專利名稱：測定生物體中所含的生物體成分的濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測定生物體中所含的如葡萄糖那樣的生物體成分的濃度的方法及用于該方法的計測裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)照射到生物體上的光的反射光、散射光或透射光，計測該生物體中所含的如葡萄糖那樣的生物體成分的濃度。更具體而言，觀測生物體成分的喇曼散射光，根據(jù)該喇曼散射光的強度，計算生物體成分的濃度。專利文獻I及專利文獻2公開了通過光學方式測定葡萄糖濃度的方法。根據(jù)該方法，首先，粒子被嵌入皮膚上層中。該粒子含有在與葡萄糖反應(yīng)時改變熒光特性的試劑。接著，從生物體外向粒子照射具有激勵波長的光，經(jīng)由皮膚測定粒子生成的熒光。根據(jù)所測定 的熒光，測定葡萄糖濃度?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :日本特表2004-510527號公報專利文獻2 日本特表2007-537805號公報非專利文獻非專利文獻I :MeLissa F. Mrozek, and Michael J. Weaver, “Detectionand Identification of Aqueous Saccharides by Using Surface-Enhanced RamanSpectroscopy"，Analytical Chemistry, VoL 74，No. 16，4069-4075，200
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于，提供一種更準確地測定生物體成分中所含的濃度的方法。用于解決技術(shù)問題的方案為了解決上述技術(shù)問題，作為本發(fā)明的例示性實施方式，能夠提供以下的方案。(I)測定生物體中所含的生物體成分的濃度的方法，具備以下的工序(a) (g)準備測定裝置的工序(a)，其中，上述測定裝置具備光源、光學濾波器及受光器；將來自上述光源的近似平行光經(jīng)由皮膚表面上的位置照射到嵌入于上述皮膚中的粒子芯片上，以生成第一反射光的工序(b)，其中，上述粒子芯片具備基板及多個金屬粒子;上述受光器經(jīng)由上述光學濾波器接受上述第一反射光，得到第一信號Xa的工序(C)，在此，滿足以下的等式(III)，入2= (IO7 A1)/ (IO7-B A1)* (III)X2 :透射濾波器的光的波長，A I :來自上述光源的光的波長
B :上述生物體成分固有的喇曼位移；使上述光源傾斜的工序(d);以上述粒子芯片不會被上述近似平行光照射的方式，向與上述位置相同的位置照射上述近似平行光，得到第二反射光的工序(e);上述受光器經(jīng)由上述光學濾波器接受上述第二反射光，得到第二信號Xb的工序(f);以及根據(jù)上述第一信號Xa和上述第二信號Xb之間的差，計算上述生物體成分的濃度的工序(g)。(2)在第一個方案的方法中，上述生物體成分為葡萄糖，B為1120CHT1。(3)在第一個方案的方法中，同時實施工序(b)及工序(C)。 (4)在第一個方案的方法中，同時實施工序(d)及工序(e)。(5)在第一個方案的方法中，同時實施工序(d) 工序(f)。發(fā)明效果本發(fā)明的一實施方式提供一種更加正確測定生物體中所含的生物體成分的濃度的方法。


圖I示出皮膚的截面圖。圖2不出粒子芯片3。圖3示出計測裝置。圖4示出表面增強喇曼散射光。
