JP7205002B1 - 非侵襲物質分析装置 - Google Patents
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Abstract
非侵襲物質分析装置（１）は、サンプル支持板（１０）と、励起光源（２０）と、温度センサ（２５，２６）とを備える。サンプル支持板（１０）は、サンプル載置領域（１２）を含む主面（１０ａ）と、主面（１０ａ）とは反対側の主面（１０ｂ）とを有する。温度センサ（２５，２６）は、主面（１０ａ）上に設けられている。サンプル載置領域（１２）から主面（１０ｂ）まで延在する貫通孔（１３）がサンプル支持板（１０）に設けられている。励起光源（２０）から放射される励起光（２１）は、貫通孔（１３）を通って、サンプル載置領域（１２）上に載置されるサンプル（１５）に照射される。
Description
本開示は、非侵襲物質分析装置に関する。
特表２０１７－５１９２１４号公報（特許文献１）は、光学媒質と、赤外光源と、プローブ光源と、フォトダイオードとを備える非侵襲分析システムを開示している。具体的には、光学媒質上に生体サンプルが載置される。赤外光源は、赤外光を放射する。赤外光は、光学媒質を通って、生体サンプルに照射される。赤外光は生体サンプルに吸収されて、生体サンプルが発熱する。生体サンプルの吸収熱の程度は、サンプル中のまたはサンプルの表面上の生体成分の量または濃度に依存する。
プローブ光源は、可視光であるプローブ光を光学媒質に向けて放射する。プローブ光は、光学媒質と生体サンプルとの間の界面で内部全反射されて、光学媒質から出射する。生体サンプルの吸収熱は、光学媒質に伝わって、光学媒質の屈折率を変化させる。光学媒質の屈折率の変化は、光学媒質と生体サンプルとの間の界面におけるプローブ光の内部全反射に影響を与え、光学媒質から出射されるプローブ光の進行方向を変化させる。フォトダイオードは、光位置センサとして機能して、プローブ光の進行方向の変化を検出する。フォトダイオードで検出されたプローブ光の進行方向の変化から、生体成分の量または濃度を測定する。例えば、サンプルが患者の皮膚である場合、生体成分として患者の血糖値が測定される。
しかし、特許文献１に開示された非侵襲分析システムでは、生体サンプルの吸収熱が光学媒質全体に素早く拡散する。そのため、生体サンプルの吸収熱によるプローブ光の進行方向の変化が小さく、サンプル中のまたはサンプルの表面上の生体成分を正確に分析することができない。本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、サンプル中のまたはサンプルの表面上の物質をより正確に分析することができる非侵襲物質分析装置を提供することである。
本開示の非侵襲物質分析装置は、サンプル支持板と、励起光源と、温度センサとを備える。サンプル支持板は、サンプル載置領域を含む第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面とを有する。励起光源は、サンプル載置領域上に載置されるサンプルに向かって励起光を放射する。温度センサは、第１主面上に設けられている。サンプル載置領域から第２主面まで延在する貫通孔がサンプル支持板に設けられている。励起光は、貫通孔を通って、サンプルに照射される。
本開示の非侵襲物質分析装置では、励起光が通る貫通孔が、サンプル支持板に設けられている。そのため、励起光は、サンプル支持板で吸収されることなく、より強い光強度でサンプルに到達する。サンプルの吸収熱が増加する。また、サンプルの吸収熱がサンプル支持板の厚さ方向（第１主面と第２主面とが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光がサンプルに照射されている時に温度センサから出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル中のまたはサンプルの表面上の物質をより正確に分析することができる。
以下、実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１から図４を参照して、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１を説明する。図１及び図２を参照して、非侵襲物質分析装置１は、サンプル支持板１０と、励起光源２０と、光学チョッパー２２と、温度センサ２５，２６と、ロックインアンプ３４と、信号処理部３７と、物質分析部３８とを備える。
図１から図４を参照して、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１を説明する。図１及び図２を参照して、非侵襲物質分析装置１は、サンプル支持板１０と、励起光源２０と、光学チョッパー２２と、温度センサ２５，２６と、ロックインアンプ３４と、信号処理部３７と、物質分析部３８とを備える。
サンプル支持板１０は、主面１０ａと、主面１０ａとは反対側の主面１０ｂとを有する。主面１０ａは、サンプル１５が載置されるサンプル載置領域１２を含む。サンプル１５は、例えば、患者の指、手首、腕、耳たぶまたは唇のような生体サンプルである。本実施の形態では、サンプル支持板１０は、基板１１によって構成されている。基板１１は、励起光２１に対して不透明な材料で形成されている。基板１１は、例えば、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリウレタンまたはアクリル樹脂などのようなプラスチックまたはガラスで形成されている。
サンプル支持板１０には、サンプル載置領域１２から主面１０ｂまで延在する貫通孔１３が設けられている。主面１０ａの平面視において、サンプル１５の大きさは、貫通孔１３の大きさよりも大きい。
励起光源２０は、サンプル載置領域１２上に載置されるサンプル１５に向かって励起光２１を放射する。励起光２１の波長は、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質の吸収波長に応じて定められる。励起光２１は、例えば、中赤外光である。励起光２１の波長は、例えば、６．０μｍ以上である。励起光２１の波長は、８．０μｍ以上であってもよい。励起光２１の波長は、例えば、１３．０μｍ以下である。励起光２１の波長は、１１．０μｍ以下であってもよい。励起光２１は、複数の波長を有する光であってもよい。例えば、非侵襲物質分析装置１を用いて患者の血糖値を測定する場合、励起光２１の波長範囲は、糖の指紋スペクトルの波長を含む波長範囲（例えば、８．５μｍ以上１０μｍ以下の波長範囲）である。励起光源２０は、例えば、広帯域の中赤外光を放射し得る量子カスケードレーザである。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質に吸収されない参照光が、励起光２１とともにサンプル１５に照射されてもよい。
光学チョッパー２２は、励起光２１を周期的に強度変調する。光学チョッパー２２は、例えば、複数の回転羽根を含む。複数の回転羽根は、励起光２１に対して不透明な材料で形成されている。励起光２１が複数の回転羽根の一つによって遮断される時、サンプル１５は励起光２１によって照射されない。これに対し、励起光２１が、複数の回転羽根のうち互いに隣り合う一対の回転羽根の間を通り抜ける時、サンプル１５は励起光２１によって照射される。こうして、光学チョッパー２２は、励起光源２０から放射された励起光２１を強度変調する。光学チョッパー２２は、強度変調された励起光２１の強度変調周波数と同じ周波数を有する参照信号を、電気配線３０を通して、ロックインアンプ３４に送信する。
光学チョッパー２２によって強度変調された励起光２１は、主面１０ｂ側からサンプル支持板１０に入射する。励起光２１は、貫通孔１３を通って、サンプル１５に照射される。励起光２１は、例えば、貫通孔１３の中心軸１３ｃ上を進む。励起光２１が光学チョッパー２２を通り抜ける時に、励起光２１はサンプル１５に照射される。励起光２１は、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質に吸収される。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質による励起光２１の吸収によって、サンプル１５で吸収熱が発生する。これに対し、励起光２１が光学チョッパー２２によって遮断される時には、励起光２１はサンプル１５に照射されず、サンプル１５で吸収熱は発生しない。そのため、サンプル１５の温度は、励起光２１の強度変調周波数で変動する。
サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質は、例えば、生体成分である。非侵襲物質分析装置１を用いて患者の血糖値を得る場合、非侵襲物質分析装置１によって分析される物質は、患者の表皮中の間質液中に存在している糖である。
