JP2000131230A - 近赤外分光分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 暗電流や迷光に代表されるノイズ成分の影響
を低減させることでＳ／Ｎを向上させ、高精度化、高信
頼化させる。 【解決手段】 パルス発光手段としての近赤外ＬＥＤ１
２と、分光手段２と、前記分光手段２で分光された近赤
外光の受光手段としてのアレイ型イメージセンサ５とか
らなる近赤外分光分析装置を用いて分光分析を行うにあ
たり、、前記受光手段はチャージアンプ方式により受光
信号の処理を行うとともに、前記ＬＥＤ光源からのパル
ス光と前記受光手段のチャージ時間を同期させて得る受
光信号から、前記受光信号と交互に得る前記ＬＥＤ光源
を発光させない状態でのノイズ信号を差し引く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近赤外領域におけ
る光の吸収を利用した有機成分等の化学成分を定量、定
性分析する近赤外分光分析方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】可視域に隣接する近赤外領域の光を用い
て物質の定量、定性分析を行う近赤外分光分析法は、近
年、農業分野をはじめ様々な分野で利用されており、最
近では生体計測分野において非侵襲、無害の分析手法と
して注目されている。近赤外分光分析法は800nmから250
0nmの波長の光を物質に照射し、透過あるいは拡散反射
した光のスペクトルより分析を行う手法である。近赤外
分光分析法は前述したように、 １）エネルギーの低い電磁波を用いるので試料を損傷す
ることがない。 ２）固体、粉体、繊維、液体、気体など様々な状態の試
料に適用することができる。 ３）赤外にくらべ近赤外では水の吸収強度が弱くなるの
で、水溶液あるいは含水系での分析ができる。 などの利点を有する。ただ、吸収信号は分子の基準振動
の高調波をあつかうために赤外領域での吸収信号に比較
して非常に微弱である上、バンドの帰属が明確でないと
いう欠点を有する。そのため、近赤外分光分析はその定
量、定性分析を行うためにいわゆるケモメトリクスと呼
ばれる手法を用いる。これは多変量解析手法や統計解析
手法を用いて化学分析を行う手法で、近年、パーソナル
コンピュータの発達とともに発展してきた。最近の近赤
外分光分析では主成分（回帰）分析あるいはＰＬＳ回帰
分析といった多変量解析手法を用いて行われている。ま
た、ニューラルネットワークやカオス理論等の解析への
応用も試みられている。

【０００３】本発明の従来例にあたる近赤外分光分析装
置は図１０に示すようにハロゲンランプ１、前記ハロゲ
ンランプ１からの光を測定試料１１に伝え、前記測定試
料１１からの散乱光をフラットフィールド型回折格子を
収めた回折格子ユニット２に伝える光ファイババンドル
４、前記回折格子ユニット２で分光された光を受光する
アレイ型受光素子ユニット５、前記受光素子ユニット５
からの信号をもとに数値解析を行い試料の定量あるいは
定性分析を行う演算ユニット６から構成される。

【０００４】前記受光素子ユニット５では常温での受光
感度波長域が900nmから2100nmのInGaAs素子を直線状に
２５６個並べたアレイ型受光素子を内蔵し、前記受光素
子をペルチェ素子で冷却している。前記受光素子ユニッ
ト５からの受光信号はＡ／Ｄ変換ボード９で１６ビット
精度でＡ／Ｄ変換され、パーソナルコンピュータからな
る演算ユニット６で記録され、解析される。前記演算ユ
ニット６で行われる定量あるいは定性分析は、多変量解
析を用いて行われる。

【０００５】定量分析を行う場合、たとえば、ＰＬＳ(P
anial Least Square）回帰分析と呼ばれる手法を用い
る。前記回帰分析は、予め本従来例の分析装置を用いて
既知濃度の試料の吸収スペクトルを測定する実験より検
量線を作成することにより行われる。前記検量線は、濃
度既知の複数試科から測定した吸光スペクトルを説明変
量とし、試料中成分の濃度を目的変最として回帰分析す
ることにより求める。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のような近赤外分
光分析を行う上で、受光信号のＳ／Ｎを向上させること
が分析の高精度化、高信頼化につながることは言うまで
もない。

