JP2002310908A - 非侵襲性赤外分光法における多重スペクトル分析のための方法および装置 - Google Patents
非侵襲性赤外分光法における多重スペクトル分析のための方法および装置Info
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Abstract
し、そしてさらに実質的な成分干渉をおそらく有するサ
ンプル中に存在する分析物の濃度を決定する方法および
分光光度装置を提供すること。 【解決手段】 本方法は、概して以下の工程を包含する
方法を提供する:(1)近赤外領域における、いくつか
の異なる非重複の波長領域を同定する工程であって、こ
れらの波長領域は、分析物濃度と高い相関性を有する;
(2)これらの領域を含む入射光でサンプルを照射し、
サンプル構成成分との相互作用によりスペクトル的に減
衰される放射光を得る工程;(3)スペクトル的に減衰
された放射光を検出する工程;(4)非重複の波長領域
における波長にて、スペクトル的に減衰された放射光の
強度を測定する工程;および(5)該測定を相関させ
て、分析物の濃度を示唆する値を得る工程。
Description
析を用いてサンプル中の標的分析物の濃度を決定するた
めの方法および装置に関する。本発明は、広範囲の化学
分析物(特に、血液分析物の非侵襲的分光光度(spe
ctrophotometric)分析)における適用
を見出す。
ト被験体における病状および疾患の診断および処置にお
ける広範な種々の手順における用途を見出す。1つの重
要な用途は、血糖の測定である。詳細には、血糖濃度
は、糖尿病に罹患する人において定期的にモニターされ
るべきであり、およびインシュリン依存糖尿病またはI
型糖尿病に関しては、1日数回、血糖をモニターするこ
とがしばしば必要であり、また望ましい。さらに、血中
コレステロール濃度の測定により、冠動脈疾患に罹患す
る人の処置または予防に関する重要な情報が得られ、そ
してビリルビンおよびアルコールのような他の血中有機
分析物(organic blood analyt
e)の測定は種々の診断に関して重要である。
分析物濃度を得る方法は、患者からの血液採取を伴い、
この血液は、次いで、高精度かつ感受性のアッセイ技術
を用いる実験室においてか、またはより精度の劣る自己
試験方法の使用によるかのいずれかで分析される。特
に、従来の血糖モニタリング方法は、各試験のために血
液サンプルを抜き取り(例えば、指先の切開により)、
そしてグルコメーター(glucometer)(グル
コース濃度を読む分光器)または比色校正方法を用いて
グルコースレベルを読むことを糖尿病患者(diabe
tic)に要求する。このような侵襲的な血液採取は、
糖尿病患者に痛みとうんざりする負担とを生じ、そし
て、特に、必要とされる試験頻度を考慮すると、糖尿病
患者を感染の可能性に曝す。これらの考慮は、糖尿病患
者によるモニタープロセスの低減を導き得る。
者による血糖モニターに関して)を非侵襲的に測定する
ための単純かつ正確な方法およびデバイスに関して、当
該技術分野において認識される必要性が存在する。問題
への1つのアプローチは、近赤外(near−IR、す
なわち「NIR」)分析についての従来方法の使用を伴
い、ここで、1以上の特定の波長での吸収測定が、分析
物に特有な情報を所定のサンプルから導き出すために使
用される。
そのサンプルの種々の有機構成成分に関する多量の情報
を含む。具体的には、有機分子構造(例えば、炭素−炭
素、炭素−水素、炭素−窒素、および窒素−水素化学結
合)に関連する振動、回転および伸縮エネルギーによ
り、近赤外領域(この領域は検出可能であり、そのサン
プル中に存在する種々の有機構成成分の濃度に関し得
る)での摂動を生じる。しかし、複合サンプルマトリッ
クスに関して、近赤外スペクトルはまた、分析物間の構
造の類似性、分析濃度の相対的レベルをある程度原因と
する検出可能な量の干渉を含み、これは、分析物と、特
定の系に固有の電気的および化学的「ノイズ」の大きさ
との間の関係を干渉する。このような干渉は、近赤外分
光法を用いて得られる、液体サンプル分析物の濃度を決
定するための測定の効率および精度を減じる。しかし、
多くの近赤外デバイスおよび方法が記載されており、非
侵襲性血中分析物の決定が提供されている。
dyら)は、血中分析物濃度を決定するための方法およ
び装置を記載し、ここでは、身体部分が、2以上の異な
るバンドの連続波長入射光を含む放射光で照射される。
Purdyらは、水についてのNIR吸収スペクトルに
おける2つのピーク(約1440および1935nmに
生じる)での放射光を特異的に遮断するためのろ過技術
を強調する。このような選択的な遮断は、照射される身
体部分における水による放射光の吸収が原因であり得る
加熱効果を避けるために行われる。
号(Yangら)は、非侵襲性デバイス、およびNIR
水吸収ピーク(例えば、「水透過ウィンドウ(wate
rtransmission window)」(これ
は、1300〜1900nmの波長を含む))を含むI
Rスペクトル部分のみを使用して血糖濃度を測定する方
法を記載する。任意に制御された光が、組織供給源に向
けられ、次いで、積分球により集められる。集められた
光は分析され、保存された参照校正曲線を用いて血糖濃
度が計算される。
濃度の決定における使用についても記載されている。
(Richardsonら)は、水性系を分析して複数
の活性または不活性な水処理成分を検出する方法を記載
する。この方法は、200〜2500nmの範囲にわた
る、成分の吸収または発光スペクトルの決定、および得
られたスペクトルデータのセグメントを抽出し、複数の
性能指標(performance indicato
r)を定量するためのケモメトリックスアルゴリズムの
適用を伴う。
aardら)は、赤外減衰測定技術(infrared
attenuation measuring te
chnique)を用いるミルクサンプル中の尿素濃度
を測定するための方法および装置を記載する。部分最小
二乗アルゴリズム、主成分回帰、多重線形回帰、または
人工神経ネットワーク学習(artifical ne
ural network learning)を用い
て公知の成分のスペクトルの寄与を決定するために、多
変数技術が行われる。校正は、目的の分析物シグナルを
遮断する成分の寄与を説明することよって行われる。従
って、Nygaardらは、より正確な測定を得るため
に、赤外減衰による複数の分析物の測定技術およびバッ
クグラウンド分析物の影響を補償する技術を記載する。
sら)は、濁ったサンプルまたは他の方法では分析困難
な液体サンプルにおける測定精度でバックグラウンド吸
収(すなわち、流体サンプルの全レベル光学的吸収また
はベースレベル光学的吸収)の効果を最小にするように
設計された光学的流体分析器を記載する。この装置は、
目的のサンプル成分の特徴的な光学的吸収での光学的シ
グナル、およびおよそのバックグラウンド吸収に対して
選択された波長での別のシグナルを測定し、次いで、引
き算して分析物依存シグナルのバックグランド成分を減
じる。
情報の精度は、バックグラウンド(すなわち、非分析
物、サンプル構成成分(これもまた、近赤外領域に吸収
スペクトルを有する))により生じるスペクトルの干渉
により制限される。適切なレベルのバックグラウンドノ
イズは、特に非常に微量の分析物が存在する場合に、固
