CN1533502A

CN1533502A - 浓度测量装置

Info

Publication number: CN1533502A
Application number: CNA038007002A
Authority: CN
Inventors: 内田真司; 彦; 盐井正彦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JPWO2003074993A1; CN1243965C; US20040233433A1; EP1482300A1; EP1482300A4; US7110112B2; WO2003074993A1

Abstract

提供一种特定成分浓度测量方法，能稳定地进行高精度的浓度测量，而无须进行背景测量。其浓度测量装置具有接触测量对象的浓度测量用接触件(2)、发射光并使该光入射到浓度测量用接触件(2)的光源(1)、取出从浓度测量用接触件(2)入射到测量对象物内并且在测量对象物内传播后返回所述浓度测量用接触件(2)的光的P偏振光分量和S偏振光分量的偏振件(7)、至少测量该取出的P偏振光分量的光量和所述S偏振光分量的光量的光检测器(6)、以及根据该测量结果运算测量对象物包含的特定成分的浓度的运算装置(8)。

Description

浓度测量装置

技术领域

本发明涉及测量葡萄糖、胆固醇、乙醇等的浓度的测量装置。

背景技术

以往，已提出使用衰减全反射(后文称为ATR)测量装置测量试样中的特定成份的浓度，尤其是活体和溶液中的特定成份的浓度的种种方法。

例如，特开平9-113439号公报提出的方法使上、下嘴唇52紧贴具有一对平行对置反射面的透明ATR元件51，以测量血糖，如图7所示。根据此方法，将ATR元件51含入口中，上下按压后，使光入射到ATR元件51，在ATR元件51的反射面与嘴唇52的边界反复全反射，以分析漏出到ATR元件51外部的光。特开平9-113439号公报这一文献的全部揭示内容经完全参考编入本说明。

又，BME，Vol.5，No.8(日本ME学会，1991)提出的方法使ZnSe光学晶体构成的ATR元件紧密接触嘴唇的粘膜后，使波长9～11微米的激光进入该ATR元件，在该元件内部多重反射，以通过分析其吸收光、散射反射光，测量血糖值和血中的乙醇浓度。BME，Vol.5，No.8(日本ME学会，1991)这一文献的全部内容经完全参考编入本说明。

根据此方法，能实时且非侵袭地测量葡萄糖浓度、乙醇浓度、胆固醇浓度等特定成份浓度。此方法将渐消光(漏失光)用于定量分析。ATR元件中穿行的光仅仅漏入嘴唇，使该处存在的液体中的各成份受影响。

例如，葡萄糖在光的频率为1080cm^-1处存在光吸收峰，因而在活体上照射该频率的光时，吸收量随活体中葡萄糖浓度的变化而不同。因此，通过测量该光从活体返回的光，能检测出液体各成份浓度变化带来的吸收量的变化。即，可获得各成份的浓度。

使用ATR测量装置测量物质表面的吸光度，或用吸光度算出浓度时，一般采用图8所示的方法。

首先，在背景测量工序中，使光源出射的光入射到ATR元件，在不使ATR元件接触作为测量对象的试样的状态下，进行例如空气和纯水等参照物的光谱测量，并将测量结果存入存储器，从而测定背景(S4)。进行背景测量是为了用于校正光源和光检测器等的波长特性，则这些特性随时间而发生变化时，也能算出正确的吸光度。

其次，设定使作为测量对象的试样接触ATR元件(S5)后，对试样进行测量(S6)。

接着，设背景测量时来自光检测器的检测信号为Ib，试样测量时来自光检测器的检测信号为Im，运算Log₁₀(Ib/Im)(S7)。此值一般称为吸光度。这样，吸光度与试样中的特定成份的浓度就具有相关的关系，因而如果预先求出吸光度与浓度的校准线，就能从算出的吸光度估计试样中的特定成份的浓度。

然而，上述那样的已有ATR测量装置有以下的问题。

在背景测量完经过某种程度的固定时间后测量试样时，光源的强度和光检测器的灵敏度微妙变化，难以正确测量。

此外测量试样的频谱特性时，为了测量正确，需要在测量试样时将试样与ATR元件的接触位置和接触面积设定得与背景测量时相同，但难以精密地进行这些设定，因而测量精度差。尤其在测量活体的情况下，测量时难以正确定位。