具體實施例方式(實施方式I)下面，參照附圖，對該例示的實施方式(實施方式I)的測定生物體成分的濃度的方法進行說明。圖中記載的構(gòu)成要素不一定是按比例示出的，有些地方為了明確舉例示出本發(fā)明的原理而做了一些夸張。在本實施方式中，提供一種測定生物體中所含的生物體成分的濃度的方法。該方法具備在以下的段落中說明的工序(a) (g)。(工序(a))在工序(a)，準備測定裝置。如圖3所示，測定裝置具備光源9、光學濾波器13及受光器14。測定裝置根據(jù)需要，具備光路調(diào)制器10、透鏡系統(tǒng)12、信號生成器15、鎖定放大器16及計算機17。信號生成器15向光路調(diào)制器10供給用于改變光路并切換照射狀態(tài)的調(diào)制信號。鎖定放大器16把該調(diào)制信號用作參照信號，對來自受光器14的輸出信號進行相位檢波。計算機17根據(jù)鎖定放大器16的輸出信號，計算生物體成分的濃度。計算機17還控制信號生成器15。支持體18保持光路調(diào)制器10、透鏡系統(tǒng)12、濾波器13及受光器14。(工序(b)及工序(C))圖I是示出在圖3中被虛線包圍的皮膚的擴大截面圖。在工序(b)中，如圖I和圖3所示，來自光源9的光透射皮膚的表面上的位置C。嵌入于皮膚中的粒子芯片3被透射的光照射，于是產(chǎn)生第I反射光6。在工序(c)中，如圖I所示，第一反射光6因皮膚折射率(大體I. 37)及空氣折射率(I)之差，在皮膚表面進行折射。之后，如圖3所示，所折射的第一反射光6透射光學濾波器13，被受光器14受光。如上，得到第一信號Xa。最好同時進行工序(b )及工序(c )。如圖I所示，皮膚具備表皮組織I、真皮組織2及皮下組織4。這些表皮組織I、真皮組織2及皮下組織4依次按該順序?qū)盈B。表皮組織I位于生物體的表面。表皮組織I大體具有0. 2mm 0. 5mm的厚度。真皮組織2大體具有0. 5mm 2mm的厚度。粒子芯片3被嵌入真皮組織2中，保持浸在組織細胞間的體液即細胞間質(zhì)液(interstitial fluid)中的狀態(tài)。皮下組織4主要由脂肪組織構(gòu)成。
在本說明書中使用的用語“體液”表示細胞間質(zhì)液(interstitial fluid)。真皮組織2具有多個毛細血管，體液含有該毛細血管中的生物體成分。特別是，毛細血管壁對于葡萄糖具有較高的透射性，所以體液中的葡萄糖濃度與血糖值之間具有較高的相關(guān)性。光源9沿著圖I中的z方向向皮膚照射近似平行光5。該近似平行光5的一例是具有785納米的波長，并且是具有100微米直徑的圓形光束形狀的光。近似平行光5透射表皮組織1，到達粒子芯片3。近似平行光5在粒子芯片3上反射，在此生成第一反射光。圖2示出粒子芯片3。粒子芯片3具備基板和配置在該基板的表面上的金屬粒子8。金屬粒子8的數(shù)量的一例大體為I萬個。金屬粒子8通過照射光，產(chǎn)生定域化表面等離子體共振。金屬粒子8的一例是具有大體10納米的直徑及大體38納米的長度的金納米棒。代替金納米棒，也可以使用具有被覆了如金或銀那樣的金屬的表面的電介質(zhì)粒子。該電介質(zhì)粒子的例為二氧化硅。該金屬粒子8具有785納米的定域化表面等離子體共振波長。該金屬粒子8具有大體70納米的半值寬度。在本說明書中使用的用語“定域化表面等離子體共振波長”表示吸光的峰值波長。基板大體具有100微米的直徑及大體100微米的厚度?；宀牧系囊焕潜渲鹊臉渲⒉ＡЩ蚬琛＝饘倭Ｗ?的各長軸方向配置成在X方向上平行。y方向在基板表面上與X方向正交。z方向是沿著基板的厚度的方向。美國專利申請公開第2010/0195106號公報詳細公開粒子芯片3。美國專利申請公開第2010/0195106號公報與國際公開第2007/108453號公報及日本特開2007-248284號公報相對應(yīng)。如圖I所示，粒子芯片3以具備金屬粒子8的面與表皮組織I平行的方式嵌入真皮組織2中。從表皮組織I到粒子芯片3的距離L大體為I. 5mm。當由近似平行光5照射粒子芯片3時，在金屬粒子8上產(chǎn)生定域化表面等離子體共振，增強金屬粒子8附近的電磁場強度。這導致位于金屬粒子8的附近(0. 5 30納米以內(nèi))的生物體物質(zhì)的喇曼散射光的增強。如上，產(chǎn)生表面增強喇曼散射光。第一反射光包含該表面增強喇曼散射光。表面增強喇曼散射光的強度為通常的喇曼散射光的強度的IO4倍 IO9倍。