有のシステム制限を象徴する。この制限を考慮すると、
シグナル対ノイズ比を改善するための試みが行われてい
る(例えば、水の吸収ピークを避けて増大した放射光強
度の使用を可能にすることにより、分析されるべきスペ
クトル情報量を減じることにより、またはバックグラウ
ンド吸収の近似に基づく引き算または補償技術の使用に
より)。このような技術はいくつかの改善を提供する
が、液体マトリックス中の分析物濃度を(特に、血糖モ
ニタリングに関して)より高精度に決定し得る方法およ
び装置の必要性が依然存在する。
の目的は、種々のバックグラウンドマトリックスを有
し、そしてさらに実質的な成分干渉をおそらく有するサ
ンプル中に存在する分析物の濃度を決定する方法を提供
することにより、当該技術分野における上記必要性に取
り組むことである。本方法は、サンプル中に存在する種
々の成分間の構造の類似性、分析物濃度の相対的強度、
ならびに種々のサンプル成分および計器変動により与え
られるスペクトルの干渉によるものである。
包含する:(1)近赤外領域における、いくつかの異な
る非重複の波長領域を同定する工程であって、これらの
波長領域は、分析物濃度と高い相関性を有する;(2)
これらの領域を含む入射光でサンプルを照射し、サンプ
ル構成成分との相互作用によりスペクトル的に減衰され
る放射光を得る工程;(3)スペクトル的に減衰された
放射光を検出する工程;(4)非重複の波長領域におけ
る波長にて、スペクトル的に減衰された放射光の強度を
測定する工程;および(5)該測定を相関させて、分析
物の濃度を示唆する値を得る工程。
び中間赤外領域の両方に由来するスペクトルデータを分
析して、分析物に特有な情報を得る方法が提供される。
従って、この方法は、近赤外および中間赤外領域(一般
的には、約1100〜5000nmの範囲であり、これ
は、選択された分析物濃度と実質的に相関するか、また
は測定および計器パラメーターに関する情報を提供す
る)における、いくつかの、異なる、非重複の波長領域
の同定を包含する。
する方法が提供される:(1)近赤外領域における、い
くつかの、異なる、非重複の波長領域を選択する工程で
あって、ここで、該波長は、分析物の濃度と高い相関性
を有する;(2)選択されたスペクトル領域を含む赤外
光を用いてサンプルを照射し、スペクトル的に改変され
た放射光を得る工程;(3)スペクトル的に改変された
放射光を光学的にろ過し、各非重複領域由来の放射光の
一部を単離または強調する工程;(4)光学的にろ過さ
れた放射光の強度を、検出器を用いて集めそして測定す
る工程;および(5)光学的にろ過された放射光に、規
定の数学的モデルを適用することにより、分析物濃度を
示唆する値を得る工程。
ンドマトリックスおよび実質的な成分干渉を有するサン
プル中に存在する分析物濃度を決定するための分光光度
装置を提供することである。この装置は、サンプルから
の反射し減衰された放射光を集めそして測定し得る検出
器の配置を包含するように設計される。この装置は、多
重スペクトル分析において、分析物に特異的なシグナル
および計器バックグラウンドノイズに関連しスペクトル
情報を干渉するシグナルを得るために使用される。ケモ
メトリックス技術は、分析物に特異的な情報と分析物濃
度との相関性を強調し得るフィルター要素を設計するた
め、および分析物濃度値を決定し得るシステムアルゴリ
ズムを得るために使用される。本発明の1つの局面で
は、分析物に特異的なスペクトル情報(これは、数百ま
でのデータポイントまたは波長を同時に分析し得る線形
検出器アレイにより検出される)を得るために、回折格
子システムが使用される。
発明を詳細に記述する前に、本発明が、変化し得るもの
として記載されたデバイスまたは方法の特定の構成部品
に限定されないことが理解されるべきである。本明細書
中で使用される用語は特定の実施態様のみを記述する目
的であり、そして制限されることを意図しないこともま
た理解されるべきである。明細書および添付の請求の範
囲において用いられる場合、文脈が明らかに他を指示し
なければ、単数形「a」、「an」、および「the」
は複数の言及を含むことが注意されるべきである。それ
ゆえ、例えば、「分析物」の言及は分析物の混合物を含
み、「光学変換セル」の言及は2つ以上の光学変換セル
を含み、「放射光を反射的に透過するための手段」は2
つ以上のこのような手段を含み、「波長」は2つ以上の
波長を含み、「ケモメトリックスアルゴリズム」は2つ
以上のアルゴリズムを含むなどである。
て、言及は以下の意味を有するように定義されるべき多
数の用語になされる:「ケモメトリックス」は、化学分
析の適用における数学的、統計的およびパターン認識技
術の適用をいう。例えば、Brownら(1990)
Anal.Chem.62:84−101を参照のこ
と。ケモメトリックスは、高度なシグナルプロセシング
および校正技術を使用する非侵襲性の診断用機器の開発
および使用の文脈において本明細書中で実行される。シ
グナルプロセシングは、分析的シグナルにおける物理的
に有意な情報のアクセス性能を改良するために使用され
る。シグナルプロセシング技術の例として、フーリエ変
換、第1および第2の導関数、およびデジタルまたは適
応ろ過が挙げられる。
正」とは、数量化の目的のためにデータ測定を化学的濃
度に関係づけるプロセスをいう。特に、ケモメトリック
ス方法を用いる統計的校正は、複雑なデータセットから
の特定の情報を取り出すために使用され得る。このよう
な校正の方法として、線形回帰、多重線形回帰、部分線
形回帰、および主成分分析が挙げられる。他の適用にお
いて、校正は人工神経ネットワーク、遺伝子学的アルゴ
リズムおよび回転主成分分析を用いて実行され得る。
上の成分に関する情報を検出する計測は、1つ以上の化
学的成分に関して特定する情報を明らかにするために、
分析アルゴリズム(例えば、ケモメトリックスを用いて
誘導されたもの)を頼りにするべきである。ケモメトリ
ックス技術を使用して、未知の値を校正された基準値お
よびデータベースと比較し、高度な形式のクラスタ分析
を提供しそして未知のサンプルから統計的および数学的
モデルにおける情報として使用され得る特徴を取り出し
得る。
ックス的技術の複雑なマトリックスにおける化学分析物
の分光学的測定への適用において実行され得るデータ縮
小方法の1つである。PCAは、別の成分からある成分
を識別する情報を保持する間、大量の相互関係のある変
数の次元の数を縮小するために使用される。この縮小
は、相互関係のある変数のオリジナルセット(例えば、
吸収スペクトル)の、オリジナルセットにおけるほとん
どの情報を表す、関連のない主成分(PC)変数の実質
的により小さなセットへの固有ベクトル変換を用いて実
行される。変数の新規のセットは、第1のPCがオリジ
ナル変数のすべてにおいて存在するほとんどの変数を保
持しないように並べられる。例えば、Jolliff
e, L.T., Principal Compon
ent Analysis, Sprinter−Ve
rlag, New York (1986)を参照の
こと。より詳細には、各PCは、オリジナルの測定変数
すべての線形組み合わせである。第1のPCは、観察さ
れた変数の最も大きな分散方向のベクトルである。次の
PCは、測定データの最も大きな変化を表すように、そ
して前に計算されたPCに直交するように、選択され
る。それゆえ、PCは、重要性の降下順に配置される。
