セルが特定の波長領域を検査するようにして、所望の多種類の波長を検査する。

最も単純な形態では、処理装置２２はセンサ１８から電気信号を受け取って、殆ど即時に信号の比率を出す。処理装置は、その比率を更に処理して、試料１２中に存在するグルコースの有無あるいは濃度を決定及び表示するものでもよい。

図２〜図４を参照すれば、試料中のグルコースの濃度を決定する過程は一層良く理解できる。図２に示すスペクトルは、波長３０８ナノメートルの紫外線エキシマレーザ光による励起後のグルコースの蛍光スペクトルである。スペクトルは、グルコース溶液の特徴であるダブルピークを有することを示している。一方のスペクトルピークは略４４０ナノメートルを中心とする広帯域蛍光２８に対応し、他方のスペクトルピークは略３４５ナノメートルを中心とする狭帯域蛍光３０に対応する。狭帯域蛍光のピークの波長は、励起光よりも略３０〜５０ナノメートル長い。この狭帯域グルコース蛍光はグルコースの特性波長帯域であって、試料中のグルコースの濃度を決定するために検査される。

図３に示すように、波長３０８ナノメートルの紫外線エキシマレーザで励起される場合、人間の血漿の蛍光スペクトルはグルコースの蛍光スペクトルとは異なっている。人間の血漿の蛍光スペクトルは、略３８０ナノメートルを中心とする広帯域蛍光３２と、略３４５ナノメートルを中心とする狭帯域蛍光とを有する。狭帯域蛍光３４は、グルコース蛍光の狭帯域蛍光３０に対応し、人体血漿の広帯域蛍光３２の大きなほうのピークの波長よりも略３０ナノメートル短い波長を有する小さなほうのピークに現れている。狭帯域蛍光３４は、グルコース蛍光の特性波長帯域であり、試料中のグルコースの濃度を決定するために検査される。参照帯域は、グルコース蛍光の狭帯域蛍光とは異なる波長帯域から選ばれる。

図４に示すように、試料中のグルコース濃度Ｃ_ｇｌは、所望の波長帯域内で測定された光強度の比率（Ｉ_ｇｌ／Ｉ_ｒｅｆ ）に基づいて決定される。第１の光強度Ｉ_ｇｌは、図３で示したグルコース蛍光の特性波長帯域に対応する第１の波長帯域内で測定された光の強度を表す。第２の光強度Ｉ_ｒｅｆ は、参照波長帯域に対応する第２の波長帯域内の光の強度を表す。エキシマレーザを使用する場合は、第１の波長帯域は略３３５ナノメートルから略３５５ナノメートルの範囲にわたり、第２の波長帯域は略３８０ナノメートルから４２０ナノメートルの範囲もしくはその一部にわたる。比率Ｉ_ｇｌ／Ｉ_ｒｅｆ は、試料中のグルコース濃度の増加に伴って増加する。グルコース濃度と強度比率との間の正確な関係は、実験的に導出される。

図５は第１の実施例を示すものであって、試料１２中に存在するグルコースの濃度の測定は、光ファイバ導波路３６及び３８を用いて、試料を照射し、結果として生ずる蛍光スペクトルを捕捉することによって行われる。第１の光ファイバ導波路３６はレーザ光即ち励起光１６を励起源１４から試料に誘導する。励起光は、励起源から放射された後、コリメートされ、３０８ナノメートルの波長を有する紫外線に対して高反射特性を備えるミラー４０によってファイバに指向される。励起光はレンズ４２によって第１の光ファイバ導波路に集束される。励起光は第１の光ファイバ導波路に沿って試料まで進行する。

励起光１６は、試料１２に作用して、試料の組成に基づくスペクトルを有する散乱リターン光２０を発生させる。リターン光は、反射された励起光と、試料が発光した蛍光とを含み、この蛍光は試料中に存在するグルコースによって生じた蛍光を含む。リターン光は第２の光ファイバ導波路３８によって集光され、誘導されて、分光器４４の入射口に非合焦的に放射される。分光器の入射口にはカットオフ波長略３３５ナノメータの長波長透過フィルタ（図示せず）があり、リターン光から励起光の反射光を取り除く。分光器の入射口には１００マイクロメータ幅のスリットもある。スリットに続いて光軸上に１５０格子／ミリメートルの回折格子とプリズム（いずれも図示せず）が配設される。光軸上の位置はリターン光の波長に対応して定められる。

光軸上には検知器４６、好ましくは１０２４素子からなる電荷結合素子アレー、が配置される。検知素子アレーを構成する各素子はリターン光のスペクトル波長に対応して定められる。検知素子アレーはアナログ信号４８を供給し、試料１２中のグルコースの濃度を決めるためにアナログ信号はディジタル信号に変換される。ディジタル信号は、各スペクトル波長で受光された光の強度を表すデータを含んでいる。データは多重チャネル分析器５０のスクリーンに表示されるか、もしくはデータディスクに記憶される。好ましい実施例では、検知器は１０２４素子からなる電荷結合素子アレー、部品番号ＥＧ＆Ｇ １４２２Ｇ、である。

試料１２中のグルコースの濃度は、２つの波長帯域即ち領域で収集された光強度の比率から計算される。検知素子アレーからのデータを用いて、第１の波長帯域内の光の強度が第２の波長帯域からの光の強度と比較される。

