特定成分信息測量裝置的製作方法
2023-05-02 20:27:51
專利名稱：特定成分信息測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及非侵入性測量試樣中所含葡萄糖、膽固醇、酒精等特定成分的濃度信息等的特定成分信息測量裝置。
例如，日本特開平9-113439號公報提出使具有一對平行相對的反射面的透明ATR元件緊貼上下嘴唇，測量血糖值的方法。
該方法將ATR稜鏡銜在嘴上對其上下按壓後，使光入射到ATR元件，在ATR元件的反射面與嘴唇的邊界之間反覆進行全反射，分析滲出到ATR元件外部的光線。
在BME Vol.5，No.8，(日本ME學會，1991)提出了這樣的方法，即將ZnSe光學晶體等組成的ATR元件緊貼在嘴唇黏膜上之後，對該ATR元件入射波長9～11微米的雷射，使ATR元件內部產生多重反射，並分析其吸收光、散射光，以測量血糖值和血中的酒精濃度。採用該方法，能以非侵入方式實時地測量葡萄糖濃度、酒精濃度、膽固醇濃度等特定成分的濃度。
上述方法將易失性光(「消散光」)用於定量分析。ATR元件中穿行的光僅少量浸入嘴唇，受該處所存在的體液中各種成分的影響。
例如，葡萄糖在光波數為1080/cm處存在光吸收峰，因而對生物體照射該波數的光時，吸收量隨生物體中葡萄糖濃度的變化而不同。
因此，利用對生物體照射這種光，並且測量從生物體返回的光，能檢測出隨體液中各種成分的濃度變化而發生的吸收量變化，所以能得到各種成分的濃度信息。
然而，上述已有ATR測量裝置存在下列問題。
易失性波的滲入深度通常與波長同一數量級，光只在生物體中通過很小的距離，因而存在不能得到足夠的信號強度的問題。即，由於通過體液的光的光程長度非常短，被體液所吸收的光吸收量非常小，觀測吸光度時不能得到足夠的信號強度。圖2所示虛線示出這種已有的ATR裝置那樣，不用起偏器而用無偏振光測量的、葡萄糖溶液在規定波長範圍的吸光度。
這樣，已有的ATR裝置由於吸光度的信號強度不夠強，也嘗試進行重複全反射以增加信號強度的方法，但因多次反射而使光學元件有大型化並且成本提高的問題。
而且，由於光學元件變大，使測量也涉及更大範圍，存在只能從特定的待測量處取得信號，造成解析度低的問題。
又，易失性波滲入生物體中的深度與波長同一數量級，非常淺，因而在測量例如嘴唇黏膜中葡萄糖濃度等情況下存在問題。
亦即，只要嘴唇黏膜表面存在少量唾液，則光在唾液中通過並返回，因而具有不能測量其深處存在的嘴唇黏膜中的葡萄糖濃度的問題。
為了解決上述課題，本發明第1項是一種特定成分信號測量裝置，該裝置具有光源、對試樣照射從所述光源出射的光並且接收從所述試樣返回的光的光學元件、檢測出返回到所述光學元件的光的光檢測器、和設定在所述光源與所述光檢測器之間的光路中並且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通過得多的起偏器，根據由所述光檢測器檢測出的光測量所述試樣中特定成分的信息。
本發明第2項是如本發明第1項所述的信息測量裝置，其中所述光檢測器檢測所述光的光量，所述信息是有關濃度的信息，根據所述光量測量所述濃度。
本發明第3項是如本發明第1或第2項所述的信息測量裝置，其中使所述光的波數與所述特定成分有對應關係。
本發明第4項是本發明第1～第3項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述光學元件是ATR元件，所述試樣配置成接觸所述ATR元件，所述光檢測器檢測從所述ATR元件滲到所述試樣的P偏振分量的光。
本發明第5項是本發明第2～第4項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述光的波數至少包含1000/cm至1125/cm的範圍，根據所述波數範圍的光量測量所述試樣中的葡萄糖濃度。
本發明第6項是本發明第1～第5項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述起偏器設置成與所述光學元件、所述光源或所述光檢側器合為一體。
本發明第7項是本發明第1～第6項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述光源是SiC光源或量子級聯光源。
本發明第8項是本發明第1～第7項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述光檢測器是MCT檢測器或熱電傳感器。