よび/または主成分回帰の波長係数、あるいは未知のサ
ンプルに関して値(例えば、分析物濃度)を計算するた
めに使用され得る任意の統計的校正から得られた任意の
定数を含む。「波長重み係数」は、スペクトルデータか
らの波長特異的情報を強調し得る光学フィルター手段の
構成において使用される重み定数の実施態様である。波
長特異的情報は、分析を受けるサンプルに関連する所望
の値(例えば、分析物濃度)を決定するために使用され
得る。波長重み係数は、特定のフィルター密度(例え
ば、中性または波長特異的)、フィルター厚みなどとし
て具体化され得、このようなパラメータは上記の統計的
校正技術を用いて決定される。
手段は、選択された分析物濃度との高い相関を有する波
長を選択的に強調するために使用される。「高い相関」
または「密接な相関」は、特定波長における吸収スペク
トルと特定の分析物濃度との間の定量的関係のことをい
う。ここで、2つの変数は0.9以上の相関係数(r)
を有する。
吸収スペクトルを有する標準光学フィルター手段のこと
をいう。ニュートラルフィルターは、フィルター系にお
ける相関フィルターと共に使用され得、重み係数を提供
し、選択された波長における分析物による吸光度を減衰
し、そしてさらにこの系によって提供された相関の精度
を改良する。ニュートラルフィルターは、目的の範囲の
すべての波長において等しく放射光を減衰するのに十分
な吸収スペクトルを有し得る。
「水性媒体」は、水を含有する任意の組成物を包含す
る。一般に、本明細書中の水性媒体は、主成分として水
を含む(すなわち、水が少なくとも約50vol.%の
量で存在する)。このような水性媒体は、例えば、哺乳
動物組織を含む。
吸収する血液成分のことをいい、その測定方法は、患者
のモニタリングまたはヘルスケアの提供において有用で
ある。
語「近赤外線」または「近IR」は、約660nm〜3
500nmの範囲のスペクトルにおける放射光を含む
が、代表的に約1050nm〜2850nmの範囲にお
いて、そしてより代表的には約1100〜約2500n
mの範囲においてである。
d)」または「中間IR」は、約3501nm〜約60
00nmの範囲のスペクトルにおける放射光を含む。
れるべき水性サンプルの光学的吸収の全体またはベース
レベルをいい、選択された成分の吸収は、1つ以上の特
徴的波長で、ここから選択された成分の濃度を示す程度
までそれる。バックグラウンド吸収のレベルが、多数の
干渉成分が見出される複合水性媒体中のように、選択さ
れた成分の特徴的吸収に関して高い場合、目的の成分の
特徴的波長における吸収のわずかな変化の大きさの正確
な測定は、本明細書中に記載されたケモメトリックス技
術の適用を必要とする。このことは特に、目的の成分の
全体濃度が水性媒体に比べて低い適用(例えば、血中分
析物の測定において)においてそのようである。
光および中間赤外放射光を用いる液体サンプル中の分析
物の濃度の決定において提供される。先行技術に対し
て、本方法は、高度の精度で分析物濃度を決定するため
に使用され得る測定のセットを得るために、近赤外範囲
に含まれるすべてのスペクトル情報を使用する。
領域(一般に1100〜3000nmにわたる)、また
は近赤外領域から中間赤外領域(一般に3501〜50
00nmにわたる)における波長のいくつかの異なる非
重複領域を選択する工程であって、ここで各領域はスペ
クトル領域を定義する、工程、(2)選択されたスペク
トル領域を含む赤外光を用いてサンプルを照射し、減衰
されたスペクトル的に改変された放射光を得る工程、
(3)スペクトル的に減衰された放射光の強度を、選択
されたスペクトル領域のそれぞれに含まれる1つ以上の
波長で収集しかつ測定する工程、および(4)それぞれ
の測定を相関させ、分析物濃度の示す値を得る工程。
は、数学的変換の組み合わせに供され、正確な分析物濃
度値に達し得る。例えば、標準統計的技術(例えば、部
分最小二乗(PLS)分析、または主成分回帰(PC
R)分析)が特異的波長での放射光の吸光度を分析物構
造および濃度に相関させるために使用され得る。PLS
技術は、例えば、Geladiら(1986) Ana
lytica Chimica Acta 185:1
−17に記載されている。PCR技術の記載に関して、
Jolliffe, L.T., Principal
Component Analysis, Spri
nter−Verlag, New York(198
6)が参考とされ得る。
物濃度の決定における1つの方法は、一般に約1100
〜3500nmの範囲の近赤外波長の3つの非重複領域
の選択を含む。必ずしもそうではないが、好ましくは、
第1の領域は1100〜1350nmの範囲内であり、
第2の領域は1430〜1450nmまたは1930〜
1959nmの範囲内であり、および第3の領域は20
00〜2500nmの範囲内であり、ここで、各領域は
「スペクトル領域」を定義する。第1の領域は、タンパ
ク質および他の細胞成分が優位なスペクトル活性を示す
波長を含み、第2の領域は水の吸収スペクトルによって
支配され、そして第3の領域は有機分析物分子が顕著な
スペクトル活性を示す波長を含む。これらの成分はま
た、それらが優位種でないそれらの領域における吸収ス
ペクトルに寄与する。従って、各領域から得られるスペ
クトル的に減衰された放射光は、統計的方法を用いて減
少されなければならない大量の相互関連情報を含み、分
析物特異的情報を得る。
用を含み、分析的シグナルにおける物理的に有意な情報
のアクセス性能を改良する。それゆえ、特定の波長にお
いて得られたシグナルの強度値がプロセスされ、機器ノ
イズの影響を減少させ得る。次いで、プロセスされたシ
グナルは公知の統計的技術を用いる多変量の分析に供さ
れる。
において使用される1つの好ましい方法であり、別の成
分からある成分を識別する情報を保持する間、大量の相
互関連のある変数の次元の数を減少する。データ縮小
は、相互関連変数のオリジナルセット(例えば、吸収ス
ペクトル)の、オリジナルセットにおけるほとんどの情
報を表す、相関しない主成分(PC)変数の実質的によ
り小さなセットへの固有ベクトル変換を用いて実行され
る。変数の新規のセットは、第1のPCが、オリジナル
セットにおいて存在するほとんどの変化を保持しないよ
うに並べられる。
に対する直交性の回転によって変換され得、公知の波長
と分析物に帰属し得る波長における吸光度の相対値との
両方を得る。この分析を3つのスペクトルの領域のそれ
ぞれから得られた情報において実行し、線形アルゴリズ
ムによって主成分ベクトルを相関し(cross−co
rrelating)、そして干渉分析物の影響を除く
ために減算方法を用いることにより、システムアルゴリ
ズムに使用して分析物濃度を決定し得る値が得られる。
特定波長の放射光の強度を特定のサンプルマトリックス
(例えば、身体組織)中の分析物濃度に関連させるモデ
ルを提供するために使用される。このモデルは2セット
の例示的測定を用いて構成される。この例示的測定、第
1の測定セットである、スペクトルデータ(例えば、選
択された波長における放射光強度)を含む「予測セッ
ト」と、第2の測定セットである、侵襲性サンプリング
技術を用いて決定される高精度の分析物濃度を含む「校
正セット」とは同時に得られる。この手順は、分析物濃
度の範囲にわたって実施され、校正および予測データセ
ットを提供する。
て得られた測定は、例えば、ソフトウエアプログラムを