【０００７】受光素子に生じるノイズの様々な要因のな
かに暗電流と迷光がある。暗電流は主に熱を原因として
生じるノイズで、受光しない状態においても生じるため
暗電流と呼ばれている。前述の従来例のようなチャージ
アンプ方式で得られる受光信号から暗電流の影響を除去
する場合は、吸収スペクトル測定に際して予め測定して
おいた暗電流信号を受光信号から差し引くことが一般に
行われる。暗電流は測定時の受光素子に発生する暗電流
成分を除去することが理想であるが、受光信号に重畳し
た暗電流を受光状態で判別することが困難であるため、
受光信号測定時に可能な限り近いタイミングで暗電流測
定を行うことが望ましい。

【０００８】たとえば、受光信号測定の数分以上前に暗
電流測定を行うような実験の場合、実際の受光信号測定
と暗電流測定とが時間的に大きく離れてしまい、環境温
度の微小な変化や、ペルチェ素子冷却に起因する微小な
温度変動などの受光素子の状態変化に伴うノイズを混入
させる可能性等、様々な誤差要因の原因となり得る。

【０００９】迷光は意図しない光が測定系に入り込んで
受光系に影響を与える状態を言い、試料周囲の光を遮断
することが対策として行われる。そのため、試料室中で
行う通常の分析では問題にならないが、近赤外分光分析
の利点としてよく用いられる光ファイバーを利用して室
内環境で測定する場合、その存在を無視するわけにはい
かない場合が多い。迷光の除去は試料周囲を遮光した
り、測定環境を暗室とすることで行うのが普通である
が、暗電流と同じように測定時の受光素子に発生する迷
光成分を受光信号から差し引くことによりその影響を低
減することも可能である。

【００１０】本発明の課題は、上記のような暗電流や迷
光に代表されるノイズ成分の影響を低減させることでＳ
／Ｎを向上させ、高精度化、高信頼化させた近赤外分光
分析方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】しかして本発明の第１の
特徴とするところは、パルス発光手段としての近赤外Ｌ
ＥＤと、分光手段と、前記分光手段で分光された近赤外
光の受光手段としてのアレイ型イメージセンサとからな
る近赤外分光分析装置を用いて分光分析を行うにあた
り、、前記受光手段はチャージアンプ方式により受光信
号の処理を行うとともに、前記ＬＥＤ光源からのパルス
光と前記受光手段のチャージ時間を同期させて得る受光
信号から、前記受光信号と交互に得る前記ＬＥＤ光源を
発光させない状態でのノイズ信号を差し引くことに特徴
を有している。

【００１２】また本発明の第２の特徴とするところは、
前記受光手段はチャージアンプ方式により受光信号の処
理を行うとともに、同時に発光させた複数のＬＥＤ光源
と前記受光手段のチャージ時間を同期させて得る受光信
号から、前記受光信号と交互に得る前記ＬＥＤ光源を発
光させない状態でのノイズ信号を差し引くことに特徴を
有している。

【００１３】さらに本発明の第３の特徴とするとこは、
前記受光手段はチャージアンプ方式により受光信号の処
理を行うとともに、時期を異ならせて発光させた複数の
ＬＥＤ光源と前記受光手段のチャージ時間を同期させて
得る受光信号から、前記受光信号と交互に得る前記ＬＥ
Ｄ光源を発光させない状態でのノイズ信号を差し引くこ
とに特徴を有している。

【００１４】いずれの発明においても、前記ＬＥＤの中
心波長が1200nmから1800nmであることが望ましい。

【００１５】複数の近赤外ＬＥＤ光源を用いる場合は、
一方の近赤外ＬＥＤの中心波長を他方の近赤外ＬＥＤの
半値波長の±50nm以内に入るようにするとよい。

【００１６】さらには、分析を行う近赤外光の波長範囲
が分子の基準振動の第１倍音および第２倍音あるいはそ
の結合音が観察される領域である1100nmから1900nmの全
部あるいは一部であることが望ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の一例につい
て説明する。本発明で用いる近赤外分光分析装置は、物
質の定量、定性分析を行うためのものであり、例えば溶
液中に微量含まれるグルコース濃度を近赤外分光分析法
により定量するものである。測定対象としては溶液中グ
ルコース濃度測定に限定されず、近赤外分光分析が行わ
れるすべての用途に適応可能である。

【００１８】＜実施例１＞図１に装置の構成例を示す。
光源としての近赤外ＬＥＤ１２、前記近赤外ＬＥＤ１２
からの光を液体試料１１に伝え、液体試料１１からの散
乱光をフラットフィールド型回折格子を収めた回折格子
ユニット２に伝える光ファイババンドル４、前記回折格
子ユニット２で分光された光を受光するアレイ型受光素
子ユニット５、前記受光素子ユニット５からの信号をも
とに数値解析を行い液体試料１１中のグルコース濃度の
定量を行う演算ユニット６から構成される。