因此，在金屬粒子8的附近生成的表面增強喇曼散射光具有遠大于在皮膚表面(包含角質(zhì)層)、表皮組織I或真皮組織2中生成的喇曼散射光的強度。這表示在金屬粒子8附近的體液中所含的生物體成分產(chǎn)生的喇曼散射光被有選擇地增強。這樣減小散射光及妨害成分的影響。如生物體中所含的葡萄糖那樣的生物體成分的量遠低于生物體中所含的妨害成分的量。因此，葡萄糖的通常的喇曼散射光的強度遠遠低于皮膚表面(表皮組織I的角質(zhì)層)、表皮組織I或真皮組織2中所含的妨害成分的喇曼散射光的強度?；谝陨侠碛?，很難提取葡萄糖的通常的喇曼散射光。但是，由粒子芯片3有選擇地增強真皮組織2中的體液所含的金屬粒子8的附近的葡萄糖的喇曼散射光。與妨害物質(zhì)的喇曼散射光的強度相比，有選擇地使葡萄糖的喇曼散射光的強度較大。葡萄糖的表面增強喇曼散射光的強度與葡萄糖的濃度成比例，因此，根據(jù)葡萄糖的表面增強喇曼散射光的強度，計算葡萄糖的濃度。葡萄糖的濃度的計算的一例如以下說明。非專利文獻I的圖I示出葡萄糖的表面增強喇曼散射光譜。如非專利文獻I的圖 I所示，葡萄糖的表面增強喇曼散射光譜在lOOOcm—1 1500cm—1的喇曼位移的范圍內(nèi)，具有葡萄糖特有的多個峰值。在該多個峰值中，喇曼位移為1120 (cnT1)的峰值不與白蛋白及肌氨酸酐的喇曼散射光譜的峰值重疊。因此，該喇曼位移為1120 (cm—1)的表面增強喇曼散射光的強度僅與葡萄糖的濃度成比例。近似平行光5的波長為785納米的情況下，把透射波長860. 7納米的光的濾波器用作光學濾波器13。其理由如下所述。波長入和波數(shù)k之間的關(guān)系滿足以下的等式(I)。k (cm-1) = IO7/ A (nm) (I)785nm的波長對應(yīng)于12739CHT1的波數(shù)。因此，可以根據(jù)以下的等式計算具有1120cm—1的喇曼位移的葡萄糖所特有的喇曼散射光的波數(shù)。12739 (cm-1) -1120 (cm-1) = 11619 (cm-1)若用等式(I)換算，具有1120cm—1的喇曼位移的葡萄糖所特有的喇曼散射光的波長為 860. 7nm。光學濾波器13的一例具有860. 7納米的中心波長，并且，具有3納米的半值全寬度。該光學濾波器13的透射域為859. 2納米 862. 2納米。根據(jù)等式(I)，該透射域的波數(shù)為 11599cm 1 11639cm、圖4表示照射光、表面增強喇曼散射光、喇曼位移及半值全寬度之間的關(guān)系。葡萄糖所特有的表面增強喇曼散射光譜的中心波長及其寬度在由光學濾波器13的投射波譜的中心波長及其寬度規(guī)定的允許透射的范圍內(nèi)。通過該設(shè)定，葡萄糖所特有的表面增強喇曼散射光透射光學濾波器13。但是，其他光不透過光學濾波器13。更具體而言，如圖4所示，對于具有12739CHT1的波數(shù)的第一集束光5a，有選擇地只透射具有l(wèi)lOOcnT1 IMOcnT1的喇曼位移的喇曼散射光。另一方面，該光學濾波器13有選擇地限制包含妨害成分的喇曼散射光及第一反射光6的、不需要的波數(shù)的光的透射。具有l(wèi)lOOcnT1的喇曼位移的喇曼散射光的波數(shù)為11，639CHT1 (12，739cm_1-l, IOOcm^1=II, 639cnT1，具有IMOcnT1的喇曼位移的喇曼散射光的波數(shù)為11，599cm_1(12, 739cm_1-l, MOcnT1=Il，599cm—1)。這些值與光學濾波器13的透射域的端點的波數(shù)一致。
為了加大表面增強喇曼散射光的強度而增強第一集束光5a的強度時,反射光6的強度及妨害成分的喇曼散射光的強度也得到增強。但是，妨害成分的喇曼散射光及反射光6被光學濾波器13擋住，不到達受光器14。這樣，能夠只得到標的物質(zhì)所特有的第一信號