開発する市販の多変量モデルの使用により、多変量分析
に供され、最初のモデルを提供する。最初のモデルは予
測データに適用され、侵襲性技術によって得られる値と
比較され得る分析物濃度値を誘導する。上記の工程を相
互に行うことによって、本発明の方法によって得られた
データの分析で使用するシステムアルゴリズムを確立す
るために使用され得る洗練された数学的モデルが開発さ
れる。
クトル領域からの非分析物特異的情報は、例えば、各ス
ペクトル走査の規格化、バックグラウンドおよびベース
ライン干渉の減算、または不正確な測定を検出するため
に使用されるシグナル値の提供のために使用され得る。
定する場合、約1320〜1340nmにわたるスペク
トル領域でなされる測定は、範囲内に主要な吸収バンド
が存在しないので、非常に影響され減衰されないシグナ
ルを提供する。その範囲内における放射光の強度を回収
し測定することによって値が得られ、この値はサンプル
を照射するために使用される近赤外光の実際の強度を推
定するために使用され得る。この値は、それぞれ個々の
走査を規格化し、そして光源の強度の変動を補正するた
めに使用され得、このことは本発明の方法を用いて得ら
れた分析物濃度値の精度に効果を与え得た。
約1930〜1950nmにわたるスペクトル領域でな
される測定は、水の近赤外吸収スペクトルでの約144
0および1935nmで起こる2つの優位な吸収ピーク
の結果として、実質的に影響のない非常に減衰されたシ
グナルを提供する。それらの範囲の1つまたは両方にお
ける放射光の強度を回収し測定することによって値が得
られ、この値は照射されたサンプルにより全体的に吸収
されない近赤外光の強度を推定するために使用され得
る。この値は、他の領域において得られた分析物特異的
シグナルからのバックグラウンドまたはベースライン情
報の減算および/または不正確な測定を検出するための
内部参照の提供のために使用され得る。この値は、皮膚
のきめおよび年齢で変化する鏡面反射によって起こるペ
デスタル効果を補正するために、本発明の方法を用いて
得られた各スペクトル測定値から減算され得る。
0nmにわたるスペクトル領域)から得られた実質的に
減衰されないシグナルの測定と第2の領域(例えば、約
1430〜1450nmおよび約1930〜1950n
mにわたるスペクトル領域)から得られた非常に減衰さ
れたシグナルの測定とはまた、拡散反射した反射光を鏡
面反射光と比較するために使用され得る。2領域におけ
るシグナルが相対的に比較可能な値を有する場合、組織
サンプルを照射するために使用されるほとんどの放射光
は皮膚表面から反射され、従って皮膚を透過して血中分
析物と相互作用しないようである。この情報は、組織サ
ンプルの適切な機器スキャンが得られないことから起こ
る無効な測定を確認するために使用され得る。
の分析物濃度を決定する方法が、赤外領域におけるいく
つかの異なる非重複の波長領域において得られる非侵襲
的な測定と、特に野外または室内の適用に適切である光
学的プロセシングシステムとを用いて提供される。この
方法は一般に、以下の工程を含む:(1)近赤外領域
(好ましくは、1100〜3000nmにわたる)、ま
たは1100〜3500nmにわたる近赤外領域および
3501〜5000nmにわたる中間赤外領域からのい
くつかの異なる非重複の波長領域を選択する工程であっ
て、ここで各領域はスペクトル領域を定義する、工程、
(2)選択されたスペクトル領域を含む赤外光を用いて
サンプルを照射し、スペクトル的に改変された放射光
(すなわち、反射光)を得る工程、(3)改変された放
射光をスペクトル的に光学ろ過し、この放射光の部分を
各非重複領域から単離または強調する工程、(4)光学
的にろ過された放射光の強度を、検出器を用いて収集し
かつ測定する工程、および(5)定義された数学的モデ
ルを光学的にろ過された放射光に適用することによっ
て、分析物濃度が示す値を得る工程。この数学的モデル
は、上記のケモメトリックス技術を用いて得られた相関
アルゴリズムを含み得る。
用いて実施され得る。ここで図1に関して、液体試料中
の分析物の濃度を決定する1つの特定の装置は、一般に
10に示される。この装置は、約1100〜約5000
nmの範囲の波長の複数別個の非重複領域を提供する放
射光源12を含む。多くの適切な放射光源は当該分野で
公知であり、本明細書中で使用され得る(例えば、妨害
フィルターを横切って進む白熱光源、付属のチョッパー
ホイールによって変調されたハロゲン光源、レーザー光
源、レーザーダイオードアレイ、または高速光放射ダイ
オード(LED)アレイ)。1つの特定の装置におい
て、放射光源12は、特に約1100〜1350nmの
範囲の第1の波長領域、約1930〜1950nmの範
囲の第2の領域、そして約2000〜3500nmの範
囲の第3の波長領域の3つの別の領域で放射光を提供す
る。
を、分析物を含む試料媒体16との接触を始める試料イ
ンターフェース光学手段14を含む。試料媒体に接触し
た後、拡散反射光として試料から出現するスペクトル変
調放射光は集められ、そして多段階フィルター手段(一
般に18で示される)に送達される。
ス光学手段14は、装置10のインターフェースと媒体
16との接近を可能にする(例えば、この発射は装置を
試料媒体とを直接接触するように設置することによって
実行される)よう設計され得、それにより放射光源を分
析される試料の近傍に導く。この発射の後、反射光を光
学活性手段(例えば、光収束手段またはビーム偏向光
学)を用いて集められる。あるいは、試料インターフェ
ース光学手段14は、遠隔装置配置および操作を可能に
するように装置に接続された光ファイバーウェーブガイ
ドを含み得る。他の構成は提供され、ここで単一の光フ
ァイバー束が、媒体におよび媒体からの放射光を伝達す
るために用いられる。単一束の終端に配置された光極
(optrode)は、近赤外放射光を試料媒体16に
伝達し、そしてそこから束を通って装置10に直接戻る
スペクトル変調放射光を受ける。サファイヤまたは高級
水晶は、上記の光ファイバーウェーブガイドの光学素子
として使用され得、これらの物質は近赤外スペクトル範
囲で非常に良好な伝達特性を有する。
る反射光は、多段階フィルター手段18に通じる。特
に、この光は調節可能なフィルター手段20を含む第1
段階に通じ、外部で生じるか、または装置10で生じた
信号に対応して調節されるその吸収特性を有することが
可能である。調節可能なフィルター手段は一般に、外部
信号またはシステム命令により記述されるように、放射
光強度を様々に減衰するために調節される吸収特性を有
するスクリーンフィルター(例えば、ニュートラルフィ
ルター)を含む。調節可能なフィルター手段20によっ
て提供される減衰の程度は、予め決定された要素に基づ
いており、この要素は、調節可能なフィルターから放射
される放射光が、フィルター通過する前の放射光の強度
に関係なく一定値であることを保証するように選択され
る。
る減衰された放射光は、主分析物フィルター22に伝達
され、これは放射光源12により発射された波長の各別
個の非重複領域からの1つ以上の波長を選択的に通過可
能な光学特性を有する。主分析物フィルターを通過した
波長は、分析物の濃度と相関を有するように選択され
る。
ルターから出現する選択的通過波長が、第2フィルター
手段と相互作用するように、主分析物フィルター22に
関する装置10内に配列される。第2フィルター手段
