分子濃度測量裝置和分子濃度測量方法
2023-05-14 10:55:36 1
分子濃度測量裝置和分子濃度測量方法
【專利摘要】本發明提供了分子濃度測量裝置和分子濃度測量方法，該分子濃度測量裝置包括：雷射振蕩器，振蕩並輸出具有振蕩頻率ω1的第一雷射和具有振蕩頻率ω2的第二雷射，相對於作為待測分子的分子振蕩模式的振蕩頻率ωχ，有關係ωχ=ω1-ω2(ω1>ω2)；聚光透鏡，將第一雷射和第二雷射聚集到其中包括了待測分子的生物體的血管中；感光單元，感測當第一雷射和第二雷射照射在待測分子上時由待測分子發射然後發生斯託克位移的受激拉曼散射光；濃度計算單元，根據感測的受激拉曼散射光的光譜強度計算待測分子的濃度。
【專利說明】分子濃度測量裝置和分子濃度測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及分子濃度測量裝置和分子濃度測量方法，更特別地，涉及能夠使用有利的S/N比進行待測分子的濃度測量的分子濃度測量裝置和分子濃度測量方法。
【背景技術】
[0002]對於糖尿病患者，要一直監測血液中的葡萄糖(血糖)，並且根據血糖水平的變化給患者施用胰島素或治療藥物。然而，近年來，對於測量血糖水平的方法，通常使用酶解法來獲得從血液或皮膚的真皮層提取的包含在組織液中的葡萄糖濃度。為此，使用注射器等來收集標本，這因此導致患者不僅關心傳染性疾病，還關心可能由此而產生的疼痛。
[0003]因此，日本專利申請第4618341號提出了一種其中使用相干反斯託克拉曼散射(以下稱為CARS)的非侵入性的血糖測量方法。在該方法中，由於通過其上的光學聚焦僅能獲得從諸如血紅細胞的機構內部的本地部分輸出的CARS信號，因此可以以非侵入方法測量糖化血紅蛋白的量。圖1不出了由Xi Wang, Aihua Zhang, Miaochan Zhi, AlexeiV.Sokolov,和 George R.Welch 所著的在 Physical Review A, Vol.81, 013813 (2010)公開的 「Glucose Concentration Measured by the Hybrid Coherent Ant1-Stokes RamanScattering Technique」中公開的葡萄糖水溶液的CARS信號。
【發明內容】
[0004]然而，在該方法中，由於即使在諧振頻率以外的範圍內，三階非線性光學極化率的實部具有O以外的有限值，因此噪聲與信號同時被放大。如圖1所示，在葡萄糖水溶液的CARS信號的峰值最大限度地在大約17000計數時，噪聲甚至在9000計數。因此，當在待測分子以外還有其他一些分子時，有如下的情形，其中，由於具有有限值的其他分子存在於CARS信號的波長範圍中的三維非線性極化率的實部中，信號被放大的噪聲屏蔽。
[0005]圖 2 不出了 由 Xi Wang, Aihua Zhang, Miaochan Zhi, Alexei V.Sokolov,和George R.Welch 所著的在 Physical Review A, Vol.81, 013813 (2010)公布的 「GlucoseConcentration Measured by the Hybrid Coherent Ant1-Stokes Raman ScatteringTechnique」中披露的豬血中包含的葡萄糖的CARS測量結果。
[0006]參照圖2，相對於從豬收集的純血液樣本測量葡萄糖的CARS，並且通過將葡萄糖添加到收集的血液來獲得樣本，使得樣本濃度為25mM、58mM、125mM、189mM、308mM、和415mM。在圖2的縱向方向列出的測量結果中，最低測量結果是純血液樣本的，並且圖形布置的越高，添加的葡萄糖的濃度越高。可以看出，隨著添加的葡萄糖的濃度逐漸增大，由虛線表示的波數部分的強度逐漸增大。即，看出該部分對應於葡萄糖的CARS信號，但是相對於圖2的最低部分中示出的純血液樣本的CARS信號，對於從血液中的其他分子衍生的噪聲，葡萄糖的CARS信號很弱。
[0007]理想的是使得分子濃度測量能夠通過使用有利的S/N比的測量來進行。