发明内容

本发明考虑上述课题，其目的为：提供一种能稳定地进行高精度的浓度测量且不必进行背景测量的浓度测量装置。

为了解决上述课题，第1本发明是一种浓度测量装置，其中具有接触测量对象的浓度测量用接触件(2)、发射光并使该光入射到所述浓度测量用接触件(2)的光源(1)、取出从所述浓度测量用接触件(2)入射到所述测量对象物内并且在所述测量对象物内传播后返回所述浓度测量用接触件(2)的所述光的P偏振光分量和S偏振光分量的偏振件(7)、至少测量该取出的所述P偏振光分量的光量和所述S偏振光分量的光量的光检测器(6)、以及根据该测量结果运算所述测量对象物包含的特定成份的浓度的运算装置(8)。

第2本发明是第1本发明的浓度测量装置，其中所述运算装置利用与所述测量结果和所述特定成份浓度有对应关系并且预先求出的对应信息(9)，运算所述特定成份的浓度。

第3本发明是第1本发明的浓度测量装置，其中浓度测量用接触件(2)是衰减全反射元件，入射到所述测量对象物的光是从所述衰减全反射元件漏出的渐消光。

第4本发明是第1本发明的特定成份的浓度测量方法，其中所述测量对象物是活体组织，所述特定成份是葡萄糖、乙醇、胆固醇或胆固醇衍生物。

第5本发明是第1本发明的浓度测量装置，其中所述运算装置(8)在所述P偏振光分量的光量测量值为Ip，所述S偏振光分量的光量测量值为Is时，运算log₁₀(Is/Ip)或log₁₀(Ip/Is)，并根据该运算所得的值求出所述特定成份的浓度。

第6本发明是第1本发明的浓度测量装置，其中所述运算装置(8)在所述P偏振光分量的光量测量值为Ip，所述S偏振光分量的光量测量值为Is时，运算Is/Ip或Ip/Is，并根据该运算所得的值求出所述特定成份的浓度。

第7本发明是第1本发明的浓度测量装置，其中所述光检测器(6)对所述P偏振光分量和所述S偏振光分量进行交互测量至少各1次；

所述运算装置(8)在所述光检测器中测量的测量值内选择交互测量的时间接近的所述P偏振光分量的光量测量值Ip和S偏振光分量的光量测量值Is，用所述Ip和所述Is进行计算，并根据所得的值求出所述特定成份的浓度。

第1发明一种浓度测量方法，对测量对象物包含的特定成份进行测量，其中包括

使浓度测量用接触件与测量对象物接触的接触步骤、

使光入射到浓度测量用接触件的光入射步骤、

至少测量从所述浓度测量用接触件入射到所述测量对象物并且在该测量对象物内传播后返回所述浓度测量用接触件的光的P偏振光分量和S偏振光分量的测量步骤、以及

根据所述测量步骤中测定的结果运算所述测量对象物包含的特定成份的浓度的运算步骤。本发明也可以是第1发明。

第2发明一种浓度测量接触装置，其中包含

与测量对象物接触的浓度测量用接触件(2)、

发射光并使该光入射到所述浓度测量用接触件(2)的光源(1)、

取出从所述浓度测量用接触件(2)入射到所述测量对象物内并且在所述测量对象物内传播后返回所述浓度测量用接触件(2)的所述光的P偏振光分量和S偏振光分量的偏振件(7)、以及

至少测定该取出的所述P偏振光分量的光量和所述S偏振光分量的光量的光检测器(6)，其中由运算装置根据该测定的结果运算测量对象物所含特定成份的浓度。本发明也可以是第2发明。

第3发明一种浓度测量运算装置，其中包含

根据浓度测量接触装置获得的测定结果运算测量对象物所含特定成份的浓度的运算装置(8)，该浓度测量接触装置包含

与测量对象物接触的浓度测量用接触件(2)、

发射光并使该光入射到所述浓度测量用接触件(2)的光源(1)、

取出从所述浓度测量用接触件入射到所述测量对象物内并且在所述测量对象物内传播后返回所述浓度测量用接触件(2)的所述光的P偏振光分量和S偏振光分量的偏振件(7)、以及