【００１９】前記受光素子ユニット５は常温での受光感
度波長域が900nmから2100nmのInGaAs素子を直線状に２
５６個並べたアレイ型受光素子を内蔵し、前記受光素子
をペルチェ素子で−20℃に冷却している。前記受光素子
ユニット５からの受光信号はＡ／Ｄ変換ボード９で１６
ビット精度でＡ／Ｄ変換され、パーソナルコンピュータ
からなる演算ユニット６で記録され、解析される。

【００２０】ここで用いた近赤外ＬＥＤ１２の発光特性
を図２に示す。この近赤外ＬＥＤは中心波長1570nm、半
値幅140nmのもので、800mAのパルス電流を印加し、パル
ス発光させている（波長特性測定に用いた受光素子の波
長特性が1700nmカットオフであるため発光プロファイル
の右側の形が変形している可能性がある）。このパルス
発光は前記の受光素子ユニット５のチャージ時間に同期
して行われる。前記パルス発光と受光の同期は前記受光
素子ユニット５から得られるデジタル信号によって行
う。

【００２１】本例においては前記受光素子ユニット５か
ら得られる暗信号ホールドパルスと明信号ホールドパル
スの間でチャージが行われるので両パルス間で前記近赤
外ＬＥＤ１２がパルス発光するようにしている。パルス
発光はすべてのチャージ周期で行われる必要はなく、分
析に利用する近赤外ＬＥＤの性能に応じ、デューティ比
や印加電流などを参考に発光周期を設定する。本例にお
いて前記受光素子ユニットで処理する１回の受光信号処
理は約１６ms（約６０回/秒）で行い、５周期毎にパル
ス光をチャージ時間に同期させて約１３msの長さで発光
している（約１２パルス/秒）。暗電流および迷光等の
ノイズ信号としてはパルス発光させた時のチャージ終了
後約３ms後からチャージが開始される次の周期のチャー
ジ信号を用い、前記パルス発光時の信号から前記ノイズ
信号を差し引いて１回の受光信号としている。本実施例
ではこの受光信号を１２８回加算平均した値を測定値と
して解折に利用した。

【００２２】近赤外領域における物質の吸収信号は、赤
外領域の基準振動の倍音およびその結合音として観察さ
れるため赤外領域なシャープな吸収信号に比較してブロ
ードとなる。たとえば図３や図４に示すように生体由来
のコレステロールを例にとると、1730nm付近と1190nm付
近に幅数十nmの吸収ピークが存在する。また、アルブミ
ンも1500nm付近と1190nmに幅数十nmの吸収ピークが存在
する。このように吸収スペクトルとして数十nmの幅を有
するピークが観察できる1100nmから1900nmの第１倍音、
第２倍音とその結合音が観察される領域では、半値幅が
100nmから200nm程度の光源で分光分析が十分に可能であ
り、この領域で中心波長を有し、半値幅が150nm程度の
発光特性を有するInP系の近赤外ＬＥＤを光源として利
用することは非常に有用である。

【００２３】このことは本発明で開示される1100nmから
1900nmでの領域で特異的な現象で、たとえば、第３倍音
とその結合音が観察される1000nm以下の波長領域では、
本発明で示す領域で観察される吸収ピークよりさらにブ
ロードな吸収ピークが観察されることや、1000nm以下に
発光特性を有する発光ダイオードの半値幅が数十nmであ
ることから同様な分光分析系は不向きである。また、18
00nm以上の領域では現在、有用な近赤外ＬＥＤは開発さ
れていない。

【００２４】定量分析に用いる近赤外スペクトルは本実
施例の装置を用い、イントラリピッド（大塚製薬（株）
製、静注用脂肪乳剤）にグルコースとアルブミンを混合
させた散乱溶液を作成し、この試料を測定することによ
って得た。前記溶液はグルコース濃度を0mg/d1から800m
g/d1までの６水準、アルブミン濃度9g/d1から3.6g／d1
の５水準をランダムに組み合わせ、１５種類の濃度既知
試料を作成した。