は、各通過波長の強度が第2フィルター手段により減衰
されるように選択された吸収特性を有する。第2フィル
ター手段によって提供される減衰は、例えば、ケモメト
リックス技術を用いて得られる独立したセットの重み係
数(weighting factor)により決定さ
れ得る。
分析物を含む試料から得られる本来のスペクトルの部分
最小二乗法または主成分回帰を用いて決定される。第2
フィルター手段24は、少なくとも1100〜5000
nmの範囲の放射光を伝達できる適切な基質層を用いて
構築され得る。基質層は一般に、当該分野で従来的な1
つ以上の金属および/または酸化物の層でコーティング
されており、複数の第2フィルター密度を提供する。こ
のようなコーティングは、当業者に周知の乳濁液または
化学蒸着(chemical vapor depos
ition)(CVD)技術を用いて基質に付与され得
る。別の装置では、第2フィルター手段は、光学密度の
スペクトル線を有する写真マスクであり、光学密度は主
成分回帰または最小二乗分析技術を用いて決定される重
さ関数に比例する。
れぞれの波長は検出手段26(例えば、1つ以上の硫化
鉛(PbS)検出器、ガリウムヒ素検出器など)に伝達
する。約1100〜約5000nmの範囲全体にわたっ
て測定するために望ましい1つの特定の装置構成におい
て、1つ以上のセレン化鉛(PbSe)検出器が使用さ
れ得る。
射された減衰波長を検出し、そして信号に変換する。次
いでこの信号は分析物の濃度を決定するために分析物特
異的アルゴリズムに適用され得る。特に、第2検出手段
から得られた信号は、アナログ/デジタル変換器を用い
て容易にデジタル信号に変換され得る。デジタル化され
た情報は、分析物の濃度を提供するために用いられるマ
イクロプロセッサ、または電気的記憶手段(ここで、分
析物の濃度は、表示デバイスで可視化され得、および/
または出力記憶装置で記録され得る)への入力に容易に
利用可能である。
ィルター手段18の代わりに回折格子系および線形検出
アレイを含み得る。試料16から出現する反射光は、そ
こから個別の波長を選択的に通過させるため構成される
回折格子系に通され得、ここで通過波長は分析物の濃度
に特に関連する。次いで通過波長は線形検出アレイ(例
えば、PbS−ベース線形検出アレイなど)に伝達され
る。約1100〜約5000nmの範囲全体にわたって
測定するための特定の用途においては、PbSe−ベー
ス線形検出アレイが使用され得る。 PbSe線形アレ
イは、例えば、登録商標MULTIPLEXIRTM(G
raseby Infrared, Orlando,
Fla.から入手可能)で得られ得る。
系を通過する波長を集め、そして測定し、分析物の濃度
を決定するために分析物特異的アルゴリズムに適用され
得る信号を提供する。
多重スペクトルバックグラウンドを有する水性媒体中)
の分析物の濃度を測定するために用いられ得る。1つの
適用において、この装置は血中分析物濃度、特に血中有
機分析物(例えば、これらに限定されないが、グルコー
ス、尿素(BUN)、脂質、ビリルビンおよびアルコー
ル)の濃度の決定に用いられる。血中分析物はインビト
ロ試料媒体(例えば、血液試料)中に存在し得、または
装置は組織中の血中分析物を測定するために用いられ得
る。しかし、装置10は特に広範な用途(例えば、血中
アルコールの測定、または自宅健康管理(例えば、血中
グルコースの決定)での使用に適している。
のための別の装置は、一般に50に指示される。この装
置は、約1100〜約5000nmの範囲の波長の複数
別個の非重複領域を提供する放射光源52を含む。装置
50もまた、放射光源からの入射光を、分析物を含む試
料媒体56との接触を始める試料インターフェース光学
手段54を含む。試料媒体に接触した後、拡散反射光と
して試料から出現するスペクトル変調放射光は集めら
れ、そして特定の波長の光を通過させるために構成され
るフィルター手段58に送達される。
試料インターフェース光学手段を介して試料媒体に発射
される。1つの構成では、試料インターフェース光学手
段は装置のインターフェースと分析される特定の試料媒
体との接近を可能にするよう設計され得る。この発射の
後、反射光は光学活性手段(例えば、光収束手段(すな
わちレンズ)またはビーム偏向光学)を用いて集められ
る。試料インターフェース光学手段54は、遠隔装置配
置および操作を可能にする装置50に接続された光ファ
イバーウェーブガイドを含み得る。上記のように、1つ
の別の系は単一の光ファイバー束を媒体におよび媒体か
らの放射光を伝達するために用いる。
1、λ2、λ3、・・・λnで示される)を含むフィルター
手段58に向けられる。フィルター手段58は、選択さ
れた波長範囲群を通過させる。これは分析物特定情報、
測定バックグラウンドについての情報、および機器変更
または妨害効果に関する補正に用いられ得る情報を提供
する。フィルター手段から出現する選択された波長は、
検出器60(一般にD 1、D2、D3、・・・Dnで示され
る複数別個の検出器ユニットを有する)の配置によって
検出される。検出器は、フィルター手段から出現する各
選択された波長範囲が単一で別個の検出器によって検出
されるように配置される。適切な検出器構成は当業者に
公知であり、そして例えば、PbSまたはPbSe検出
器の配置を含み得る。各検出器は、検出された放射光を
電気信号に変換し、これは分析物濃度を示す値を得るた
めに用いられ得る。
ジタル変換器を用いて容易にデジタル信号(例えば、検
出された波長の強度を指示するデジタル信号)に変換さ
れ得る。次いでデジタル化された情報は、さらなる処理
のためのマイクロプロセッサへの入力に利用可能であり
(例えば、システムアルゴリズムに適用される)、また
この情報は、電気的表示手段を介して可視化され得る。
各別個の検出器から得られたアナログ信号は、デジタル
形態への変換のためにアナログ/デジタル(A/D)変
換器に伝達される。アナログ信号は、当該分野で公知の
技術を用いて、変換前に予め増幅され得る。次いでA/
D変換器からのデジタル情報は、分析物に関して特異的
なシステムアルゴリズムを用いて分析物濃度を計算する
ために、マイクロプロセッサに容易に入力される。マイ
クロプロセッサは、検出された信号に対してケモメトリ
ックスアルゴリズムを適用することにより、分析物濃度
を計算する。分析物特異的なアルゴリズムは、反復較正
および統計学的モデリング技術(例えば、上記のケモメ
トリックス的方法)を用いて決定され得る。
は、通過波長と分析物の濃度の強化された関係を与える
能力のある吸収特性を有する少なくとも1つの分離フィ
ルター要素を含むように構成され得る。特に、フィルタ
ー手段は、測定された通過波長の強度を、例えば、ケモ
メトリックス技術を用いて導出される独立した重み係数
セットによって弱める1つ以上のフィルター要素を含み
得る。そのような重み係数は、分析物を含むサンプルか
ら得られる元のスペクトルの部分最小二乗法または主成
分回帰を用いて、導出され得る。
58は、二段フィルターを含む。第一段は、サンプルか
ら反射される弱められた放射光から選択された波長範囲
の群を選択的に通過するよう構成される複数の部品を含
む。選択的通過波長は、分析物−特定情報、バックグラ
ウンドの測定についての情報、および装置変更または界
面の影響を修正するのに用いられ得る情報を含む。フィ
ルターの第2段は、第1段に直接隣接して配置され、そ