至少测定该取出的所述P偏振光分量的光量和所述S偏振光分量的光量的光检测器(6)。本发明也可以是第3发明。

附图说明

图1是示出一本发明实施形态的特定成份浓度测量方法中用的浓度测量用接触件的概略图。

图2是示出该实施形态的特定成份浓度测量方法的测量流程的图。

图3是示出利用该实施形态的特定成份浓度测量方法求出的Ip/Is的入射光频率依赖性的特性图。

图4是示出利用该实施形态的特定成份浓度测量方法求出的Ip/Is的值与葡萄糖浓度的关系的特性图。

图5是示出使用光量比该实施形态求图4中所示Ip/Is的值与葡萄糖浓度的关系时的光源光量减小10％时的Ip/Is的值与葡萄糖浓度的关系的图。

图6是示出使用干涉滤光片型偏振件作为该实施形态的偏振件时的特定成份浓度测量方法中用的浓度测量用接触件的概略图。

图7是示出已有的采用ATR元件的浓度测量方法的概略图。

图8是示出已有的浓度测量方法的测量流程的图。

附图中，1是光源，2是浓度测量用接触件，3是光输入部，4是接触部，5是光输出部，6是光检测器，7是偏振件，51是ATR元件，52是嘴唇。

实施发明的最佳形态

下面，参照附图说明本发明的实施形态。

本实施形态中，作为一个例子，说明测量葡萄糖这一测量对象物中的特定成份的浓度。

光源1使用例如产生中红外光的光源。本实施形态中作为光源1采用SiC光源。SiC光源适合测量葡萄糖之类的吸收频率处于1080cm^-1和1033cm^-1等指纹区(中红外区)的物质的浓度。

作为浓度测量用接触件2的材料，最好是使中红外光透射、化学上稳定且机械强度良好的，本实施形态中，浓度测量用接触件2的材料采用锗。

使接触部4接触测量对象物。例如，测量葡萄糖溶液时，在该部分滴下葡萄糖溶液，覆盖在整个接触部4的表面上。借助表面张力的作用，葡萄糖不溢出接触部4，在接触部4保持测量所需的适当的量，因而能稳定地进行测量。

测量对象物是活体时，使接触部4紧贴活体。这里，紧贴活体的部分的面积最好是2cm²以下。通过使面积为2cm²以下，贴入活体多，粘附性良好，能稳定地进行测量。活体中紧贴接触部4的部分以角质层薄处为佳，最好是指甲根部、后脚跟、嘴唇或口腔内。

接触部4的形状无特别规定，但呈大致圆形，则在测量对象物为活体时，可减小测量时的疼痛，因而较佳。进而在外周部设置磨边部分或圆角部分，能更加减小疼痛，较佳。

作为光检测器6，本实施形态使用MCT光检测器。

偏振件7具有取出某特定偏振光分量的作用。本实施形态使用数值多条缝隙的线栅偏振件。通过使偏振件7旋转，可将到达光检测器6的偏振光分量任意设定为S偏振光或P偏振光。偏振件7不限于图1的位置，在光源1和光检测器6的光路上即可。

图中偏振件7的实线方向表示S偏振分量的光的振动方向，虚线方向表示P偏振分量的光的振动方向。偏振件7仅使同一振动方向的光通过，因而例如设定在实线方向，进行S偏振光分量的测量后，测量P偏振光分量时，需要将偏振件7旋转90度。

虽然图中未示出，但例如在光源1与浓度测量接触件2之间设置频谱分析装置，则能测量特定分量的波长频谱特性，可获得各种波长下的吸收特性，因而较佳。尤其是使用干涉仪的频谱分析法FT-IR法，能进行高灵敏度的测量，较佳。

运算装置8根据光检测器6的测量结果，利用对应信9运算葡萄糖溶液的浓度。作为运算装置6，采用CPU和存储器组成的微计算机或个人计算机。

校准线9是利用本实施形态的特定成份浓度测量方法测量预先知道浓度的葡萄糖溶液，并且在各葡萄糖溶液浓度下，建立葡萄糖溶液的浓度与测量结果的对应关系的信息。可在例如上述微计算机或个人计算机预先存放校准线9。