Xb o根據(jù)下述等式(II)，計算為了檢測葡萄糖的濃度而使用的光學濾波器13的中心波長\ 2。^ I表不第一集束光5a的波長。A 2 = (IO7 A ^/(10^1120 A (II)A 2 :光學濾波器13的中心波長A I :第一集束光5a的波長如上，通過利用實施方式I的計測裝置，能夠有選擇地計測到具有1120CHT1的喇曼 位移的葡萄糖的表面增強喇曼散射光。當然，與通常的計測的情況同樣，在計測時使用預先準備的檢測線。為了計算具有BcnT1的喇曼位移的生物體物質(zhì)的濃度，代替等式(II)而使用以下的等式(III)。入2=(IO7 A1VClO7-B. A1) (III)A 2 :光學濾波器13的中心波長X丨第一集束光5a的波長B :生物體成分的喇曼位移(工序(d) 工序(f))粗看的話，似乎經(jīng)過工序(a) 工序(C)就能夠檢測到生物體成分的濃度。但是，所得到的濃度值不正確。其理由如以下說明。第一反射光6包含雜散光。雜散光降低測定精度。雜散光包含反射雜散光61及擴散雜散光71。通過向皮膚表面照射近似平行光5,從皮膚表面產(chǎn)生反射雜散光61。由在皮膚內(nèi)部行進的近似平行光5，從皮膚內(nèi)部生成擴散散射光71。反射雜散光61大大降低測定精度。另一方面，擴散散射光71幾乎不降低測定精度。這是因為，反射雜散光61的強度始終比擴散散射光71的強度大。當折射率之差較大時，反射雜散光61的量也變大。近似平行光5從空氣向皮膚內(nèi)部行進。由于空氣折射率和皮膚的折射率之間的較大的差(大體0. 37)，近似平行光5在皮膚表面較大地反射。另一方面，在皮膚內(nèi)部，皮膚內(nèi)部的折射率實質(zhì)上一定(大體I.37)，因此，擴散散射光71的強度始終比反射雜散光61的強度弱。近似平行光5在皮膚的表面上向所有方向較大地反射，生成反射雜散光61。在位于皮膚的最表面的角質(zhì)層(厚度10微米 20微米),生成反射雜散光61。反射雜散光61的強度等于照射光的強度的大體4 7%。反射雜散光61的強度根據(jù)角質(zhì)層的表面粗度及具有不同的折射率的區(qū)域的分布而發(fā)生變化。另一方面，通常的喇曼散射光的強度為照射光的強度的10_16以下。表面增強喇曼散射光的強度為照射光的強度的10」以下。即，在皮膚表面生成的反射雜散光61的強度遠大于所檢測到的表面增強喇曼散射光的強度。因此，例如，即使反射雜散光61的強度極小，該反射雜散光61向受光器14的混入就能夠使光傳感器的輸出信號飽和，使得不能夠計測。
光學濾波器13減少混入光傳感器中的第一反射雜散光61的量，能夠防止受光器14飽和。但是，當透射光學濾波器13的光的透射率降低(即，光學濾波器13的遮斷效果提高)時，喇曼散射光的透射率也降低。在實用上，透射光學濾波器13的光的透射率的最小值大體為1(T8。S卩，不會切斷所有反射雜散光61, —部分第一反射雜散光61透射濾波器。該一部分第一反射雜散光61混入受光器14中，降低生物體成分的濃度的計測精度。并且，生物體具有一種具有與如葡萄糖的那樣的生物體成分的喇曼波譜重合的喇曼波譜的物質(zhì)。即使使用上述的光學濾波器13，也不會降低由該物質(zhì)生成的喇曼散射光(以下，稱作“妨害喇曼光”)。這也導致生物體成分的濃度的計測精度。為了解決上述問題，在本發(fā)明的該實施方式中，實施工序(d) 工序(f)。最好同時實施工序(d)及工序(e)。更好是同時實施工序(d) 工序(f)。(工序(d)) 首先，在工序(d)中，光源9傾斜。光源9的傾斜角度的例為3°以上20°以下。(工序(e))在工序(e)中，近似平行光5透射位置C。如圖I所示，光源9傾斜，所以粒子芯片3不會照射到透過了位置C的近似平行光5。在工序(e)中，近似平行光5需要透射位置C。S卩，近似平行光5不能使近似平行光5照射到位置C以外的皮膚表面的位置。其理由如下所述。皮膚表面的光學特性取決于表面粗度、折射率的分布及妨害成分的濃度。即使是同一生物體，皮膚表面的光學特性也不均勻。即，光學特性根據(jù)皮膚表面上的位置而不同。因此，即使由具有同一強度的光照射同一生物體，反射雜散光61的強度也會根據(jù)被光照射的位置而不同。