温度センサ２５，２６は、主面１０ａ上に設けられている。温度センサ２５，２６は、サンプル載置領域１２に設けられている。サンプル１５がサンプル載置領域１２上に載置されると、温度センサ２５，２６は、サンプル１５に接触して、サンプル１５の温度を検出する。温度センサ２５，２６は、サンプル１５の温度を検出して、当該温度に対応する温度信号をロックインアンプ３４に出力する。具体的には、温度センサ２５は、サンプル１５のうち温度センサ２５が接触している部分の温度を検出して、当該温度に対応する温度信号をロックインアンプ３４に出力する。温度センサ２６は、サンプル１５のうち温度センサ２６が接触している部分の温度を検出して、当該温度に対応する温度信号をロックインアンプ３４に出力する。
サンプル１５の温度は励起光２１の強度変調周波数で変動するため、温度センサ２５，２６から出力される温度信号も励起光２１の強度変調周波数で変動する。例えば、温度センサ２５，２６は、励起光２１がサンプル１５に照射されていない時に温度信号の最小値を出力し、励起光２１がサンプル１５に照射されている時に温度信号の最大値を出力する。温度信号の最大値と最小値との間の差は、温度信号の振幅である。温度センサ２５，２６の温度信号の振幅は、サンプル１５の分析中の、温度センサ２５，２６によって測定されるサンプル１５の温度変動幅に対応する。本実施の形態では、サンプル１５の分析中は、サンプル１５に強度変調された励起光２１が照射されている間を意味する。
温度センサ２５，２６は、貫通孔１３の近くに配置されている。例えば、温度センサ２５，２６の各々と貫通孔１３との間の距離ｄ１は、５０μｍ以下である。距離ｄ１は、２０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以下であってもよい。距離ｄ１は、貫通孔１３のサイズ（例えば、貫通孔１３の直径）の１０％以下である。距離ｄ１は、貫通孔１３のサイズの５％以下であってもよい。主面１０ａの平面視において、温度センサ２５，２６は、貫通孔１３の中心軸１３ｃに対して、回転対称に配置されている。
図３を参照して、温度センサ２５，２６は、温度センサ本体２７を含む。温度センサ２５，２６は、保護膜２８をさらに含んでもよい。
温度センサ本体２７は、例えば、熱電対、サーモパイル、サーミスタまたはダイオードである。
熱電対は、二つの異種材料片を互いに接触させて、二つの異種材料片の接触部に発生する熱起電力から、サンプル１５の温度を測定する。熱電対を構成する二つの材料片は、例えば、鉄、銅ニッケル合金、銅、ニッケルクロム合金、ニッケルアルミニウム合金、ニッケルシリコン合金、ニッケルクロムシリコン合金、白金、白金ロジウム合金、ビスマス、アンチモン、または、これらの組合せ、によって形成される。熱電対を構成する二つの材料片は、ｐ型ポリシリコンとｎ型ポリシリコンとによって形成されてもよい。サーモパイルは、複数の熱電対を接続することによって形成される。
サーミスタの電気抵抗は、サーミスタの温度によって変化する。サーミスタの電気抵抗から、サンプル１５の温度を検出する。サーミスタは、好ましくは、温度抵抗係数が大きい材料で形成される。サーミスタは、例えば、酸化バナジウム、ＮｉＭｏＣｏ酸化物、Ｔｉ、多結晶シリコン、非晶質シリコン、非晶質シリコンゲルマニウム、ＭｎＯ３またはＹＢａＣｕＯによって形成される。
ダイオードの順方向電圧は、ダイオードの温度に応じて変化する。ダイオードの順方向電圧から、サンプル１５の温度を検出する。ダイオードは、例えば、Ｓｉダイオードである。
保護膜２８は、温度センサ本体２７を覆っている。保護膜２８は、サンプル１５が温度センサ本体２７に接触することを防止する。保護膜２８は、低い熱伝導率（例えば、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率）と、薄い厚さ（例えば、１０μｍ以下の厚さ）とを有することが望ましい。保護膜２８の熱伝導率が低いため、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０全体に急速に拡がり難くなる。保護膜２８は薄いため、保護膜２８の熱伝導率が低くても、サンプル１５の吸収熱は温度センサ本体２７に効率的に伝導する。
図２を参照して、ロックインアンプ３４は、電気配線３０によって、光学チョッパー２２に接続されている。ロックインアンプ３４は、光学チョッパー２２から、強度変調された励起光２１の強度変調周波数と同じ周波数を有する参照信号を受信する。図１及び図２を参照して、ロックインアンプ３４は、電気配線３２によって、温度センサ２５，２６に接続されている。ロックインアンプ３４は、温度センサ２５，２６から、サンプル１５の温度に対応する温度信号を受信する。具体的には、ロックインアンプ３４は、温度センサ２５から、サンプル１５のうち温度センサ２５が接触している部分の温度に対応する温度信号を受信する。ロックインアンプ３４は、温度センサ２６から、サンプル１５のうち温度センサ２６が接触している部分の温度に対応する温度信号を受信する。
ロックインアンプ３４は、温度センサ２５，２６から受信した温度信号を、光学チョッパー２２から受信した参照信号で同期検波する。こうして、ロックインアンプ３４は、温度センサ２５の温度変動幅信号と、温度センサ２６の温度変動幅信号とを出力する。温度センサ２５の温度変動幅信号は、サンプル１５の分析中の、温度センサ２５によって測定されるサンプル１５の温度変動幅に対応する温度変動幅信号である。温度センサ２６の温度変動幅信号は、サンプル１５の分析中の、温度センサ２６によって測定されるサンプル１５の温度変動幅に対応する温度変動幅信号である。
図４を参照して、ロックインアンプ３４の動作を具体的に説明する。ロックインアンプ３４は、乗算器３５と、ローパスフィルタ３６とを含む。乗算器３５は、温度センサ２５の温度信号と参照信号とを乗算する。乗算器３５は、温度センサ２５の温度信号の振幅に比例する直流成分と、励起光２１の強度変調周波数の二倍の周波数で変動する交流成分とを出力する。ローパスフィルタ３６は、交流成分を除去して、直流成分を通す。こうして、ロックインアンプ３４は、温度センサ２５の温度信号の振幅に比例する直流成分を出力する。温度センサ２５の温度信号の振幅は、サンプル１５の分析中の、サンプル１５のうち温度センサ２５に接触している部分の温度変動幅に対応する。そのため、直流成分は、温度センサ２５の温度変動幅信号である。
同様にして、ロックインアンプ３４は、温度センサ２６の温度信号の振幅に比例する直流成分を出力する。直流成分は、温度センサ２６の温度変動幅信号である。
図１及び図２を参照して、信号処理部３７は、ロックインアンプ３４に接続されている。信号処理部３７は、ロックインアンプ３４から、温度センサ２５の温度変動幅信号及び温度センサ２６の温度変動幅信号を受信する。信号処理部３７は、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号との平均を算出する。信号処理部３７は、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号との平均に対応する平均温度変動幅信号を出力する。信号処理部３７は、例えば、プロセッサと記憶装置とを含むマイクロコンピュータである。プロセッサが記憶装置に記憶されているプログラムを実行することによって、信号処理部３７は動作する。
物質分析部３８は、信号処理部３７に接続されている。物質分析部３８は、信号処理部３７から、平均温度変動幅信号を受信する。物質分析部３８は、平均温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
例えば、物質分析部３８は、励起光２１の波長と物質の種類とが対応づけられているデータテーブルと、平均温度変動幅信号の大きさと物質の量または濃度とが対応づけられているデータテーブルとを参照して、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質の種類を特定するとともに、当該物質の量または濃度を算出する。物質分析部３８は、例えば、プロセッサと記憶装置とを含むマイクロコンピュータである。これらのデータテーブルは、記憶装置に記憶されている。プロセッサが記憶装置に記憶されているプログラムを実行することによって、物質分析部３８は動作する。
基板１１の熱伝導率は、例えば、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよい。そのため、サンプル１５に励起光２１が照射されることによってサンプル１５に発生する吸収熱が基板１１全体に急速に拡がり難くなって、温度センサ２５，２６の温度変動幅信号が大きくなる。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより高い精度で分析することができる。