本实施形态的校准线9是本发明的对应信息的例子。

下面，用图2说明本实施形态的特定成份浓度测量方法的测量流程。

首先，在浓度测量用接触件2上设定作为测量对象物的葡萄糖溶液(S1)。这里，不需要进行已有技术中需要的采用空气或纯水的背景测量。其次，在已设定葡萄糖溶液的状态下，测量葡萄糖溶液的偏振光频谱特性(S2)。作为偏振光频谱特性，测量例如S偏振光的频谱特性、P偏振光的频谱特性。接着，在运算装置8用得到的偏振光分量测量值进行运算，并且根据获得的值算出葡萄糖溶液中的葡萄糖浓度(S3)。作为运算，例如使S偏振光分量的测量值为Is，P偏振光分量的测量值为Ip时，运算Ip/Is。

下面，用图1说明使用本实施形态的浓度测量用接触件2的特定成份浓度测量方法。

将作为测量对象物的葡萄糖溶液滴在接触部4上，使接触部4整个表面充满溶液。让光源1出射的光以入射角θ(λ)入射到接触部4，并使其全反射。这时，从接触部4漏出渐消光，并且在葡萄糖溶液中传播后，返回接触部4，接着又从光输出部5出射，通过偏振件7到达光检测器6。

偏振件7设定成让具有图中实线分析的振动面的光(即S偏振光)通过，以测量葡萄糖溶液的S偏振光分量的频谱特性。接着，使偏振件7旋转90度，测量P偏振光分量的频谱特性，从而完成测量。利用各频率的Ip、Is运算Ip/Is，并且用该值和预先求出的校准线9算出葡萄糖浓度。

这里，入射到接触部的光的入射角度θ最好设定得使由以下的式1求出的z/λ为0.25以上。其中，z表示漏出深度(单位为微米)，λ表示入射到接触部的光的波长(单位微米)，nf表示接触部的折射率，θ表示入射到接触部的光的入射角度，nc表示测量对象物的折射率。

(式1)

\frac{Z}{λ} = \frac{1}{2 π \sqrt{{nf}^{2} \sin 2 θ - {nc}^{2}}}

例如，作为测量对象物的葡萄糖溶液在波长约9.6微米下的折射率nc为1.24，接触部使用折射率nf为4的锗，则z/λ＝0.25的入射角θ为约45度。通过在这样的入射角度下使光入射的接触部，S偏振光与P偏振光在测量对象物内的光，其吸光度产生大的差别。利用该S偏振光与P偏振光的吸光度差别，能检测出特定的浓度。即，S偏振光仅漏出到比测量对象物浅的部分，P偏振光漏出到比测量对象物深的部分。因而，S偏振光几乎不影响测量对象物包含的特定成份的浓度。也就是说，测量S偏振光的光量相当于进行已有技术中的背景测量；测量P偏振光相当于进行已有技术中的试样测量。因此，通过测量S偏振光和P偏振光，能检测出特定成份的浓度。

入射角度只要小于45度就有效，但最好大于临界角。这是因为小于临界角时，光不满足全反射条件，从而光在测量对象物中扩散，返回的光量减小，同时P偏振光与S偏振光的光路差页减小。实验的结果，在z/λ＝0.9以上，即接触部使用锗时，使入射角度为21度或20度，则得到特别良好的结果；使其为19度，则得到更加良好的结果。

通常用FT-IR频谱仪测量时，许多场合是对波长进行扫描，并多次重复进行测量操作后，算出其平均测量值。本发明对这种方法也有效，在各偏振光分量进行多次测量后，对测量值进行平均，从而算出平均测量值。

也可交互进行测量S偏振光分量后、测量P偏振光分量的操作。这时，根据测量时间相互接近的S偏振光分量和P偏振光分量的测量结果，运算Ip/Is、Is/Ip、log₁₀(Ip/Is)或log₁₀(Is/Ip)，则能极力抑制光源和光检测器随时间变化的影响，因而特佳。