して第1段から現われる各々の通過波長の強度を弱める
ように働く。2段フィルター手段の第2段は、フィルタ
ーの第1段から現われる各通過波長の強度を等しく弱め
るに十分な単調な吸収スペクトルを有するニュートラル
フィルターであり得る。
る目的の1つ以上の分析物(例えば、複雑なスペクトル
バックグラウンドを有する水性媒体中)の濃度を確かめ
るのに使用され得る。特に、該装置は、血液分析物濃
度、特に有機血液分析物(例えば、限定はしないが、グ
ルコース、尿素(BUN)、脂質、ビリルビンおよびア
ルコール)の測定に使用され得る。上記のように、血液
分析物濃度の分析は、インビトロ試料を用いて行われ
得、あるいは、分析は、組織の近赤外走査(例えば、前
腕組織走査から得られる反射測定)を用いて実行され得
る。
定を得るのに使用される場合、供給源52から、試料界
面光学手段54を経て放射される入射光は、組織の皮膚
表面上(例えば、被検者の前腕)に衝突するようにされ
る。試料界面光学手段は、放射光を、それが、表面近く
の組織物質によって吸収され、拡散放射光として反射さ
れるように、組織に向かう角度で向ける。入射光は、血
液および組織構成要素によって、赤外吸収の結果とし
て、スペクトル的に修飾される。入射近赤外放射光の一
部は、組織供給源内に存在する血液構成成分から吸収、
分散、拡散および反射される。このスペクトル的に修飾
された放射光は、各々の光学活性な血液構成成分に特定
の情報を含む。
決定では、血液グルコース分子の振動運動が拡散反射近
赤外放射光を用いて検出され得、そして測定され得る。
振動運動は、グルコース分子の回転および移動の両方の
運動を含み、倍音振動および結合振動を含む。これらの
運動のうち、倍音振動は属音であり、約1670〜16
90nmの範囲で起こる。グルコース結合振動バンド
は、約2120〜2280nmの範囲で起こる。グルコ
ースは、約1320〜1340nmの近赤外範囲に重要
な光学活性を有さない。
有するフィルター手段58を含み得る。ここで第1の部
品は、約1300〜1360nmの範囲中の波長の範囲
から、反射光を通過するように配置され、第2の部品
は、約1430〜1450nmまたは約1930〜19
50nmのどちらかの範囲中の波長領域から、反射光を
通過するように配置され、第3の部品は、約1670〜
1690nmの範囲中の波長領域から、反射光を通過す
るように配置され、そして第4の部品は、約2120〜
2280nmの範囲中の波長領域から、反射光を通過す
るように配置される。
通過する波長の強度は、分析物−特定情報を含む。上記
のように、第3および第4のフィルター部品は、組織試
料中に存在するグルコースの濃度と通過放射光の関係を
強化する重み係数を含むよう配置され得る。フィルター
の第1の部品から得られる情報は、各々の測定でのバッ
クグラウンドのスペクトル寄与を評価するために使用さ
れ得、そしてそのように、第3および第4のフィルター
部品から得られる測定を修正または標準化するために使
用され得る。第2のフィルター部品から得られるシグナ
ル(水の吸収情報)は、例えば、組織試料の適した装置
使用走査を得ることの失敗から生じる、効果のない測定
を識別するために、内部チェックとして使用され得る
か、または、該情報は、第3および第4のフィルター部
品から得られる測定での温度変化を修正するために、使
用され得る。
関して、記載されているけれども、以上の記載および以
下の実施例は、例証することを意図しており、本発明の
範囲を制限しないことが理解されるべきである。本発明
の範囲内の他の局面、利益および変形が、本発明が関与
する当業者に明白である。
用いて得られた。特に、約1100nm〜3500nm
の近赤外領域での反射光学測定が実行された。タングス
テン−水銀(W−Hg)放射光供給源、硫化鉛(Pb
S)検出器、および走査速度nm/0.4秒を有する装
置を用いるスペクトル走査が、ボランティアの被験者の
前腕から集められた。
走査からのグルコース濃度を決定するのに使用され得る
情報を含むものとして同定された。インビトロ血液グル
コース濃度測定を侵襲的に得られるのと並行して、特定
の領域がインビボグルコース耐性研究から決定された。
特に、インビボ耐性研究の間に採取された時間依存走査
を図3で記述した。図3に見られるように、約2120
〜2180nmの範囲にわたる反射強度差における著し
い変化が、研究の時間経過の間に記録された。これらの
変化は、耐性試験の間の血液グルコースレベルの増加と
直線関係で増加し、2120〜2180nmの範囲がグ
ルコース特異的スペクトルの情報を含むことを示す。
と、4つの別個のスペクトル範囲からの情報を用いて、
非侵襲性グルコース測定が得られる。第1のスペクトル
範囲は、約1320〜1340nmで起こる放射光を含
む。この範囲は、非常に高度に反射されたシグナルを与
え、そしてこの範囲内に、主なグルコース吸収バンドは
無い。第1のスペクトル範囲から得られる情報は、放射
光供給源および機械的な振動による変動を修正するため
に、各々の個々の走査を標準化するのに使用され得る。
460nm、または約1940〜1960nmのどちら
かで起こる放射光を含んだ。これらの範囲は、拡散反射
光を弱める水バンドの高吸収に起因する、実質的に非反
射のシグナルを与える。これらの範囲から得られる情報
は、他の測定からのバックグラウンドおよびベースライ
ンの差し引きに使用され得る。これらの測定は、鏡面反
射シグナル値によって引き起こされる変動を考慮するた
めの基礎的調整を可能にする。
で起こる放射光を含んだ。この範囲は、グルコース振動
倍音バンドの存在に起因する分析物−特定情報を与え
る。
で起こる放射光を含んだ。この範囲は、グルコース結合
振動バンドに起因する分析物特異的情報を与える。
領域のシグナルを標準化するのに、使用された。この方
法は、各々のスペクトル走査で繰り返される際、光供給
源変更に関連する問題を除去し、そして、内部参照を与
えるのに役立つ。従って、光学界面(例えば、被検体の
配置)の違いによって引き起こされる測定変動は、実質
的に低減される。
の分析物特異的範囲で得られたシグナルから第2の範囲
で得られたシグナルを差し引きすることによって、除去
された。この様式では、皮膚組織および年齢で変わる鏡
面反射によって引き起こされる基礎的効果が修正され
た。
た第3および第4の範囲からのシグナルは、分析ケモメ
トリックス分析に適用された。図4は、第2および第3
の範囲中のシグナル間の標準化された相違を記述する。
ように、血液グルコースレベルの増加は、2つの範囲間
のシグナル差の増加をもたらす。
リックスを有し、そしてさらに実質的な成分干渉をおそ
らく有するサンプル中に存在する分析物の濃度を決定す
る方法および分光光度装置を提供する。
れる: (1) サンプル中の分析物濃度を決定する方法であっ
て、以下の工程: (a)近赤外および中赤外スペクトルの範囲内の、複数
の、異なる、非重複の波長領域を決定する工程であっ
て、ここで、該波長領域が該分析物濃度と高い相関性を
有し、そして各々の該領域が、スペクトル分析領域に対
応する、工程; (b)該選択されたスペクトル領域を含む赤外光を用い
て該サンプルを照射し、各スペクトル分析範囲におけ
る、スペクトルが改変された放射光を得る工程; (c)該スペクトルが改変された放射光を光学的にろ過
し、各範囲由来の放射光の一部を単離または強調する工
程; (d)該光学的にろ過された放射光の強度を、検出器手