基板１１の熱伝導率は、サンプル１５の熱伝導率より小さいことが好ましい。例えば、サンプル１５が人の皮膚である場合には、サンプル１５の熱伝導率は約０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。基板１１がプラスチックで形成されている場合には、基板１１の熱伝導率は０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。そのため、サンプル１５に励起光２１が照射されることによってサンプル１５に発生する吸収熱が基板１１全体に急速に拡がり難くなって、温度センサ２５，２６の温度変動幅信号が大きくなる。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより高い精度で分析することができる。
サンプル１５の吸収熱の熱拡散長Ｌは、式（１）によって与えられる。
ここで、ｆはサンプル１５の吸収熱の周波数（励起光２１の強度変調周波数）であり、αはサンプル１５の熱拡散係数である。
上記式（１）に照らして、サンプル１５の表面から数十μｍ以上離れたサンプル１５中に存在する物質（例えば、間質液中の糖）を分析するために、サンプル１５の吸収熱の周波数（励起光２１の強度変調周波数）は、例えば、５Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下に設定される。
図５を主に参照して、非侵襲物質分析装置１を用いた本実施の形態の非侵襲物質分析方法を説明する。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、サンプル載置領域１２上にサンプル１５を載置すること（Ｓ１）を備える。サンプル支持板１０の温度とサンプル１５の温度との間に差があると、サンプル支持板１０とサンプル１５との間で熱の移動が発生する。この熱の移動は、温度変動幅信号の検出を困難にして、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質の分析を困難にする。そこで、サンプル支持板１０とサンプル１５との間に熱平衡状態が実現するまで、後述するステップＳ２を行わない。サンプル支持板１０とサンプル１５との間の熱平衡状態の実現は、温度センサ２５，２６によって検出され得る。例えば、単位時間当たりの温度センサ２５，２６の温度信号の変化が閾値（例えば０．１℃／分）以下となると、サンプル支持板１０とサンプル１５との間に熱平衡状態が実現されたと見なして、ステップＳ２を行う。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、光学チョッパー２２によって強度変調された励起光２１をサンプル１５に照射すること（Ｓ２）を備える。光学チョッパー２２は、励起光２１の強度変調周波数と同じ周波数を有する参照信号を、電気配線３０を通して、ロックインアンプ３４に送信する。
励起光２１が光学チョッパー２２を通り抜ける時には、励起光２１はサンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質によって吸収されて、サンプル１５で吸収熱が発生する。これに対し、励起光２１が光学チョッパー２２によって遮断される時には、サンプル１５で吸収熱は発生しない。そのため、温度センサ２５，２６から出力される温度信号は、励起光２１の強度変調周波数で変動する。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号とを得る（Ｓ３）ことを備える。
具体的には、ロックインアンプ３４は、光学チョッパー２２から参照信号を受信するとともに、温度センサ２５から温度信号を受信する。ロックインアンプ３４は、乗算器３５と、ローパスフィルタ３６とを含む。乗算器３５は、温度センサ２５の温度信号と参照信号とを乗算する。乗算器３５は、温度センサ２５の温度信号の振幅に比例する直流成分と、励起光２１の強度変調周波数の二倍の周波数で変動する交流成分とを出力する。ローパスフィルタ３６は、交流成分を除去して、直流成分を通す。こうして、ロックインアンプ３４は、温度センサ２５の温度信号の振幅に比例する直流成分を出力する。直流成分は、温度センサ２５の温度変動幅信号である。
同様にして、ロックインアンプ３４は、温度センサ２６の温度信号の振幅に比例する直流成分を出力する。直流成分は、温度センサ２６の温度変動幅信号である。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号との平均を、平均温度変動幅信号として得る（Ｓ４）ことを備える。具体的には、信号処理部３７は、ロックインアンプ３４から、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号とを受信する。信号処理部３７は、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号との平均を、平均温度変動幅信号として算出する。信号処理部３７は、平均温度変動幅信号を物質分析部３８に出力する。
本実施の形態の非侵襲物質分析方法は、平均温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する（Ｓ５）ことを備える。物質分析部３８は、信号処理部３７から、平均温度変動幅信号を受信する。例えば、物質分析部３８は、励起光２１の波長と物質の種類とが対応づけられているデータテーブルと、平均温度変動幅信号の大きさと物質の量または濃度とが対応づけられているデータテーブルとを参照して、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質の種類を特定するとともに、当該物質の量または濃度を算出する。
図６を参照して、本実施の形態の実施例１と比較例１－１，１－２とを対比することによって、本実施の形態の非侵襲物質分析装置１の作用を説明する。
実施例１では、基板１１は、励起光２１を透過させない材料（例えば、プラスチックまたはガラス）で形成されている。また、実施例１では、貫通孔１３の直径は３６μｍであり、励起光２１の光照射領域２１ｂの直径は３０μｍである。比較例１－１は実施例１と同様であるが、基板１１に貫通孔１３が形成されていない。比較例１－２は比較例１－１と同様であるが、比較例１－２では、励起光２１に対する基板１１の透過率が１００％であると仮定している。図６の規格化温度変動幅は、実施例１の主面１０ａのうち貫通孔１３の縁の温度変動幅によって規格化された、実施例１、比較例１－１及び比較例１－２の各々の主面１０ａの各地点の温度変動幅である。主面１０ａの各地点の温度変動幅は、励起光２１をサンプル１５に照射しない時の主面１０ａの各地点の温度と励起光２１をサンプル１５に照射した時の主面１０ａの各地点の温度との間の差によって与えられる。
実施例１では、サンプル支持板１０に貫通孔１３が設けられている。そのため、励起光２１は、サンプル支持板１０で吸収されることなく、より強い光強度でサンプル１５に到達する。サンプル１５の吸収熱が増加する。また、貫通孔１３中の空気の熱伝導率（０．０２４Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、基板１１の熱伝導率（例えば、プラスチックの熱伝導率：約０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上約０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ガラスの熱伝導率：約０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上約０．７Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも低い。そのため、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。サンプル１５の分析中の主面１０ａの温度変動幅が大きくなる。実施例１では、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
これに対し、比較例１－１では、基板１１は励起光２１を透過させない材料で形成されている。そのため、励起光２１はサンプル１５に到達せず、サンプル１５の吸収熱は発生しない。サンプル１５の分析中の主面１０ａの温度変動幅は、ゼロである。比較例１－１では、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を正確に分析することができない。