本实施形态中，设使用SiC光源作为光源1，进行了说明，但不限于此，例如将钨等用作光源1较佳。将量子级联激光器用作光源1更好。使用这种光源时，与使用SiC光源时相同，尤其适合对葡萄糖之类吸收频率处于约1080cm^-1和1033cm^-1等指纹区(中红外区)的物质测量浓度的情况。

本实施形态中，设使用锗作为浓度测量用接触件2的材料，进行了说明，但不限于此。作为浓度测量用接触件2的材料，也可使用使中红外光透射、化学上稳定且机械强度良好的硅。

将硅用作浓度测量用接触件2的材料时，采用例如在波长1.1～10微米下透明的硅单晶衬底。尤其是硼、磷等杂质含有量小且电阻率为100Ωcm以上的较佳。电阻率为1500Ωcm以上的更好。这些高电阻率的硅在约9～10微米的红外波长上透射率高，对测量在这些波长范围具有吸收区的葡萄糖等物质的场合较佳。

最好还在光输入部3的表面数值防反射膜。作为防反射膜的材料，使用金刚石类碳(DLC)和ZnSe。作为膜厚，约1.1至1.3微米较佳，1.2微米左右更好。

最好光输出部5也与光输入部3同样地设置防反射膜。

本实施形态中，设使用MCT光检测器作为光检测器6，进行了说明，但不限于此。也可将热电传感器用作光检测器6。

校准线9可以是葡萄糖溶液的浓度与测量结果有对应关系的表，也可以是葡萄糖溶液的浓度与测量结果有对应关系的公式。

本实施形态中，设使用线栅偏振件作为偏振件7，但不限于此。也可将使P偏振光分量透射、S偏振光分量反射的干涉滤光片型偏振件。

图6示出偏振件7代之以使用作为干涉滤光片型偏振件的偏振件7a的特定成份浓度测量方法中用的浓度测量用接触件的概略图。图6中，与图1相同的部分标注相同的符号，省略详细说明。

与图1的偏振件7相同，偏振件7a也有取出某特定偏振分量的作用。偏振件7a与偏振件7的不同点是偏振件7a使S偏振光分量反射，P偏振光分量透射，如上文所述。

因此，与图1不同，图6中配置检测P偏振光分量的光量(即偏振件7a的透射光的光量)用的光检测器6a和检测S偏振光分量的光量(即偏振件7a的反射光的光量)的光检测器6b。作为光检测器6a、6b，使用热电传感器。作为光检测器6a、6b，也可使用MCT光检测器。

根据图6的浓度测量用接触件，能用2个光检测器6a、6b同时测量S偏振光分量和P偏振光分量，因而不需要如图1那样，履行2级测量步骤：将偏振件7设定得使S偏振光通过，以测量葡萄糖溶液的S偏振光分量的频谱特性；其次，使偏振件7旋转90度，以测量P偏振光分量的频谱特性。因此，与上述实施形态相比，能获得更加不容易受光源1的变动的影响的效果。

本实施形态中，说明了使用葡萄糖溶液作为测量对象物，从而测量对象物的特定成份是葡萄糖的情况，但不限于此。作为测量对象物，不仅是葡萄糖溶液，而且对测量血浆中的葡萄糖浓度、活体中的葡萄糖浓度也有用。除葡萄糖外，测量对象物的特定成份为胆固醇、乙醇、胆固醇衍生物等的情况下，也能有效应用本实施形态。但是，测量对象物的特定成份改变时，测量的光波长也改变。

即，将胆固醇或胆固醇衍生物作为测量对象物的特定成份时，由于胆固醇的吸收波长为1500nm或1700nm。作为光源1，可用发射该波长的光的光源，或可用检测该波长的光的光检测器。将乙醇作为测量对象物的特定成份时，由于乙醇的吸收频率为1240cm^-1或1400cm^-1。作为光源1，可用发射该频率的光的光源，或可用检测该频率的光的光检测器。即使是上述以外的测量对象物的特定成份，使用发射该测量对象物特定成份的吸收频率的光的光源，或使用检测该频率的光的光检测器，能与以上所述相同地测量该测量对象物特定成份的浓度。