【００２５】前記試料を測定した近赤外スペクトルから
前記試料中グルコース濃度の定量を行った。利用した波
長領域は1500nmから1700nmである。本例では市販の多変
量解析ソフトウェア（Unscrambler、ＣＡＭＯ社製）を
用いＰＬＳ回帰分析を行った。ＰＬＳ回帰分析は、前記
濃度既知の複数試料から測定した吸光スペクトルを説明
変量とし、試料中グルコースの濃度を目的変量として回
帰分析することにより行われる。本例における検量式の
作成および検量には、クロスバリデーション手法を用い
た。図５に示したように、相関係数０．９５６、標準誤
差ＳＥＰ76.8mg/dl（グルコース濃度のレンジに対して
９．６％誤差）でグルコース濃度の推定ができた。

【００２６】＜実施例２＞図６に他例を示す。本例は中
心波長1450nmで半値幅が140nmと中心波長1570nmで半値
幅が140nmの２種類の近赤外ＬＥＤ１２，１２を用いて
おり、その他のハード構成は実施例１と同じである。本
例においては上記２種類の近赤外ＬＥＤ１２，１２を同
時に、実施例１と同様なタイミングでパルス発光させて
いる。発光時に印加するパルス電流はいずれも800mAで
ある。本実施例に用いた光ファイババンドル４は３分岐
バンドルで、２本の発光用バンドルと１本の受光用バン
ドルを有する。この３本のバンドルは測定端部で受光用
光ファイバＡ、Ｂと受光用光ファイバＣがランダムに束
ねられ、図７のように構成されている。図中４０はステ
ンレス製チューブである。発光用光ファイバからの近赤
外光は液体試料中で散乱され、受光用光ファイバに入射
した散乱光が回折格子ユニットに導かれる。

【００２７】定量分析も実施例１と同様な液体試料を作
成し、同様な解析手法でグルコースの定量を行った。図
８に示したように、相関係数０．９８８、標準誤差差Ｓ
ＥＰ39.9mg/dl（グルコース濃度のレンジに対して５．
０％誤差）でグルコース濃濃度の推定ができた。

【００２８】＜実施例３＞本例の構成は実施例２とほぼ
同様である。本例は中心波長1450nmで半値幅が140nmと
中心波長1570nmで半値幅が140nmの２種類の近赤外ＬＥ
Ｄを用い、この２種類の近赤外ＬＥＤを交互に発光させ
てスペクトル測定を行っている。図９にパルス発光のタ
イミングをタイムチャートに示す。１回の測定は５回分
のチャージ時間からなり、チャージ時間Ｔ１に同期させ
て近赤外ＬＥＤ１（中心波長1450nm）に800nAのパルス
電流を印加し、発光信号を得る。次のチャージ時間Ｔ２
では無発光状態でノイズ信号を得る。次のチャージ時間
Ｔ３に同期させて近赤外ＬＥＤ２（中心波長1570nm）に
800mAのパルス電流を印加し、発光信号を得る。次のチ
ャージ時間Ｔ４では無発光状態でノイズ信号を得る。次
のチャージ時間は利用していない。この１回の測定を１
２８回行い、各発光信号から直後のノイズ信号を差し引
いた信号を加算平均した値を測定値として解析に利用し
た。

【００２９】本例では発光信号は２種類存在するが、加
算平均時には区別せず１２８×２＝２５６個の発光信号
の加算平均とした。このように、近赤外ＬＥＤを交互に
発光させることで１回の印加電流を小さく抑えることが
でき、また、デューティ比も小さい状態で操作が可能と
なる。本例においても実施例２と同様な３分岐光ファイ
ババンドルを用いた。

【００３０】定量分析も実施例１と同様な液体試料を作
成し、同様な解析手法でグルコースの定量を行った。図
８に示したように、相関係数０．９９０、標準誤差ＳＥ
Ｐ38.8mg/dl（グルコース濃度のレンジに対して４．９
％誤差）でグルコース濃度の推定ができた。

【００３１】

【発明の効果】分析を行う近赤外光の波長範囲が分子の
基準振動の第１倍音および第２倍音あるいはその結合音
が観察される領域、すなわち1100nmから1900nmの全部あ
るいは一部で行う近赤外分光分析において、パルス発光
手段としての中心波長が1200nmから1800nmである近赤外
ＬＥＤと、分光手段と、前記分光手段で分光された近赤
外光の受光手段としてのアレイ型のイメージセンサから
なる近赤外分光分析装置を用いて分光分析を行うにあた
り、前記受光手段はチャージアンプ方式により受光信号
の処理を行うとともに、前記ＬＥＤ光源からのパルス光
と前記受光手段のチャージ時間を同期させて得る受光信
号から、前記受光信号と交互に得る前記ＬＥＤ光源を発
光させない状態でのノイズ信号を差し引いているため
に、暗電流や迷光に代表されるノイズ成分の影響を低減
させることでＳ／Ｎを向上させることができ、高精度
化、高信頼化させた近赤外分光分析方法を提供すること
ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で用いた構成を示すブロック
図である。