比較例１－２では、励起光２１に対する基板１１の透過率が１００％であると仮定しており、励起光２１はサンプル１５に到達する。そのため、サンプル１５の分析中の主面１０ａの温度変動幅は、ゼロではない。しかし、比較例１－２では、基板１１に貫通孔１３が設けられていない。そのため、比較例１－２では、サンプル１５の吸収熱は、実施例１よりも、サンプル支持板１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）素早くに拡散する。比較例１－２における主面１０ａの温度変動幅は、実施例１における主面１０ａの温度変動幅より小さい。比較例１－２では、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を正確に分析することができない。
（変形例）
サンプル支持板１０（基板１１）は、励起光２１に対して透明な材料で形成されてもよい。温度センサ２５，２６の数は三つ以上でもよい。
サンプル支持板１０（基板１１）は、励起光２１に対して透明な材料で形成されてもよい。温度センサ２５，２６の数は三つ以上でもよい。
温度センサ２６が省略されてもよく、温度センサ２５の数は一つでもよい。この場合、信号処理部３７が省略される。物質分析部３８は、ロックインアンプ３４から、温度センサ２５の温度変動幅信号を受信する。物質分析部３８は、温度センサ２５の温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。ステップＳ３では温度センサ２５の温度変動幅信号を得ており、ステップＳ４は省略され、ステップＳ５では、温度センサ２５の温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
図７に示されるように、非侵襲物質分析装置１は、ビームスプリッタ２３と、光検出器２４とをさらに備えてもよい。光学チョッパー２２によって強度変調された励起光２１は、ビームスプリッタ２３に入射する。ビームスプリッタ２３は、励起光２１を、サンプル１５に向かう励起光２１と、光検出器２４に向かう励起光２１とに分ける。ビームスプリッタ２３は、光学チョッパー２２によって強度変調された励起光２１の一部を光検出器２４に入射させる。光検出器２４は、強度変調された励起光２１の強度を検出する。光検出器２４は、例えば、フォトダイオードである。光検出器２４は、電気配線３０によって、ロックインアンプ３４に接続されている。光検出器２４は、強度変調された励起光２１の強度に対応する参照信号を、ロックインアンプ３４に出力する。
図７に示される変形例によれば、温度センサ２５，２６の温度変動幅信号から励起光２１の強度の変動の影響を取り除くことができる。励起光２１の強度が変動しても、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１の効果を説明する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、サンプル支持板１０と、励起光源２０と、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）とを備える。サンプル支持板１０は、サンプル載置領域１２を含む第１主面（主面１０ａ）と、第１主面とは反対側の第２主面（主面１０ｂ）とを有する。励起光源２０は、サンプル載置領域１２上に載置されるサンプル１５に向かって励起光２１を放射する。少なくとも一つの温度センサは、第１主面上に設けられている。サンプル載置領域１２から第２主面まで延在する貫通孔１３がサンプル支持板１０に設けられている。励起光２１は、貫通孔１３を通って、サンプル１５に照射される。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、サンプル支持板１０と、励起光源２０と、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）とを備える。サンプル支持板１０は、サンプル載置領域１２を含む第１主面（主面１０ａ）と、第１主面とは反対側の第２主面（主面１０ｂ）とを有する。励起光源２０は、サンプル載置領域１２上に載置されるサンプル１５に向かって励起光２１を放射する。少なくとも一つの温度センサは、第１主面上に設けられている。サンプル載置領域１２から第２主面まで延在する貫通孔１３がサンプル支持板１０に設けられている。励起光２１は、貫通孔１３を通って、サンプル１５に照射される。
非侵襲物質分析装置１では、励起光２１が通る貫通孔１３がサンプル支持板１０に設けられている。そのため、励起光２１は、サンプル支持板１０で吸収されることなく、より強い光強度でサンプル１５に到達する。サンプル１５の吸収熱が増加する。また、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（第１主面（主面１０ａ）と第２主面（主面１０ｂ）とが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）から出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
非侵襲物質分析装置１では、サンプル支持板１０（基板１１）として、励起光２１に対して不透明な材料を採用することが可能になる。サンプル支持板１０（基板１１）の材料の選択肢が拡がる。サンプル支持板１０（基板１１）の材料として、励起光２１に対して不透明であるが熱伝導率が低い材料（例えば、プラスチックまたはガラス）を採用することにより、励起光２１がサンプル１５に照射されている時に少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）から出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１では、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）は、サンプル載置領域１２に設けられており、かつ、サンプル１５に接触する。
そのため、サンプル１５の吸収熱は、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）に効率的に伝導する。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に少なくとも一つの温度センサから出力される温度信号が大きくなる。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、物質分析部３８をさらに備える。物質分析部３８は、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）の温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。少なくとも一つの温度センサの温度変動幅信号は、サンプル１５の分析中の、少なくとも一つの温度センサによって測定されるサンプル１５の温度変動幅に対応している。
温度変動幅信号では、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）から出力される温度信号に含まれるノイズが除去される。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１は、信号処理部３７と、物質分析部３８をさらに備える。少なくとも一つの温度センサは、複数の温度センサ２５，２６である。信号処理部３７は、複数の温度変動幅信号の平均を出力する。複数の温度変動幅信号は、各々、サンプル１５の分析中の、複数の温度センサ２５，２６のうち対応するものによって測定されるサンプル１５の温度変動幅に対応する。物質分析部３８は、複数の温度変動幅信号の平均に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
温度変動幅信号では、温度センサ２５，２６から出力される温度信号に含まれるノイズが除去される。また、複数の温度変動幅信号の平均は、複数の温度変動幅信号間のばらつきを低減する。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１では、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）は、温度センサ本体２７を含む。温度センサ本体２７は、熱電対、サーモパイル、サーミスタまたはダイオードである。
そのため、サンプル１５の吸収熱を測定するためのプローブ光を放射するプローブ光源と、当該プローブ光の偏向を検出する光位置センサとが不要になる。非侵襲物質分析装置１は、小型化され得る。
少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）は、温度センサ本体２７を覆う保護膜２８をさらに含む。
保護膜２８は、サンプル１５が温度センサ本体２７に接触することを防止する。そのため、温度センサ本体２７の寿命が延びる。
実施の形態２．