段を用いて集めそして測定する工程;および (e)該光学的にろ過された放射光に、数学的モデルを
適用することにより、該分析物濃度を示唆する値を得る
工程、を包含する、方法。 (2) 前記スペクトルが改変された放射光を光学的に
ろ過する工程が、各スペクトル範囲由来の別々の波長を
選択的に通し得る吸収特性を有する光学フィルター手段
に、該放射光を通す工程を包含し、ここで、該別々の波
長が、前記分析物濃度と特異的に相関する、項(1)に
記載の方法。 (3) 前記光学フィルター手段の前記吸収特性が、ケ
モメトリックス技術を用いて得られる、項(2)に記載
の方法。 (4) 前記検出器手段が、複数の検出器を含む、項
(1)に記載の方法。 (5) 前記検出器が、セレン化鉛検出器を含む、項
(4)に記載の方法。 (6) 前記サンプルが生体組織を含み、そして前記分
析物が血中有機分析物を含む、項(1)に記載の方法。 (7) 前記血中分析物が、グルコース、尿素(BU
N)、脂質、ビリルビン、およびエチルアルコールから
なる群から選択される、項(6)に記載の方法。 (8) 前記血中分析物がグルコースである、項(7)
に記載の装置。 (9) サンプル中の分析物濃度を決定する方法であっ
て、以下の工程: (a)近赤外および中赤外スペクトルの範囲内の、複数
の、異なる、非重複の波長領域を決定する工程であっ
て、ここで、該波長領域が該分析物濃度と高い相関性を
有し、そして各々の領域が、スペクトル分析範囲に対応
する、工程; (b)工程(a)において決定されたスペクトル分析範
囲を含む近赤外光を用いて該サンプルを照射する工程で
あって、ここで、該照射が、該サンプルから出現するス
ペクトルが減衰された放射光と、該サンプルから出現す
るスペクトルが減衰されない放射光との両方を与え、該
スペクトルが減衰された放射光がスペクトル分析範囲の
各々において波長を有する、工程; (c)該スペクトルが減衰された放射光を集める工程; (d)該集められたスペクトルが減衰された放射光の強
度を、各々の該スペクトル分析範囲中の予め決定された
波長にて測定する工程;および (e)工程(d)にて得られる該強度の測定を相関させ
て、該分析物濃度を示唆する値を得る工程、を包含す
る、方法。 (10) 前記近赤外光が、約1100〜1350nm
の範囲の波長の第1スペクトル分析領域、約1550〜
1850nmの範囲の波長の第2スペクトル分析領域、
および約2000〜3500nmの範囲の波長の第3ス
ペクトル分析領域を含む、項(9)に記載の方法。 (11) 前記サンプルから出現する前記スペクトルが
減衰されない放射光の前記強度を集めそして測定する工
程をさらに包含し、ここで、該減衰されない放射光が、
前記第1スペクトル分析領域由来でありかつ約1320
〜1340nmの範囲の波長を含む、項(10)に記載
の方法。 (12) 前記減衰されない放射光の測定において得ら
れる値を使用して、工程(b)において使用された前記
近赤外光の強度を見積もる、項(11)に記載の方法。
(13) 前記スペクトルが減衰された放射光が、高度
に減衰された放射光を含む、項(10)に記載の方法。 (14) 前記サンプルから出現する、前記高度に減衰
された放射光の前記強度を集めそして測定する工程をさ
らに包含し、ここで、該高度に減衰された放射光が、水
の放射線吸収のスペクトルにおけるピークに対応する波
長のバンドから選択される、項(10)に記載の方法。 (15) 前記高度に減衰された放射光の測定において
得られた値を使用して、前記照射されたサンプルによっ
て吸収されない近赤外光の強度を推定する、項(14)
に記載の方法。 (16) 前記選択されたバンドの波長が、約1430
〜1450nmの範囲である、項(15)に記載の方
法。 (17) 前記選択されたバンドの波長が、約1930
〜1950nmの範囲である、項(15)に記載の方
法。 (18) サンプル中の分析物濃度を決定するための装
置であって、以下: (a)該サンプルを入射光で照射するための手段であっ
て、該入射光が、近赤外および中赤外スペクトル領域内
の、複数の、異なる、非重複の波長領域を含む、手段; (b)該サンプルから出現する反射光を集め、そして該
反射光をビーム経路に向けるための手段; (c)該ビーム経路に配置される調整可能なフィルター
手段であって、ここで、該調整可能なフィルター手段
が、該ビーム経路における放射光の強度を減衰する、手
段; (d)該調整可能なフィルター手段から出現する、減衰
された放射光を受容し得、そしてそこから別々の波長を
選択的に通過し得る、主要分析物フィルター手段であっ
て、ここで、該別々の波長が、該分析物濃度と特異的に
相関する、手段; (e)該主要分析物フィルター手段から出現する該別々
の波長を受容し得、そして該波長の強度を減衰し得る、
第2フィルター手段; (f)該第2フィルター手段から出現する減衰された波
長を受容するための検出手段;および (g)該検出波長を、該波長の強度を表示するシグナル
に変換するための手段、を備える、装置。 (19) 前記調整可能なフィルター手段が、ニュート
ラルフィルターを備える、項(18)に記載の装置。 (20) 前記第2フィルター手段が、ニュートラルフ
ィルターを備える、項(18)に記載の装置。 (21) 前記第2フィルター手段により生じる前記減
衰が、重み係数を用いて確立される、項(20)に記載
の装置。 (22) 前記重み係数がケモメトリック技術を用いて
得られる、項(21)に記載の装置。 (23) 前記重み係数が、前記分析物の吸収スペクト
ルの回転主成分分析を用いて得られる、項(22)に記
載の装置。 (24) 前記検出器手段が、セレン化鉛検出器を含
む、項(18)に記載の装置。 (25) 前記入射光が、約1100nm〜5000n
mの範囲である、項(18)に記載の装置。 (26) サンプル中の分析物濃度を決定するための装
置であって、以下: (a)該サンプルを入射光で照射するための手段であっ
て、該入射光が、近赤外および中赤外スペクトル領域内
の、複数の、異なる、非重複の波長領域を含む、手段; (b)該サンプルから出現する反射光を集め、そして該
反射光をビーム経路に向けるための手段; (c)該ビーム経路に配置されるフィルター手段であっ
て、該フィルター手段が、該サンプルから出現する反射
光由来の少なくとも1つの波長を選択的に通過するよう
に設計された複数のセクションを備える、手段; (d)前記フィルター手段から出現する各波長が別々の
検出器によって検出されるように配置された複数の検出
器;および (e)該検出波長を、該波長の強度を表示するシグナル
に変換するための手段、を備える、装置。 (27) 前記フィルター手段が2ステージフィルター
を備え、該2ステージフィルターは、前記サンプルから
出現する前記反射光由来の少なくとも1つの波長を選択
的に通すように設計された複数のセクションを備える第
1ステージと、該第1ステージに隣接するように配置さ
れかつ該フィルター手段の該第1ステージから出現する
それぞれ選択的に通過した波長の強度を減衰し得る第2
ステージとを有する、項(26)に記載の装置。 (28) 前記2ステージフィルター手段の前記第2ス
テージが、ニュートラルフィルターである、項(27)
に記載の装置。 (29) 前記フィルター手段が、複数の別々のフィル
ター要素を含む、項(26)に記載の装置。 (30) 少なくとも1つの別々のフィルター要素が、