因此，在工序(e)中，近似平行光5需要透射位置C。與工序(b)的情況同樣，在工序(e)中，產(chǎn)生反射雜散光。在工序(e)中生成的反射雜散光叫作第二反射雜散光62。當然，第二反射雜散光62不包含表面增強喇曼散射光。這是因為，光源9傾斜。與工序(c)的情況同樣，在工序(f)中，受光器14經(jīng)由光學濾波器13接受第二反射雜散光62，得到第二信號Xb。最后，在工序(g)中，從第一信號Xa減去第二信號Xb，計算它們的差。根據(jù)該差，能夠計算生物體成分的濃度。計算機17計算它們。從第一信號Xa減去第二信號Xb的計算抵消掉使測定精度大幅降低的反射雜散光61。妨害喇曼光也被抵消掉。即，上述差不包含反射雜散光61或妨害喇曼光的成分。因此，經(jīng)過工序(a) 工序(f)得到的濃度比僅經(jīng)過工序(a) 工序(C)得到的濃度更正確。工業(yè)實用性本發(fā)明的一實施方式能夠測定生物體的物質(zhì)(例如，葡萄糖)的濃度。附圖標記說明I表皮組織2真皮組織3粒子芯片4皮下組織5近似平行光
6反射光71擴散散射光8金屬粒子9 光源10偏光調(diào)制器12透鏡系統(tǒng)13光學濾波器14受光器
15信號生成器16 鎖定放大器(Lock-in amplifier)17計算機18支持體
權(quán)利要求
1.一種測定生物體中所含的生物體成分的濃度的方法，其特征在于，具備以下的工序a g : 準備測定裝置的工序a，其中，上述測定裝置具備光源、光學濾波器及受光器； 將來自上述光源的近似平行光經(jīng)由皮膚表面上的位置照射到嵌入于上述皮膚中的粒子芯片上，以生成第一反射光的工序b，其中，上述粒子芯片具備基板及多個金屬粒子；上述受光器經(jīng)由上述光學濾波器接受上述第一反射光，得到第一信號(Xa)的工序C，在此，滿足以下的等式(III)，入2= (IO7 A1VdO7-B. A1) . (III) 入2 :透射濾波器的光的波長， 入工來自上述光源的光的波長， B :上述生物體成分固有的喇曼位移， 使上述光源傾斜的工序d ； 以上述粒子芯片不會被上述近似平行光照射的方式，向與上述位置相同的位置照射上述近似平行光，得到第二反射光的工序e ; 上述受光器經(jīng)由上述光學濾波器接受上述第二反射光，得到第二信號(Xb)的工序f;以及 根據(jù)上述第一信號(Xa)和上述第二信號(Xb)之間的差，計算上述生物體成分的濃度的工序g。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，上述生物體成分為葡萄糖，B為1120CHT1。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，同時實施工序b及工序C。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，同時實施工序d及工序e。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，同時實施工序d 工序f。
全文摘要
本發(fā)明的目的之一是提供一種更正確地測定生物體成分中所含濃度的方法。本發(fā)明的測定生物體中所含的生物體成分的濃度的測定方法，包括準備具備光源、光學濾波器及受光器的測定裝置的工序；經(jīng)由皮膚表面上的位置，向嵌入于皮膚中的粒子芯片照射來自該光源的近似平行光的工序；使光源傾斜的工序；以及根據(jù)在該光源傾斜的工序的前后的信號之差計算上述生物體成分的濃度的工序。
文檔編號A61B5/1455GK102781325SQ20118001157
公開日2012年11月14日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月6日
發(fā)明者南口勝, 河村達朗, 鹽井正彥 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社