【図２】同上で用いた近赤外ＬＥＤの波長特性図であ
る。

【図３】近赤外領域（1300nmから1850nm）の吸収スペク
トル図である。

【図４】近赤外領域（1000nmから1350nm）の吸収スペク
トル図である。

【図５】本発明の実施例１での実験結果を示すグラフで
ある。

【図６】本発明の実施例２および実施例３で用いた構成
を示すブロック図である。

【図７】同上で使用した３分岐光ファイババンドルの測
定部側の断面図である。

【図８】本発明の実施例２での実験結果を示すグラフで
ある。

【図９】本発明の実施例３で利用したタイミングチャー
トである。

【図１０】本発明の従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

２ 回折格子ユニット ４ 光ファイババンドル ５ 受光素子ユニット ６ 演算ユニット １２ 近赤外ＬＥＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 敬輔 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 陳 若正 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 2G020 BA02 BA03 BA14 BA16 CA03 CB04 CB27 CB42 CC02 CC42 CD03 CD24 CD32 CD33 CD36 2G059 AA01 EE01 EE12 GG02 GG08 HH01 HH06 JJ05 JJ17 KK04 LL04 MM01 MM03 MM09 MM17 NN01 NN05 NN09

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス発光手段としての近赤外ＬＥＤ
   と、分光手段と、前記分光手段で分光された近赤外光の
   受光手段としてのアレイ型イメージセンサとからなる近
   赤外分光分析装置を用いた分光分析方法であって、前記
   受光手段はチャージアンプ方式により受光信号の処理を
   行うとともに、前記ＬＥＤ光源からのパルス光と前記受
   光手段のチャージ時間を同期させて得る受光信号から、
   前記受光信号と交互に得る前記ＬＥＤ光源を発光させな
   い状態でのノイズ信号を差し引くことを特徴とする近赤
   外分光分析方法。
2. 【請求項２】 パルス発光手段としての複数の近赤外Ｌ
   ＥＤと、分光手段と、前記分光手段で分光された近赤外
   光の受光手段としてのアレイ型イメージセンサとからな
   る近赤外分光分析装置を用いた分光分析方法であって、
   前記受光手段はチャージアンプ方式により受光信号の処
   理を行うとともに、同時に発光させた前記複数のＬＥＤ
   光源と前記受光手段のチャージ時間を同期させて得る受
   光信号から、前記受光信号と交互に得る前記ＬＥＤ光源
   を発光させない状態でのノイズ信号を差し引くことを特
   徴とする近赤外分光分析方法。
3. 【請求項３】 パルス発光手段としての複数の近赤外Ｌ
   ＥＤと、分光手段と、前記分光手段で分光された近赤外
   光の受光手段としてのアレイ型イメージセンサとからな
   る近赤外分光分析装置を用いた分光分析方法であって、
   前記受光手段はチャージアンプ方式により受光信号の処
   理を行うとともに、時期を異ならせて発光させた前記複
   数のＬＥＤ光源と前記受光手段のチャージ時間を同期さ
   せて得る受光信号から、前記受光信号と交互に得る前記
   ＬＥＤ光源を発光させない状態でのノイズ信号を差し引
   くことを特徴とする近赤外分光分析方法。
4. 【請求項４】 前記ＬＥＤの中心波長が1200nmから1800
   nmである請求項１〜３のいずれかの項に記載の近赤外分
   光分析方法。
5. 【請求項５】 前記複数の近赤外ＬＥＤ光源に関して、
   一方の近赤外ＬＥＤの中心波長を他方の近赤外ＬＥＤの
   半値波長の±50nm以内に入るようにすることを特徴とす
   る請求項２〜４のいずれかの項に記載の近赤外分光分析
   方法。
6. 【請求項６】 分析を行う近赤外光の波長範囲が分子の
   基準振動の第１倍音および第２倍音あるいはその結合音
   が観察される領域である1100nmから1900nmの全部あるい
   は一部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
   の項に記載の近赤外分光分析方法。