本發明第9項是本發明第6～第8項中任一項所述的信息測量裝置，其中在所述光學元件、所述光源或所述光檢測器的對光進行輸入輸出的至少一部分上形成用於反射或吸收所述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。
本發明第10項是如本發明第9項所述的信息測量裝置，其中由所述多個所述ATR元件形成所述光學元件，對所述多個ATR元件進行準直校正，使光的輸入輸出面對齊，在所述準直校正後的面上形成所述遮光膜。
本發明第11項是本發明第1～第10項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述光的照射對象是生物體黏膜。
本發明第12項是本發明第1～第4項中任一項所述的信息測量裝置，其中所述光的照射對象是氣體。
圖2是示出本發明實施形態的特定成分濃度測量裝置的葡萄糖溶液吸光度測量結果的特性圖。
圖3是示出本發明實施形態的特定成分濃度測量裝置的嘴唇黏膜吸光度的特性圖。
圖4表示本發明實施形態的特定成分濃度測量裝置以氣體為測量對象時的構成圖。
圖5是示出本發明實施形態的特定成分濃度測量裝置的一部分的構成的立體圖。
圖6是示出本發明實施形態的特定成分濃度測量裝置的一部分的構成的立體圖。
圖7是涉及本發明的濃度測量裝置的剖面圖。
圖8是涉及本發明的濃度測量裝置在使用狀態下的剖面圖。
附圖中，1為光源，2為ATR元件，3為起偏器，4為光檢測器。
具體實施形態下面用附圖詳細說明本發明的實施形態。
下面用
圖1說明本發明的實施形態。圖1是示出本發明實施形態的特定成分濃度測量裝置的概略圖。
採用SiC光源作為光源1。與鎢、滷素光源相比，SiC光源能輻射長波長的紅外光。在對例如葡萄糖那樣波數為1080/cm的紅外區中具有吸收峰的物質進行測量特別理想。
作為本發明的光學元件的一個例子的ATR元件2採用對例如波長1.1～10微米的光透明的矽單晶基片。
特別是硼和磷等雜質含量小且電阻率為100Ω·cm以上的這種基片更理想。電阻率為1500Ω·cm以上的更好。這些高電阻率的矽對於約9～10微米波長的紅外線透射率高，適合測量在這些頻帶具有吸收區的葡萄糖等物質。而鍺在這些紅外區也透明，因而也是理想的。將這種ATR元件2配置成與例如嘴唇黏膜等本發明的試樣接觸。
作為本發明的起偏器的一個例子的起偏器3配置在ATR元件與光檢測器4之間的光路中。由於採用起偏器3，能從無偏振的紅外光取出P偏振分量的光。即在上述狀態下旋轉起偏器3以對該起偏器進行設定，使到達光檢測器4的光的偏振分量為P偏振光。光檢測器4採用例如熱電傳感器或MCT檢測器。
下面用圖1說明本發明特定成分濃度測量裝置的工作原理。從光源1射出並且射入到ATR元件2的光一面反覆進行全反射，一面在ATR元件內傳播。光在ATR元件2的界面上全反射，但這時光少量滲出到ATR元件2外側的媒體(例如嘴唇黏膜)中。這樣從界面滲出的光稱為易失性光波，已知有在波長的幾倍的長度上從界面滲出的情況。這樣滲出的光受媒體中特定成分的影響，一面在ATR元件2內部傳播，一面通過起偏器3被引導到光檢測器4。光檢測器4根據導入的光線的光量對該光線進行分析，決定與該波長對應的特定成分的濃度。
也就是說，光檢測器4在與規定的波長對應的特定成分含量大的情況下檢測出大的吸收峰，反之，特定成分含量少時則檢測出小的吸收峰。然後，與光檢測器具有的該波長上的基準吸收峰進行比較，以決定與該波長對應的特定成分的濃度。
在ATR元件2的外側填充葡萄糖溶液作為本發明的試樣，圖2示出測量其吸光度特性的結果。作為試樣的葡萄糖溶液，採用濃度為1000mg/dl的溶液。
圖2所示實線示出如上所述將起偏器3設定成使P偏振光透射，並且在光波數從1000/cm到1125/cm的範圍利用光檢測器4對葡萄糖溶液的吸光度進行分光測量的結果。虛線示出無起偏器3的狀態下進行測量時的結果。這樣將起偏器3設定成使P偏振光透射，容易了解從ATR元件2滲出的P偏振狀態的光的變化。
採用P偏振光時，分光特性的形狀與無偏振時幾乎相同，但各波長上的吸光度大小差別大。例如，在波數為1080/cm時，無偏振的情況下吸光度為約0.0058，而採用P偏振光時吸光度增大到0.0073左右。
這是由於P偏振光比無偏振光更多地滲入葡萄糖溶液中，光線滲入較深，結果使光路實質上加長。