这样，根据本实施形态，能提供可稳定地进行高精度的浓度测量且不进行背景测量的特定成份浓度测量方法。本发明的特定成份浓度测量方法不仅对葡萄糖溶液，而且对血浆中的葡萄糖浓度、活体中的葡萄糖浓度等的测量，都有用。

实施例

使用图1所示的浓度测量用接触件进行葡萄糖溶液中的葡萄糖浓度测量。图3是示出对不同浓度的葡萄糖溶液求出的Ip/Is的入射光频率依赖性的特性图。测量中使用50、100、200mg/dl的不同葡萄糖浓度的葡萄糖溶液。进行基线校正，使使1135cm^-1和1000cm^-1的频率下Ip/Is为零。

例如，着眼于1076cm^-1或1033cm^-1的频率时，判明随着葡萄糖浓度增大，Ip/Is减小，葡萄糖浓度与Ip/Is之间存在相关的关系。

图4示出1033cm^-1的Ip/Is值与葡萄糖浓度的关系。从该图可知，两者存在线性关系。因此，不进行已有技术的背景测量，也能通过用测量值Ip和Is求Ip/Is，分别地算出葡萄糖浓度。而且，可将例如图4所示Ip/Is值与葡萄糖浓度的关系运作预先求出的校准线9。

图5示出使用光量比求图4所示Ip/Is值与葡萄糖浓度的关系时的光源的光量减小10％的光源的情况下Ip/Is与葡萄糖浓度的关系。比较图4和图5，可知两者为实质上相同的线性关系。因此，证明通过如本实施例那样求出Ip/Is，即使光源的光量因光源随时间变化等而减小时，也能高精度求出葡萄糖浓度。

本实施例使用Ip/Is求葡萄糖浓度，但不限于此，使用Is/Ip、log₁₀(Ip/Is)或log₁₀(Is/Ip)也能获得同样的效果。

工业上的实用性

从以上的说明可知，本发明能提供可稳定地进行高精度浓度测量且不进行背景测量的浓度测量装置。

Claims

1、一种浓度测量装置，其特征在于，具有

接触测量对象的浓度测量用接触件、

发射光并使该光入射到所述浓度测量用接触件的光源、

取出从所述浓度测量用接触件入射到所述测量对象物内并且在所述测量对象物内传播后返回所述浓度测量用接触件的所述光的P偏振光分量和S偏振光分量的偏振件、

至少测量该取出的所述P偏振光分量的光量和所述S偏振光分量的光量的光检测器、以及

根据该测量结果运算所述测量对象物包含的特定成份的浓度的运算装置。

2、如权利要求1中所述的浓度测量装置，其特征在于，

所述运算装置利用与所述测量结果和所述特定成份浓度有对应关系并且预先求出的对应信息，运算所述特定成份的浓度。

3、如权利要求1中所述的浓度测量装置，其特征在于，

浓度测量用接触件是衰减全反射元件，入射到所述测量对象物的光是从所述衰减全反射元件漏出的渐消光。

4、如权利要求1中所述的特定成份的浓度测量装置，其特征在于，

所述测量对象物是活体组织，所述特定成份是葡萄糖、乙醇、胆固醇或胆固醇衍生物。

5、如权利要求1中所述的浓度测量装置，其特征在于，

所述运算装置在所述P偏振光分量的光量测量值为Ip，所述S偏振光分量的光量测量值为Is时，运算log₁₀(Is/Ip)或log₁₀(Ip/Is)，并根据该运算所得的值求出所述特定成份的浓度。

6、如权利要求1中所述的浓度测量装置，其特征在于，

所述运算装置在所述P偏振光分量的光量测量值为Ip，所述S偏振光分量的光量测量值为Is时，运算Is/Ip或Ip/Is，并根据该运算所得的值求出所述特定成份的浓度。

7、如权利要求1中所述的浓度测量装置，其特征在于，

所述光检测器对所述P偏振光分量和所述S偏振光分量进行交互测量至少各1次；

所述运算装置在所述光检测器中测量的测量值内选择交互测量的时间接近的所述P偏振光分量的光量测量值Ip和S偏振光分量的光量测量值Is，用所述Ip和所述Is进行计算，并根据所得的值求出所述特定成份的浓度。