図８を参照して、実施の形態２の非侵襲物質分析装置１ｂを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図８を参照して、実施の形態２の非侵襲物質分析装置１ｂを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｂでは、サンプル支持板１０は、基板１１に加えて、低熱伝導膜１４を含む。
本実施の形態の基板１１は、実施の形態１の基板１１よりも高い熱伝導率を有している。本実施の形態では、基板１１は、サンプル１５の熱伝導率より大きくてもよい。本実施の形態では、基板１１は、例えば、シリコン（熱伝導率：約１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））のような半導体基板で形成されている。基板１１が半導体材料で形成されているため、小さなサイズ（例えば、数十μｍの直径）を有する貫通孔１３が半導体微細加工プロセスを用いて容易に形成され得る。
低熱伝導膜１４は、基板１１上に設けられている。低熱伝導膜１４は、基板１１よりも低い熱伝導率を有している。低熱伝導膜１４の熱伝導率は、例えば、基板１１の熱伝導率の２０％以下である。低熱伝導膜１４の熱伝導率は、基板１１の熱伝導率の１０％以下であってもよく、基板１１の熱伝導率の５％以下であってもよく、基板１１の熱伝導率の２％以下であってもよく、基板１１の熱伝導率の１％以下であってもよい。低熱伝導膜１４は、例えば、二酸化シリコン（熱伝導率：１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））で形成されている。
主面１０ａは、低熱伝導膜１４によって形成されている。主面１０ａの一部が、低熱伝導膜１４によって形成されてもよい。サンプル載置領域１２は、低熱伝導膜１４によって形成されている。温度センサ２５，２６は、低熱伝導膜１４上に設けられている。貫通孔１３は、基板１１及び低熱伝導膜１４の両方に設けられている。
図９を参照して、本実施の形態の実施例２と比較例２－１，２－２とを対比することによって、本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂの作用を説明する。
実施例２では、基板１１はシリコンで形成されており、低熱伝導膜１４は二酸化シリコンで形成されている。また、実施例２では、貫通孔１３の直径は３６μｍであり、励起光２１の光照射領域２１ｂの直径は３０μｍである。比較例２－１は、実施例２と同様であるが、基板１１に貫通孔１３が形成されていない。比較例２－２は、比較例２－１と同様であるが、比較例２－２では、励起光２１に対する基板１１の透過率が１００％であると仮定している。図９の規格化温度変動幅は、実施例２の主面１０ａのうち貫通孔１３の縁の温度変動幅によって規格化された、実施例２、比較例２－１及び比較例２－２の各々の主面１０ａの各地点の温度変動幅である。主面１０ａの各地点の温度変動幅は、励起光２１をサンプル１５に照射しない時の主面１０ａの各地点の温度と励起光２１をサンプル１５に照射した時の主面１０ａの各地点の温度との間の差によって与えられる。
実施例２では、サンプル支持板１０に貫通孔１３が設けられている。そのため、励起光２１は、サンプル支持板１０で吸収されることなく、より強い光強度でサンプル１５に到達する。サンプル１５の吸収熱が増加する。また、貫通孔１３中の空気の熱伝導率（０．０２４Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、基板１１の熱伝導率（例えば、シリコンの熱伝導率：約１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも低い。そのため、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。サンプル１５の分析中の主面１０ａの温度変動幅が大きくなる。実施例１では、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
これに対し、比較例２－１では、サンプル支持板１０に貫通孔１３は設けられていないが、基板１１は、シリコンで形成されており、励起光２１を透過させ得る。そのため、励起光２１はサンプル１５に到達して、主面１０ａの温度変動幅はゼロではない。しかし、比較例２－１では、励起光２１の一部は、主面１０ｂにおいて反射されたり、基板１１において吸収される。そのため、比較例２－１においてサンプル１５に到達する励起光２１の強度は、実施例２においてサンプル１５に到達する励起光２１の強度より少ない。さらに、比較例２－１では、サンプル１５の吸収熱は、実施例２よりも、サンプル支持板１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）素早くに拡散する。その結果、比較例２－１における主面１０ａの温度変動幅は、実施例２における主面１０ａの温度変動幅より小さい。比較例２－１では、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を正確に分析することができない。
比較例２－２では、基板１１に貫通孔１３が設けられていない。そのため、比較例２－２では、サンプル１５の吸収熱は、実施例２よりも、サンプル支持板１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）素早くに拡散する。比較例２－２における主面１０ａの温度変動幅は、実施例２における主面１０ａの温度変動幅より小さい。比較例２－２では、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を正確に分析することができない。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｂでは、サンプル支持板１０は、基板１１と、低熱伝導膜１４とを含む。低熱伝導膜１４は、基板１１上に設けられており、かつ、基板１１よりも低い熱伝導率を有している。第１主面（主面１０ａ）の少なくとも一部は、低熱伝導膜１４によって形成されている。少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）は、低熱伝導膜１４上に設けられている。
低熱伝導膜１４によって、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（主面１０ａと主面１０ｂとが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）から出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
実施の形態３．
図１０及び図１１を参照して、実施の形態３の非侵襲物質分析装置１ｃを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１０及び図１１を参照して、実施の形態３の非侵襲物質分析装置１ｃを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｃは、基準温度センサ４０，４１をさらに備える。基準温度センサ４０，４１は、温度センサ２５，２６と同様に構成されている。具体的には、基準温度センサ４０，４１は、温度センサ本体２７（図３を参照）を含む。基準温度センサ４０，４１は、温度センサ本体２７を覆う保護膜２８（図３を参照）をさらに含んでもよい。
基準温度センサ４０，４１は、主面１０ａ上に設けられている。基準温度センサ４０，４１は、サンプル載置領域１２に設けられており、かつ、サンプル１５に接触する。基準温度センサ４０，４１は、サンプル１５の温度に対応する基準温度信号を、ロックインアンプ３４に出力する。具体的には、基準温度センサ４０は、サンプル１５のうち基準温度センサ４０が接触している部分の温度に対応する基準温度信号を出力する。基準温度センサ４１は、サンプル１５のうち基準温度センサ４１が接触している部分の温度に対応する基準温度信号を出力する。
サンプル１５が生体である場合には、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質の分析中に、サンプル１５の熱変動（例えば、生体の体温の変動など）またはサンプル１５の動き（例えば、サンプル１５に含まれる筋肉の収縮もしくは弛緩、または、サンプル１５の位置の変動など）が生じることがある。基準温度センサ４０，４１は、サンプル１５の吸収熱の影響を受けることなく、サンプル１５の熱変動または動きに起因する温度変動を検出する。そのため、主面１０ａの平面視において、基準温度センサ４０，４１の各々と貫通孔１３との間の距離ｄ２は、温度センサ２５，２６の各々と貫通孔１３との間の距離ｄ１より大きい。距離ｄ２は、例えば、距離ｄ１の１０倍以上である。距離ｄ２は、距離ｄ１の２０倍以上であってもよい。一例では、距離ｄ１は５μｍであり、距離ｄ２は２００μｍである。