這種情況意味著高靈敏度檢測非常微弱的信號時，採用P偏振光進行檢測較佳，如以上那樣採用P偏振光能得到較好的結果。
圖3示出採用嘴唇黏膜作為本發明試樣時P偏振狀態的光的吸光度特性。與圖2所示葡萄糖溶液的情況一樣，採用P偏振光時測得的吸光度比不用起偏器的無偏振時的吸光度大。例如，在波數為1080/cm時，無起偏器的無偏振光時吸光度為約0.007，而由於採用P偏振分量，吸光度大幅度增加到0.0125。
這是因為P偏振光比無偏振光能更深地滲入嘴唇黏膜，結果使吸光度增大。
因此，即使嘴唇黏膜上存在唾液等障礙物質，光也能通過該物質到達嘴唇黏膜，所以不容易受障礙物質的影響。這樣，本發明的特定成分濃度測量方法、裝置不局限於溶液，對嘴唇黏膜也有效。尤其測量嘴唇黏膜中的葡萄糖濃度時，利用P偏振光，從而能進行精度高且使用上有效的測量。這樣，本實施形態的特定成分濃度測量裝置就能以非侵入方式測量嘴唇黏膜中的葡萄糖濃度等生物體內特定成分的濃度。
以上的說明中，所作闡述假設在包含波數1000/cm至1125/cm的範圍測量試樣中的葡萄糖濃度，但該範圍只是一個例子，也可在其他範圍測量葡萄糖濃度。
本實施形態的特定成分濃度測量裝置，作為生物體內的特定成分，不限於測量葡萄糖濃度，對酒精濃度、膽固醇濃度等特定成分的濃度當然也都能測量。
再者，本發明的特定成分濃度測量裝置不僅能測量溶液中存在的特定成分，而且能測量氣體的特定成分。圖4示出一例本發明用作氣體傳感器的情況。
圖4記述的濃度測量裝置中，孔7形成於存在任意種氣體的氣管6上以便能安裝導管5，並且將導管5插入孔7。導管5的前端設置作為本發明光學元件之一例的，ATR元件構成的稜鏡8。由折射率比所設想進行測量的氣體的折射率大足夠多的材料組成。稜鏡8具有斜面9和斜面11，前者用於進行折射，以使從光源1入射的光照射到作為對象的氣體與稜鏡的界面10，後者用於進行折射，以將界面10上全反射的光引導到光檢測器4。
下面說明這樣構成的濃度測量裝置的工作原理。從光源1出射的光在稜鏡8的斜面10上折射後，到達稜鏡8與氣體的界面10。界面10上全反射的光在稜鏡8的斜面11折射後，返回導管5內，通過起偏器3到達光檢測器4。這時在界面10滲出部分光線，因而光檢測器4通過起偏器3分析受氣體影響的光。這時，如果將起偏器3設定成能透射P偏振波，則與上文所述的情況相同，能以更高精度分析氣體的成分。一旦稜鏡8表面上的氣體濃度發生變化，則返回的光的光量發生變化，因而與上文所述的情況相同，能根據光量決定氣體濃度。
這樣，利用圖4所示濃度測量裝置，則不從氣管6等抽取氣體，就能分析該氣體成分的濃度。
作為氣體，只要在所用光源的波長上存在吸收，就能進行檢測，例如能檢測酒精、水、二氧化碳等。
圖4所示的上述例子中，所作的說明假設氣管6的孔7直接插入導管5，進行氣體濃度測量，但也可做成在氣管6上設置測量用的閥(圖中未示出)，通過該閥安裝導管5的結構。在這種情況下，可在關閉該閥的狀態下將導管5裝到該閥的一端，而在測量氣體濃度時只要打開該閥即可。
上述說明中，所作闡述假設將起偏器3如圖1所示，配置在ATR元件與光檢測器4之間，但並不限於上述位置，只要在光源1與光檢測器4之間的光路上即可。這時也能取得與上文所述相同的效果。該情況下，起偏器3與例如光源1、光檢測器4、ATR元件2等合為一體也是理想的。以此可實現裝置的小型化。
圖5表示起偏器與ATR元件2合為一體的例子。圖5(a)為其立體圖，圖5(b)是從圖5(a)的A方向看的剖面圖。
對於ATR元件2光線入射或出射的面上形成作為本發明的起偏器的一個例子的線狀遮光膜62。作為遮光膜62的材料只要是對使用的光進行反射或吸收的材料即可。然後，用例如掩模蒸鍍、光刻法製版等方法，在ATR元件2的光入射或出射面上形成遮光膜。
遮光膜62的厚度為10nm以上、1微米以下較佳，不到10nm，則光透射，超過1微米，則形成遮光膜62時的蒸鍍時間或蝕刻時間變長，因而不理想。
作為遮光膜62形成的線與線的間隔設定為例如0.5微米至3微米。將線與線的間隔設定成這種間隔，能多透射圖5箭頭方向的P偏振光。雖然圖中未示出，但對遮光膜62而言，與該箭頭正交的偏振分量的光幾乎都被吸收而不能透射。
這樣使起偏器與ATR元件2合為一體，起偏器就不需要對ATR元件定位，因而濃度測量裝置組裝簡單。而且對濃度測量裝置本身的小型化也有效。
圖6示出一例批量生產具有上述那種起偏器的ATR元件的情況。