図６に別の実施例を示す。この実施例では、単一の光ファイバ導波路５２を使用して、励起光１６を試料１２に送り、かつ試料からのリターン光２０を収集する。第１のレンズ４２′は励起光を光ファイバ導波路５２の端部に集光し、かつ光ファイバ導波路から放射されたリターン光を収集しコリメートする。収集されたリターン光は紫外線ミラー４０を通過し、更に長波長透過光学フィルタ５４を通過する。長波長透過光学フィルタは３３５ナノメータのカットオフ波長を有し、リターン光から励起光の反射光を取り除く。蛍光はレンズ５６によってもう１つの光ファイバ導波路に集光される。この第２の光ファイバ導波路５８はリターン光を分光器の入射口に導く。前述と同様に、分光器は蛍光を個々のスペクトル成分に分光し、試料中のグルコースの濃度を決定するために各スペクトル成分が分析される。

図７に、更に別の実施例を示す。導波路はカテーテル６０の内部に具備される。カテーテルは１本の溶融石英ファイバもしくは多数のファイバ束を具備するものでもよい。カテーテルは、直結の検査装置に使用されるための留置カテーテルであってもよい。該カテーテルは、人工心肺あるいは透析装置のような体外血流中のグルコースを感知することもできる。

図８及び図９には、カテーテル６０の別の実施例を示す。図８では、人体６２のグルコースを、経皮的に即ち皮膚を介して、検査するためのカテーテル６０′を示す。図９では、好ましくは、歯肉あるいは舌の基部のような人間の口腔組織中のグルコース濃度を経皮的に検査するために使用される光ファイバカテーテル６０″を示す。このように、紫外線蛍光分光器を用いる本発明の比較的非侵襲性の方法によって、人体内のグルコース濃度を検査することが可能である。

グルコース蛍光検査装置１０は、他の体液に対しても固体組織と同様に機能する。また、製パン、ぶどう酒造り及び清涼飲料製造のような食品処理に必要な広範囲のグルコース検査にも適用可能である。多くの半透明もしくは透明な塊中のグルコース濃度を検査できる。また、血漿、尿、ソーダ水、食物製品、ぶどう酒その他を含むあらゆる種類の生物的及び非生物的な液体を検査できる。

前述の説明から、人体から血液を採取することなく人体中のグルコースの濃度が検査できることが理解できよう。本発明のグルコース検査装置は、グルコースの蛍光発光を直接検査して、グルコース濃度の直接的な決定を行う。光ファイバ導波路を用いれば、励起光の試料への送達及び試料からのリターン光の収集が単純化する。本発明のグルコース検査装置によれば、殆ど即時にグルコース濃度を得ることができる。

上述の開示においては、この発明の好ましい実施態様を例として説明したが、当業者は本発明の請求の範囲から逸脱することなく多数の変更が可能であることを理解すべきである。

本発明によるグルコース検査装置のブロック図である。 ３０８ナノメートルの波長のレーザ光でグルコース試料が照射された場合の波長対グルコース蛍光強度を示すグラフである。 ３０８ナノメートルの波長のレーザ光で人体の血漿試料が照射された場合の波長対血漿蛍光の強度を示すグラフである。 参照波長帯域内の光の強度に対するグルコース蛍光に特有の波長帯域内の光の強度の比率に対して、グルコースの濃度を示すグラフである。 光ファイバ導波路を用いたグルコース検査装置の第１の実施例のブロック図である。 光ファイバ導波路を用いて、試料への励起光と試料からのリターン光とを同時に伝達するグルコース検査装置の第２の実施例のブロック図である。 血流中のグルコースの濃度の検査に適用される光ファイバカテーテルを示す。 人体内のグルコースの濃度の経皮的検査に適用される光ファイバプローブを示す。 歯肉のような人体の口腔組織のグルコースの濃度の経皮的検査に適用される光ファイバプローブを示す。

Claims (6)

1. 非生体液である試料中のグルコースの濃度を検査する方法であって、
   ２５０ナノメートルから３５０ナノメートルの間の波長を有する狭帯域励起光を試料に指向し、前記試料中に存在するグルコースによって発光される蛍光を含むリターン光を前記試料から発生させるステップと、
   前記リターン光を検査して第１及び第２の信号を発生するステップと、
   を備え、前記第１の信号は第１の波長帯域内の前記リターン光の強度を表し、該第１の波長帯域は前記励起光の波長よりも３０乃至５０ナノメートルほど長波長側の範囲であり、前記第２の信号は第２の波長帯域内の前記リターン光の強度を表し、該第２の波長帯域は３８０ナノメートルから４２０ナノメートルの間にわたる波長帯域であり、
   前記方法は更に、
   前記第１及び第２の信号を処理して、前記試料中のグルコースの濃度を決定するステップを具備することを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の試料中のグルコースの濃度を検査する方法であって、前記励起光を指向するステップにおいて使用される励起光の波長は３０８ナノメートルであり、
   前記リターン光を検査するステップにおいて使用される第１の波長帯域は３３５ナノメートルから３５５の間にわたり、
   前記リターン光を検査するステップにおいて使用される第２の波長帯域は３８０ナノメートルから４２０ナノメートルの間にわたる方法。
3. 請求項１記載の試料中のグルコースの濃度を検査する方法であって、前記試料に励起光を指向するステップが前記励起光を前記試料に誘導するステップを更に含んでなる方法。
4. 請求項１記載の試料中のグルコースの濃度を検査する方法であって、前記リターン光を検査するステップが前記試料からの前記リターン光を誘導するステップを更に含んでなる方法。
5. 請求項１記載の試料中のグルコースの濃度を検査する方法であって、前記リターン光を検査するステップが
   前記第１の波長帯域内のリターン光を検出して前記第１の信号を発生するステップと、
   前記第２の波長帯域内のリターン光を検出して前記第２の信号を発生するステップと、
   を更に含んでなる方法。
6. 請求項５記載の試料中のグルコースの濃度を検査する方法であって、
   前記リターン光を検査するステップが、前記リターン光を異なるスペクトル波長に分解して、前記第１及び第２の波長帯域内の光をそれぞれ検出するステップを更に含んでなる方法。

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