主面１０ａの平面視において、基準温度センサ４０，４１は、貫通孔１３の中心軸１３ｃに対して、回転対称に配置されている。そのため、サンプル１５の熱変動または動きに起因する温度変動をより正確に検出することができる。
主面１０ａの平面視において、基準温度センサ４０は、貫通孔１３の中心軸１３ｃに対して、温度センサ２５と同じ方向に配置されている。そのため、サンプル１５の分析中ののサンプル１５の熱変動または動きに起因する基準温度センサ４０の基準温度信号の変動は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度センサ２５の温度信号の変動と同様である。基準温度センサ４０は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度センサ２５の温度信号の変動を、サンプル１５の吸収熱の影響を受けることなく、より正確に検出することができる。
主面１０ａの平面視において、基準温度センサ４１は、貫通孔１３の中心軸１３ｃに対して、温度センサ２６と同じ方向に配置されている。そのため、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する基準温度センサ４１の温度信号の変動は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度センサ２６の温度信号の変動と同様である。基準温度センサ４１は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度センサ２６の温度信号の変動を、サンプル１５の吸収熱の影響を受けることなく、より正確に検出することができる。
ロックインアンプ３４は、実施の形態１と同様に、温度センサ２５の温度変動幅信号と温度センサ２６の温度変動幅信号とを、信号処理部３７に出力する。温度センサ２５の温度変動幅信号及び温度センサ２６の温度変動幅信号は、サンプル１５の吸収熱の影響に加えて、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度信号の変動の影響を受けている。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を正確に分析するためには、温度センサ２５の温度変動幅信号及び温度センサ２６の温度変動幅信号から、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度信号の変動の影響を取り除く必要がある。
そこで、信号処理部３７は、基準温度センサ４０の基準温度信号と基準温度センサ４１の基準温度信号とを受信する。信号処理部３７は、サンプル１５の分析中の基準温度センサ４０の基準温度信号の変動幅を、基準温度センサ４０の基準温度変動幅信号として算出する。信号処理部３７は、サンプル１５の分析中の基準温度センサ４１の基準温度信号の変動幅を、基準温度センサ４１の基準温度変動幅信号として算出する。
信号処理部３７は、温度センサ２５の温度変動幅信号と基準温度センサ４０の基準温度変動幅信号との間の差を、温度センサ２５の較正済温度変動幅信号として算出する。温度センサ２５の較正済温度変動幅信号は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度信号の変動の影響が取り除かれた、サンプル１５の吸収熱に起因する温度センサ２５の温度変動幅信号である。同様に、信号処理部３７は、温度センサ２６の温度変動幅信号と基準温度センサ４１の基準温度変動幅信号との間の差を、温度センサ２６の較正済温度変動幅信号として算出する。温度センサ２６の較正済温度変動幅信号は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度信号の変動の影響が取り除かれた、サンプル１５の吸収熱に起因する温度センサ２６の温度変動幅信号である。
信号処理部３７は、温度センサ２５の較正済温度変動幅信号と温度センサ２６の較正済温度変動幅信号との平均を、平均較正済温度変動幅信号として算出する。物質分析部３８は、平均較正済温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
（変形例）
温度センサ２６が省略されてもよく、温度センサ２５の数は一つでもよい。この場合、信号処理部３７は、温度センサ２５の較正済温度変動幅信号を物質分析部３８に出力する。物質分析部３８は、温度センサ２５の較正済温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
温度センサ２６が省略されてもよく、温度センサ２５の数は一つでもよい。この場合、信号処理部３７は、温度センサ２５の較正済温度変動幅信号を物質分析部３８に出力する。物質分析部３８は、温度センサ２５の較正済温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃは、第１主面（主面１０ａ）上に設けられている基準温度センサ４０，４１をさらに備える。基準温度センサ４０，４１は、サンプル載置領域１２に設けられており、かつ、サンプル１５に接触する。第１主面の平面視において、基準温度センサ４０，４１と貫通孔１３との間の第２距離（距離ｄ２）は、温度センサ２５，２６と貫通孔１３との間の第１距離（距離ｄ１）の１０倍以上である。
基準温度センサ４０，４１は、サンプル１５の吸収熱の影響を受けることなく、サンプル１５の分析中の温度変動を検出する。そのため、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度信号の変動の影響を受けることなく、サンプル１５の吸収熱による温度変動をより正確に検出することができる。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｃでは、信号処理部３７は、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）の温度変動幅信号を基準温度センサ４０，４１の基準温度変動幅信号で較正することによって、少なくとも一つの温度センサの較正済温度変動幅信号を算出する。物質分析部３８は、少なくとも一つの温度センサの較正済温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）の温度変動幅信号を基準温度センサ４０，４１の基準温度変動幅信号で較正することによって、サンプル１５の分析中のサンプル１５の熱変動または動きに起因する温度信号の変動の影響を受けることなく、サンプル１５の吸収熱による温度変動をより正確に検出することができる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
実施の形態４．
図１２及び図１３を参照して、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１２及び図１３を参照して、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｄは、光学媒質４５をさらに備える。光学媒質４５は、励起光２１を透過させる。励起光２１に対する光学媒質４５の透過率は、励起光２１に対するサンプル支持板１０（基板１１）の透過率より大きい。励起光２１が中赤外光である場合、光学媒質４５は、例えば、カルコゲナイドガラス（ＳＳｂＳｎＧｅ）で形成されている。
光学媒質４５は、貫通孔１３を閉塞する。サンプル載置領域１２の一部は、光学媒質４５によって形成されている。サンプル載置領域１２の全部が、光学媒質４５によって形成されてもよい。サンプル１５は、光学媒質４５上に載置され得る。貫通孔１３の一部は、光学媒質４５で充填されている。貫通孔１３のうち光学媒質４５よりも主面１０ｂに近位する部分は、光学媒質４５によって充填されていない空洞である。励起光２１は、光学媒質４５及び空洞を通って、サンプル１５に照射される。貫通孔１３の全体が、光学媒質４５で充填されてもよい。
光学媒質４５の熱伝導率は、基板１１の熱伝導率よりも低い。光学媒質４５の熱伝導率は、基板１１の熱伝導率の１０％以下であってもよく、基板１１の熱伝導率の５％以下であってもよく、基板１１の熱伝導率の２％以下であってもよい。例えば、基板１１はシリコン（熱伝導率：約１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））で形成されており、光学媒質４５はカルコゲナイドガラス（熱伝導率：０．３６Ｗ／（ｍ・Ｋ））で形成されている。空洞中の空気の熱伝導率（０．０２４Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、基板１１の熱伝導率よりも低い。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果と同様の以下の効果を奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄは、励起光２１を透過させる光学媒質４５をさらに備える。光学媒質４５は、貫通孔１３を閉塞する。サンプル載置領域１２の少なくとも一部は、光学媒質４５によって形成されている。励起光２１は、光学媒質４５を通って、サンプル１５に照射される。