如圖6所示，首先疊置多個ATR元件2。例如，圖6表示將3級ATR元件2疊在一起的例子。在這種情況下，疊置得使ATR元件2輸入輸出光的側面61對齊。
接著，在ATR元件61的入射面或出射面上用真空蒸鍍法等成膜手段形成遮光膜62。這樣能方便地在ATR上製作遮光膜。
利用這種製作方法，能在疊置在一起的ATR元件上統一形成起偏器，因而對批量生產有效。
以上的說明中，所作闡述一直假設光源1是SiC光源，但也可將量子級聯雷射光源用作光源1。量子級聯光源比上述SiC光源發熱量小，因而能抑制生物體或設備的熱損壞問題，特別有用。
如上文所述，以上說明的特定成分濃度測量方法不限於溶液，對嘴唇黏膜的特定成分測量、用作氣體傳感器的特定氣體成分測量也有效。
又，以上說明的濃度測量裝置中，雖然圖中未示出，但也有在光源1與ATR元件2之間設置分光手段的情況。這樣，能測量特定成分的波長分光特性，因此可取得各種波長上的吸收特性，因而是理想的。尤其是採用幹涉儀的FT-IR分光法能進行高靈敏度測量，因此是理想的。
如上所述，採用本發明，則可提供能利用簡易的結構方便地取得高信號強度，能高精度測量特定成分的濃度的特定成分濃度測量裝置和測量方法。本發明的特定成分濃度測量裝置和測量方法能在微弱信號得到放大的狀態下進行檢測，因而實用上有利。
又，以上的說明中，所作闡述假設接收從試樣返回的光，根據所接收光的光量測量試樣中特定成分的濃度，但也可利用光的波長變化、散射狀態等光量以外的參數代替光的光量，測量特定成分的濃度。即，本實施形態的特定成分濃度測量裝置結構上也可做成根據接收的光，測量試樣中特定成分的濃度的結構。在這種情況下，只要從界面滲出的光受與界面相接的試樣的影響，使光的波長、散射狀態等發生變化，就能得到與上文所述相同的效果。
以上的說明中，所作說明假設接收從試樣返回的光，根據所接收的光測量試樣中特定成分的濃度，但所測量的不限於濃度，也可測量溫度，溼度、粘度、密度等濃度以外的信息。在這種情況下，可根據所接收的光，使上述信息與其對應。在這種情況下也能得到與上文所述相同的效果。
以上的說明中，將本發明的起偏器設定在其起作用的狀態下能夠使P偏振光通過，但本發明的起偏器不限於其作用狀態僅使P偏振分量的光通過，也可以是使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通過得多的作用狀態，這時也能得到與上文所述相同的效果。
亦即，上述本發明的起偏器未必僅透射完全偏振狀態的光線，只要能透射比無偏振狀態下的P偏振分量多的P偏振狀態的光，就能得到與上文所述相同的效果。
又，本發明的範圍包含使用時支持著上面所述的ATR元件2的支持機構。圖7示出一例這種支持機構的剖面圖。
圖7所示的支持機構71配置光源1、起偏器3、光檢測器4，並且具有支持ATR元件用的凹口73。而且，在凹口73又形成凹部72。該凹部72用於在圖8那樣使用並支持ATR元件2時，排除從ATR元件2滲出的光對支持手段的材料的影響。圖7示出與光源1、起偏器3和光檢測器4一起支持ATR元件2的機構，但光源1、起偏器3或光檢測器4也可與支持機構71分開配置。這時，只要由支持機構71支持ATR元件，並且配置光源1、起偏器3、光檢測器4以得到與上面所述相同的效果即可。
以上的說明中，所作闡述一直假設本發明的光學元件是ATR元件2，但即使是ATR元件以外的元件，只要是進行與上面所述相同作用的光學元件，任何元件均可。
本發明光檢測器也可以是MCT檢測器、熱電傳感器以外的光檢測器。
下面說明本發明所涉及的本發明者的發明。本發明涉及的第1發明是這樣的特定成分信息測量方法，即其中具有對試樣照射光源的光線並且接收從所述試樣返回的光線的步驟、以及檢測所述接收的光並且根據所述檢測的光測量所述試樣中特定成分的信息的步驟，在所述光源與所述光檢測器之間的光路中設定起偏器，以使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通過得得多，以檢測受所述試樣影響的P偏振分量的光。
本發明的第2發明是這樣的特定成分信息測量裝置，即具有光源、支持對試樣照射所述光源的光線並且接收從所述試樣返回的光線的光學元件用的支持機構、檢測返回所述光學元件的光的光檢側器、和設定在所述光源與所述光檢測器之間的光路中並且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通過得更多的起偏器，根據由所述光檢測器檢測出的光，測量所述試樣中的特定成分的信息。