[0008]根據本技術實施方式，提供了一種分子濃度測量裝置，包括:雷射振蕩器，振蕩並輸出具有振蕩頻率ω I的第一雷射和具有振蕩頻率ω2的第二雷射，關於作為待測分子的分子振蕩模式的振蕩頻率ω X，存在關係ω Χ=ω1-ω2(ω1>ω2);聚光透鏡，將第一雷射和第二雷射聚集到其中包括了待測分子的生物體的血管中；感光單元，感測當第一雷射和第二雷射照射在待測分子上時由待測分子發射然後發生斯託克位移的受激拉曼散射光；濃度計算單元，根據感測的受激拉曼散射光的光譜強度計算待測分子的濃度。
[0009]根據本技術的實施方式，提供了一種分子濃度測量裝置的分子濃度測量方法，包括:雷射振蕩器振蕩並輸出具有振蕩頻率Q1的第一雷射和具有振蕩頻率ω2的第二雷射，關於作為待測分子的分子振蕩模式的振蕩頻率ωχ，有關係COx = CO1-CO2(CO1)CO2);聚光透鏡將第一雷射和第二雷射聚集到其中包括了待測分子的生物體的血管中；感光單元感測當第一雷射和第二雷射照射在待測分子上時由待測分子發射然後發生斯託克位移的受激拉曼散射光；以及濃度計算單元，根據感測的受激拉曼散射光的光譜強度來計算待測分子的濃度。
[0010]根據本發明實施方式，振蕩並輸出具有振蕩頻率O1的第一雷射和具有振蕩頻率ω2的第二雷射，其相對於作為待測分子的分子振蕩模式的振蕩頻率ωχ，有關係COx = CO1-CO2(CO1)CO2),第一雷射和第二雷射被聚集到其中包括了待測分子的生物體的血管中，感測當第一雷射和第二雷射照射在待測分子上時由待測分子發射然後發生斯託克位移的受激拉曼散射光，並且根據感測的受激拉曼散射光的光譜強度計算待測分子的濃度。
[0011]分子濃度測量裝置可以是獨立裝置或者可以是包括在一個裝置中的內部模塊。
[0012]根據上述本技術的實施方式，可以使用有利的S/N比來測量待測分子的濃度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是示出葡萄糖水溶液的CARS信號的示意圖；
[0014]圖2是示出葡萄糖的CARS測量結果的實例的示意圖；
[0015]圖3是用於描述受激拉曼散射的示意圖；
[0016]圖4是示出了三階非線性光學極化率X (3)的絕對值的平方、實部和虛部的示意圖；
[0017]圖5是示出應用本技術的分子濃度測量裝置的第一實施方式的配置實例的示意圖；
[0018]圖6是示出生物組織的吸收散射的波長相依性的示意圖；
[0019]圖7是示出濃度為lg/dL和50g/dL的水和葡萄糖水溶液的自發拉曼光譜的示意圖；
[0020]圖8是示出應用本技術的分子濃度測量裝置的第二實施方式的示意圖；
[0021]圖9是示出受激拉曼散射光的二維數據的曲線圖；以及
[0022]圖10是受激拉曼散射光的光譜範圍內的光強度在時間軸上繪製的曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]以下，將參照附圖詳細描述本發明的優選實施方式。值得注意的是，在該說明書及附圖中，具有大致相同功能和結構的結構元件用相同的參考標號表示，並且省略了對這些結構元件的說明。[0024]以下，將描述用於實施本發明的模式(以下，被稱為實施方式)。應當注意的是，以以下順序進行描述。
[0025]1.第一實施方式(其中用鎖相放大器檢測信號光的配置實例)
[0026]2.第二實施方式(其中用條紋相機檢測信號光的配置實例)
[0027]〈1.第一實施方式>
[0028][受激拉曼散射的描述]
[0029]應用本技術的分子濃度測量裝置使用受激拉曼散射(以下，還稱為SRS (受激拉曼散射))測量作為測量目標(以下，也被稱為待測分子)的分子的濃度(量)。首先，將參照圖3A至圖3C描述受激拉曼散射。
[0030]如圖3A所示，在受激拉曼散射中，準備振蕩頻率Co1和振蕩頻率ω2的兩個雷射束。對於ωχ，這是如圖3Β所示的分子的分子振動模式，兩個雷射束的振蕩頻率Co1和ω2被設置為有關係Wx = W1-W2O
[0031]當作為激發光的具有振蕩頻率Co1的雷射束照射在待測分子上時，分子發射具有振蕩頻率ω2的自發拉曼散射光，但是在受激拉曼散射中，作為激發光的具有振蕩頻率Co1的雷射束的激發密度提高，並且具有振蕩頻率ω2的雷射束照射在分子上作為種子光(斯託克光)，以導致激發並發射拉曼散射光。