そのため、励起光２１は、サンプル支持板１０で吸収されることなく、より強い光強度でサンプル１５に到達する。サンプル１５の吸収熱が増加する。また、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（第１主面（主面１０ａ）と第２主面（主面１０ｂ）とが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に温度センサ２５，２６から出力される温度信号が大きくなる。サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
サンプル１５は、光学媒質４５上に載置され得る。そのため、サンプル１５のサイズが貫通孔１３のサイズより小さくても、あるいは、サンプル１５が液体であっても、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析することができる。
中赤外光のような励起光２１に対して透明な光学媒質４５は、サンプル支持板１０（基板１１）よりも、高価かつ機械的強度が低い。光学媒質４５はサンプル支持板１０（基板１１）の貫通孔１３内に設けられるため、サンプル支持板１０（基板１１）全体を光学媒質４５によって形成する場合に比べて、光学媒質４５の使用量は減少する。そのため、非侵襲物質分析装置１ｄの機械的強度が向上するとともに、非侵襲物質分析装置１ｄのコストを低減させることができる。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｄでは、サンプル支持板１０は、基板１１を含む。光学媒質４５は、基板１１よりも低い熱伝導率を有する。
そのため、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（第１主面（主面１０ａ）と第２主面（主面１０ｂ）とが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に温度センサ２５，２６から出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
実施の形態５．
図１４及び図１５を参照して、実施の形態５の非侵襲物質分析装置１ｅを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅは、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１４及び図１５を参照して、実施の形態５の非侵襲物質分析装置１ｅを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅは、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄと同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
主面１０ａの平面視において、本実施の形態の貫通孔１３のサイズは実施の形態４の貫通孔１３のサイズより大きく、かつ、本実施の形態の光学媒質４５のサイズは実施の形態４の光学媒質４５のサイズより大きい。例えば、主面１０ａの平面視において、本実施の形態の貫通孔１３の直径及び光学媒質４５の直径は、各々、２００μｍである。本実施の形態では、温度センサ２５，２６は、光学媒質４５上に配置されている。本実施の形態においても、実施の形態４と同様に、光学媒質４５の熱伝導率は、基板１１の熱伝導率よりも低い。主面１０ａの平面視において、温度センサ２５，２６は、励起光２１の光照射領域２１ｂの外側に配置されている。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅは、実施の形態４の非侵襲物質分析装置１ｄの効果に加えて、以下の効果をさらに奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｅでは、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）は、基板１１よりも低い熱伝導率を有する光学媒質４５上に配置されている。
そのため、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（第１主面（主面１０ａ）と第２主面（主面１０ｂ）とが互いに対向する方向）に加えて、第１主面が延在する方向にもに逃げ難くなる。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に、少なくとも一つの温度センサ（例えば、温度センサ２５，２６）から出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
実施の形態６．
図１６及び図１７を参照して、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
図１６及び図１７を参照して、実施の形態６の非侵襲物質分析装置１ｆを説明する。本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。
非侵襲物質分析装置１ｆは、温度センサ２５，２６（図１及び図２を参照）に代えて、温度センサ５０を備えている。温度センサ５０は、第１光導波路５１と、導波路型リング共振器５２と、第２光導波路５３と、クラッド層５４とを含む。温度センサ５０は、終端部５５，５６をさらに含んでもよい。
基板１１は、第１光導波路５１と、導波路型リング共振器５２と、第２光導波路５３と、クラッド層５４とを支持している。基板１１は、主面１０ｂを有する。基板１１は、例えば、シリコン基板である。
プローブ光源５８から放射されるプローブ光は、第１光導波路５１に入射される。プローブ光の波長は、励起光２１の波長より短くてもよい。例えば、プローブ光源５８は光通信用レーザダイオードであり、プローブ光の波長は１１００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下である。
第１光導波路５１は、プローブ光が入射される端５１ａと、端５１ａとは反対側の端５１ｂとを含む。第１光導波路５１は、クラッド層５４より高い屈折率を有している。プローブ光は、第１光導波路５１を伝搬する。第１光導波路５１は、例えば、シリコン導波路である。
導波路型リング共振器５２は、第１光導波路５１に光学的に結合している。導波路型リング共振器５２は、クラッド層５４よりも高い屈折率を有している。プローブ光は、導波路型リング共振器５２を伝搬する。導波路型リング共振器５２は、熱光学効果を有している。導波路型リング共振器５２は、例えば、シリコン導波路である。シリコンの熱光学係数は、２．３×１０－４（Ｋ－１）である。シリコンは、光導波路用の光学材料の中で比較的大きな熱光学係数を有している。貫通孔１３は、導波路型リング共振器５２の内側に形成されている。
第２光導波路５３は、導波路型リング共振器５２に光学的に結合している。第２光導波路５３は、クラッド層５４よりも高い屈折率を有している。プローブ光は、第２光導波路５３を伝搬する。主面１０ａの平面視において、第２光導波路５３は、導波路型リング共振器５２に関して、第１光導波路５１に対称に配置されている。第２光導波路５３は、光強度検出器５９に光学的に結合されている端５３ａと、端５３ａとは反対側の端５３ｂとを含む。端５１ａ，５３ａは、導波路型リング共振器５２に対して同じ側にある。端５１ｂ，５３ｂは、導波路型リング共振器５２に対して同じ側にある。
クラッド層５４は、第１光導波路５１、導波路型リング共振器５２及び第２光導波路５３を基板１１から隔てている。クラッド層５４は、第１光導波路５１、導波路型リング共振器５２及び第２光導波路５３を覆っている。クラッド層５４は、主面１０ａを有する。クラッド層５４の熱伝導率は、基板１１の熱伝導率よりも小さい。クラッド層５４は、例えば、シリカ系ガラスで形成されている。
終端部５５は、第１光導波路５１の端５１ｂに設けられている。終端部５６は、第２光導波路５３の端５３ｂに設けられている。終端部５５，５６は、プローブ光を散乱または吸収して、導波路型リング共振器５２、プローブ光源５８及び光強度検出器５９へ進むプローブ光の戻り光を低減する。終端部５５，５６は、例えば、導波路の外に散乱しやすい先細りの導波路と、散乱光を吸収する電極（例えば、金属電極）とで形成されている。
サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質による励起光２１の吸収によって、サンプル１５で吸収熱が発生する。サンプル１５の吸収熱は、導波路型リング共振器５２に伝導して、導波路型リング共振器５２の温度が変化する。導波路型リング共振器５２は熱光学効果を有している。そのため、導波路型リング共振器５２の温度が変化すると、導波路型リング共振器５２の屈折率が変化して、導波路型リング共振器５２を介した第１光導波路５１から第２光導波路５３へのプローブ光の結合率が変化する。
光強度検出器５９は、例えば、フォトダイオードである。光強度検出器５９は、導波路型リング共振器５２を介した第１光導波路５１から第２光導波路５３へのプローブ光の光強度を検出する。光強度検出器５９は、ロックインアンプ３４に接続されている。光強度検出器５９は、プローブ光の光強度信号を、ロックインアンプ３４に出力する。
ロックインアンプ３４は、光強度検出器５９から受信したプローブ光の光強度信号を、光検出器２４から受信した励起光強度信号で同期検波する。ロックインアンプ３４は、光強度検出器５９の光強度信号の振幅に比例する直流成分を出力する。直流成分は、サンプル１５の分析中のサンプル１５の温度変動幅に対応しており、温度センサ５０の温度変動幅信号である。ロックインアンプ３４は、温度センサ５０の温度変動幅信号を物質分析部３８に出力する。
物質分析部３８は、ロックインアンプ３４から温度センサ５０の温度変動幅信号を受信する。物質分析部３８は、温度センサ５０の温度変動幅信号に基づいて、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質を分析する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆは、実施の形態１の非侵襲物質分析装置１の効果と同様の以下の効果を奏する。
本実施の形態の非侵襲物質分析装置１ｆでは、温度センサ５０は、プローブ光が入射される第１光導波路５１と、第１光導波路５１に光学的に結合する導波路型リング共振器５２と、導波路型リング共振器５２とプローブ光の強度を検出する光強度検出器５９とに光学的に結合する第２光導波路５３とを含む。
非侵襲物質分析装置１ｆでは、励起光２１が通る貫通孔１３がサンプル支持板１０に設けられている。そのため、励起光２１は、サンプル支持板１０で吸収されることなく、より強い光強度でサンプル１５に到達する。サンプル１５の吸収熱が増加する。また、サンプル１５の吸収熱がサンプル支持板１０の厚さ方向（第１主面（主面１０ａ）と第２主面（主面１０ｂ）とが互いに対向する方向）に逃げ難くなる。励起光２１がサンプル１５に照射されている時に温度センサ５０から出力される温度信号が大きくなる。そのため、サンプル１５中のまたはサンプル１５の表面上の物質をより正確に分析することができる。
今回開示された実施の形態１－６はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１－６の少なくとも二つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ 非侵襲物質分析装置、１０ サンプル支持板、１０ａ，１０ｂ 主面、１１ 基板、１２ サンプル載置領域、１３ 貫通孔、１３ｃ 中心軸、１４ 低熱伝導膜、１５ サンプル、２０ 励起光源、２１ 励起光、２１ｂ 光照射領域、２２ 光学チョッパー、２３ ビームスプリッタ、２４ 光検出器、２５，２６，５０ 温度センサ、２７ 温度センサ本体、２８ 保護膜、３０，３２ 電気配線、３４ ロックインアンプ、３５ 乗算器、３６ ローパスフィルタ、３７ 信号処理部、３８ 物質分析部、４０，４１ 基準温度センサ、４５ 光学媒質、５１ 第１光導波路、５１ａ，５１ｂ 端、５２ 導波路型リング共振器、５３ 第２光導波路、５３ａ，５３ｂ 端、５４ クラッド層、５５，５６ 終端部、５８ プローブ光源、５９ 光強度検出器。
Claims (9)
- サンプル載置領域を含む第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有するサンプル支持板と、
前記サンプル載置領域上に載置されるサンプルに向かって励起光を放射する励起光源と、
前記第１主面上に設けられている少なくとも一つの温度センサと、
前記第１主面上に設けられている基準温度センサとを備え、
前記サンプル載置領域から前記第２主面まで延在する貫通孔が前記サンプル支持板に設けられており、
前記励起光は、前記貫通孔を通って、前記サンプルに照射され、
前記基準温度センサは、前記サンプル載置領域に設けられており、かつ、前記サンプルに接触し、
前記第１主面の平面視において、前記基準温度センサと前記貫通孔との間の第２距離は
、前記少なくとも一つの温度センサと前記貫通孔との間の第１距離の１０倍以上であり、
前記少なくとも一つの温度センサおよび前記基準温度センサの検出値に基づいて物質分析を行う、非侵襲物質分析装置。 - 前記少なくとも一つの温度センサは、前記サンプル載置領域に設けられており、かつ、前記サンプルに接触する、請求項１に記載の非侵襲物質分析装置。
- 前記サンプル支持板は、基板と、前記基板上に設けられており、かつ、前記基板よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導膜とを含み、
前記第１主面の少なくとも一部は、前記低熱伝導膜によって形成されており、
前記少なくとも一つの温度センサは、前記低熱伝導膜上に設けられている、請求項１または請求項２に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記サンプルに照射される前記励起光を周期的強度変調させて前記少なくとも一つの温度センサの温度変動幅信号を生じさせる周期的強度変調機構と、
物質分析部とをさらに備え、
前記物質分析部は、前記少なくとも一つの温度センサの前記温度変動幅信号に基づいて、前記サンプル中のまたは前記サンプルの表面上の物質を分析し、
前記温度変動幅信号は、前記サンプルの分析中の、前記少なくとも一つの温度センサによって測定される前記サンプルの温度変動幅に対応している、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 信号処理部と、
物質分析部をさらに備え、
前記少なくとも一つの温度センサは、複数の温度センサであり、
前記信号処理部は、複数の温度変動幅信号の平均を出力し、
前記複数の温度変動幅信号は、各々、前記サンプルの分析中の、前記複数の温度センサのうち対応するものによって測定される前記サンプルの温度変動幅に対応し、
前記物質分析部は、前記複数の温度変動幅信号の前記平均に基づいて、前記サンプル中のまたは前記サンプルの表面上の物質を分析する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 信号処理部と、
物質分析部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記少なくとも一つの温度センサの温度変動幅信号を前記基準温度センサの基準温度変動幅信号で較正することによって、前記少なくとも一つの温度センサの較正済温度変動幅信号を算出し、
前記物質分析部は、前記較正済温度変動幅信号に基づいて、前記サンプル中のまたは前記サンプルの表面上の物質を分析し、
前記温度変動幅信号は、前記サンプルの分析中の、前記少なくとも一つの温度センサによって測定される前記サンプルの温度変動幅に対応し、
前記基準温度変動幅信号は、前記サンプルの分析中の、前記基準温度センサによって測定される前記サンプルの温度変動幅に対応している、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記少なくとも一つの温度センサは、温度センサ本体を含み、
前記温度センサ本体は、熱電対、サーモパイル、サーミスタまたはダイオードである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。 - 前記少なくとも一つの温度センサは、前記温度センサ本体を覆う保護膜をさらに含む、請求項７に記載の非侵襲物質分析装置。
- 前記少なくとも一つの温度センサは、プローブ光が入射される第１光導波路と、前記第１光導波路に光学的に結合する導波路型リング共振器と、前記導波路型リング共振器と前記プローブ光の強度を検出する光強度検出器とに光学的に結合する第２光導波路とを含む、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の非侵襲物質分析装置。
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