本發明的第3發明是對試樣照射光源的光線並且接收從所述試樣返回的光線的光學元件，由光檢測器檢測返回所述光學元件的光，在所述光源與所述光檢測器之間的光路中設定起偏器，以使P偏振分量的光比其他偏振分量的光多透射，並且根據所述光檢測器檢測出的光測量所述試樣中的特定成分的信息。
本發明涉及的第4發明是如第3發明所述的光學元件，而且在光輸入輸出的至少一部分上形成用於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，並且在所述形成的部分形成所述起偏器。
工業應用性採用本發明，可提供不受試樣表面障礙物質影響並且能得到高信號強度的特定成分信息測量裝置。
權利要求
1.一種特定成分信息測量裝置，其特徵在於，具有光源、對試樣照射從所述光源射出的光並且接收從所述試樣返回的光的光學元件、檢測返回所述光學元件的光的光檢測器、以及設定在所述光源與所述光檢測器之間的光路中，並且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通過得更多的起偏器，根據由所述光檢測器檢測出的光，測量所述試樣中特定成分的信息。
2.如權利要求1所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光檢測器檢測所述光的光量，所述信息是有關濃度的信息，根據所述光量測量所述濃度。
3.如權利要求1或2所述的信息測量裝置，其特徵在於，使所述光的波數與所述特定成分有對應關係。
4.如權利要求1～3中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光學元件是ATR元件，所述試樣配置成接觸所述ATR元件，所述光檢測器檢測從所述ATR元件滲到所述試樣的P偏振分量的光。
5.如權利要求2～4中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光的波數至少包含1000/cm至1125/cm的範圍，根據所述波數範圍的光量測量所述試樣中的葡萄糖濃度。
6.如權利要求1～5中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述起偏器設置成與所述光學元件、所述光源或所述光檢測器合為一體。
7.如權利要求1～6中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光源是SiC光源或量子級聯光源。
8.如權利要求1～7中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光檢測器是MCT檢測器或熱電傳感器。
9.如權利要求6～8中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，在所述光學元件、所述光源或所述光檢測器的對光進行輸入輸出的至少一部分上形成用於反射或吸收所述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.如權利要求9所述的信息測量裝置，其特徵在於，由多個所述ATR元件形成所述光學元件，對所述多個ATR元件進行準直校正，使光的輸入輸出面對齊，在所述準直校正後的面上形成所述遮光膜。
11如權利要求1～10中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光進行照射的對象是生物體黏膜。
12.如權利要求1～4中的任一項所述的信息測量裝置，其特徵在於，所述光進行照射的對象是氣體。
全文摘要
本發明提供不受試樣表面障礙物質影響且能得到高信號強度的特定成分信息測量裝置和測量方法。該測量裝置具有光源(1)、對試樣照射光源(1)的光線並且接收從所述試樣返回的光線的ATR元件(2)、檢測返回ATR元件(2)的光線的光檢測器(4)、以及設定在所述光源(1)與所述光檢測器(4)之間的光路中並且使P偏振分量的光比其他偏振分量的光通過得更多的起偏器(3)，根據由所述光檢測器(4)檢測出的光，測量所述試樣中特定成分的濃度等信息。
文檔編號G01N21/21GK1479864SQ02803286
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月26日 優先權日2001年8月28日
發明者內田真司, 大嵨希代子, 代子 申請人:松下電器產業株式會社