[0032]如圖3C所示，在受激拉曼散射中，能量移動(斯託克位移)到照射在將以振蕩頻率ω χ測量的分子的具有振蕩頻率Q1和ω2的兩個雷射束中具有較低振蕩頻率Co1的雷射束偵牝從而具有較低振蕩頻率Q1的雷射束的能量增大。該受激發射現象的概率與入射光的能量密度成比例。
[0033]由Maruzen C0.，Ltd在Vol.9of the fifth edition of Experimental ChemistryCourse 發表，並且由 Chemical Society of Japan在第 496 和 497 頁編輯的「The Structureof a Material 1- Spectroscopy the First Part」 中，CARS 和 SRS 的信號強度用如下的等式(I)和(2)表示，
【權利要求】
1.一種分子濃度測量裝置，包括: 雷射振蕩器，振蕩並輸出具有振蕩頻率O1的第一雷射和具有振蕩頻率ω2的第二雷射，相對於作為待測分子的分子振蕩模式的振蕩頻率ωχ，所述振蕩頻率GJ1和所述振蕩頻率 ω2 存在關係 ω X = CO1-CO2，其中，(O1)CO2 ; 聚光透鏡，將所述第一雷射和所述第二雷射聚集到包括所述待測分子的生物體的血管中； 感光單元，感測當所述第一雷射和所述第二雷射照射在所述待測分子上時由所述待測分子發射然後發生斯託克位移的受激拉曼散射光；以及 濃度計算單元，根據感測的所述受激拉曼散射光的光譜強度計算所述待測分子的濃度。
2.根據權利要求1所述的分子濃度測量裝置， 其中，所述雷射振蕩器被配置為具有用于振蕩橫向模式為TEMOO的雷射的鎖模雷射器或Q開關雷射器，以及 其中，所述聚光透鏡以將焦點位置設置在包括所述待測分子的所述生物體的所述血管內部的方式來聚集光。
3.根據權利要求1所述的分子濃度測量裝置，其中，所述第二雷射的波長被設置為自發拉曼散射光的光譜分布中的波長。
4.根據權利要求1所·述的分子濃度測量裝置， 其中，所述雷射振蕩器輸出所述第一雷射和所述第二雷射作為具有IOOfs以上的脈衝寬度的脈衝雷射， 其中，所述裝置還包括: 調節單元，以所述第一雷射和所述第二雷射同時照射在所述待測分子上至少IOOfs的方式調節所述第一雷射和所述第二雷射的脈衝時序。
5.根據權利要求1所述的分子濃度測量裝置， 其中，在所述待測分子發射所述受激拉曼散射光之後，所述感光單元僅感測到IOps以下的緩和分量。
6.根據權利要求1所述的分子濃度測量裝置， 其中，所述第一雷射和所述第二雷射的波長具有從700nm至2 μ m範圍內的值。
7.根據權利要求1所述的分子濃度測量裝置， 其中，所述濃度計算單元以如下方式來計算所述待測分子的濃度:所述單元預先存儲一校準曲線，然後從拉曼光譜的測量峰值強度獲得水和所述待測分子中的每一個的分子數量以獲得分子數量之比，所述校準曲線指示關於水和所述待測分子的所述拉曼光譜的所述峰值強度與分子數量之間的關係。
8.根據權利要求1所述的分子濃度測量裝置， 其中，所述待測分子為所述糖尿病患者的生物體的血管中的葡萄糖。
9.一種分子濃度測量裝置的分子濃度測量方法，包括: 通過雷射振蕩器振蕩並輸出具有振蕩頻率Q1的第一雷射和具有振蕩頻率ω2的第二雷射，相對於作為待測分子的分子振蕩模式的振蕩頻率ωχ，所述振蕩頻率GJ1和所述振蕩頻率ω2存在關係ω χ = ω「ω2，其中，；通過聚光透鏡將所述第一雷射和所述第二雷射聚集到包括所述待測分子的生物體的血管中； 通過感光單元感測所述第一雷射和所述第二雷射照射在所述待測分子上時由所述待測分子發射然後發生斯託克位移的受激拉曼散射光；以及 通過濃度計算單元根據感測的所述受激拉曼散射光的光譜強度來計算所述待測分子的濃度。
【文檔編號】G01N21/65GK103575719SQ201310302684
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月17日 優先權日:2012年7月24日
【發明者】中尾勇 申請人:索尼公司