通過した波長と前記分析物濃度との増強された相関を与
えるために選択された吸収特性を有する、項(29)に
記載の装置。 (31) 前記吸収特性が、ケモメトリック技術を用い
て得られる、重み係数を用いて提供される、項(30)
に記載の装置。 (32) 前記重み係数が、前記分析物の吸収スペクト
ルの回転主成分分析を用いて得られる、項(31)に記
載の装置。 (33) 前記検出器が、セレン化鉛を含む、項(2
8)に記載の装置。 (34) 前記入射光が、約1100〜3500nmの
範囲である、項(26)に記載の装置。 (35) 前記フィルター手段が、約1300〜136
0nmの範囲の波長の第1スペクトル分析領域由来の少
なくとも1つの波長を通すように設計される第1セクシ
ョンと、約1670〜1690nmの範囲の波長の第2
スペクトル分析領域由来の少なくとも1つの波長を通す
ように設計される第2セクションと、約1930〜19
50nmの範囲の波長の第3スペクトル分析領域由来の
少なくとも1つの波長を通すように設計される第3セク
ションと、約2120〜2280nmの範囲の波長の第
3スペクトル分析領域由来の少なくとも1つの波長を通
すように設計される第4セクションとを備える、項(3
4)に記載の装置。 (36) サンプル中の分析物濃度を決定するための装
置であって、以下: (a)該サンプルを入射光で照射するための手段であっ
て、該入射光が、近赤外および中赤外スペクトル範囲内
の、複数の、異なる、非重複のスペクトル領域を含む、
手段; (b)該サンプルから出現する反射光を集め、そして該
反射光をビーム経路に向けるための手段; (c)該ビーム経路に配置される回折格子手段であっ
て、ここで、該回折格子手段は、該サンプルから出現す
る放射光を反射し得、そしてそこから別々の波長を選択
的に通過し、ここで、該別々の波長が、該分析物濃度と
特異的に相関する、手段; (d)該回折格子手段から出現する該通過波長を受容す
るための線形検出器アレイ;および (g)該検出波長を、該波長の強度を表示するシグナル
に変換するための手段、を備える、装置。 (37) 前記線形検出器アレイが、セレン化鉛検出器
を含む、項(36)に記載の装置。
域および中間赤外領域の両方の波長を分析し得る検出器
の線形アレイを有する装置の概略図である。
概略図である。
取り込まれた時間依存性スキャンを例示するグラフであ
る。
度の非侵襲的決定により得られた結果からのグラフを示
す。
Claims (5)
- 【請求項1】 サンプル中の分析物濃度を決定する方法
であって、以下の工程: (a)近赤外および中赤外スペクトルの範囲内の、複数
の、異なる、非重複の波長領域を決定する工程であっ
て、ここで、該波長領域が該分析物濃度と高い相関性を
有し、そして各々の該領域が、スペクトル分析領域に対
応する、工程; (b)該選択されたスペクトル領域を含む赤外光を用い
て該サンプルを照射し、各スペクトル分析範囲におけ
る、スペクトルが改変された放射光を得る工程; (c)該スペクトルが改変された放射光を光学的にろ過
し、各範囲由来の放射光の一部を単離または強調する工
程; (d)該光学的にろ過された放射光の強度を、検出器手
段を用いて集めそして測定する工程;および (e)該光学的にろ過された放射光に、数学的モデルを
適用することにより、該分析物濃度を示唆する値を得る
工程、を包含する、方法。 - 【請求項2】 サンプル中の分析物濃度を決定する方法
であって、以下の工程: (a)近赤外および中赤外スペクトルの範囲内の、複数
の、異なる、非重複の波長領域を決定する工程であっ
て、ここで、該波長領域が該分析物濃度と高い相関性を
有し、そして各々の領域が、スペクトル分析範囲に対応
する、工程; (b)工程(a)において決定されたスペクトル分析範
囲を含む近赤外光を用いて該サンプルを照射する工程で
あって、ここで、該照射が、該サンプルから出現するス
ペクトルが減衰された放射光と、該サンプルから出現す
るスペクトルが減衰されない放射光との両方を与え、該
スペクトルが減衰された放射光がスペクトル分析範囲の
各々において波長を有する、工程; (c)該スペクトルが減衰された放射光を集める工程; (d)該集められたスペクトルが減衰された放射光の強
度を、各々の該スペクトル分析範囲中の予め決定された
波長にて測定する工程;および (e)工程(d)にて得られる該強度の測定を相関させ
て、該分析物濃度を示唆する値を得る工程、を包含す
る、方法。 - 【請求項3】 サンプル中の分析物濃度を決定するため
の装置であって、以下: (a)該サンプルを入射光で照射するための手段であっ
て、該入射光が、近赤外および中赤外スペクトル領域内
の、複数の、異なる、非重複の波長領域を含む、手段; (b)該サンプルから出現する反射光を集め、そして該
反射光をビーム経路に向けるための手段; (c)該ビーム経路に配置される調整可能なフィルター
手段であって、ここで、該調整可能なフィルター手段
が、該ビーム経路における放射光の強度を減衰する、手
段; (d)該調整可能なフィルター手段から出現する、減衰
された放射光を受容し得、そしてそこから別々の波長を
選択的に通過し得る、主要分析物フィルター手段であっ
て、ここで、該別々の波長が、該分析物濃度と特異的に
相関する、手段; (e)該主要分析物フィルター手段から出現する該別々
の波長を受容し得、そして該波長の強度を減衰し得る、
第2フィルター手段; (f)該第2フィルター手段から出現する減衰された波
長を受容するための検出手段;および (g)該検出波長を、該波長の強度を表示するシグナル
に変換するための手段、を備える、装置。 - 【請求項4】 サンプル中の分析物濃度を決定するため
の装置であって、以下: (a)該サンプルを入射光で照射するための手段であっ
て、該入射光が、近赤外および中赤外スペクトル領域内
の、複数の、異なる、非重複の波長領域を含む、手段; (b)該サンプルから出現する反射光を集め、そして該
反射光をビーム経路に向けるための手段; (c)該ビーム経路に配置されるフィルター手段であっ
て、該フィルター手段が、該サンプルから出現する反射
光由来の少なくとも1つの波長を選択的に通過するよう
に設計された複数のセクションを備える、手段; (d)前記フィルター手段から出現する各波長が別々の
検出器によって検出されるように配置された複数の検出
器;および (e)該検出波長を、該波長の強度を表示するシグナル
に変換するための手段、を備える、装置。 - 【請求項5】 サンプル中の分析物濃度を決定するため
の装置であって、以下: (a)該サンプルを入射光で照射するための手段であっ
て、該入射光が、近赤外および中赤外スペクトル範囲内
の、複数の、異なる、非重複のスペクトル領域を含む、
手段; (b)該サンプルから出現する反射光を集め、そして該
反射光をビーム経路に向けるための手段; (c)該ビーム経路に配置される回折格子手段であっ
て、ここで、該回折格子手段は、該サンプルから出現す
る放射光を反射し得、そしてそこから別々の波長を選択
的に通過し、ここで、該別々の波長が、該分析物濃度と
特異的に相関する、手段; (d)該回折格子手段から出現する該通過波長を受容す
るための線形検出器アレイ;および (g)該検出波長を、該波長の強度を表示するシグナル
に変換するための手段、を備える、装置。
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