JP2005147896A - Method and apparatus for measuring concentration of mixed solution component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線の吸収を利用して混合溶液中の各成分の濃度を測定する濃度測定方法および濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a concentration measuring method and a concentration measuring apparatus for measuring the concentration of each component in a mixed solution using infrared absorption.
従来、血液を採取せずに非侵襲的に血糖値を測定する方法として、赤外光を患者の耳たぶや手指などの被測定部位に照射して、透過した赤外光を検出することによりグルコースによる赤外光の吸収を測定し、その結果から血糖値を推定する方法がある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a method of non-invasively measuring blood glucose levels without collecting blood, glucose is irradiated by irradiating a measurement site such as a patient's earlobe or finger and detecting the transmitted infrared light. There is a method of measuring the absorption of infrared light by, and estimating the blood glucose level from the result (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、測定された赤外光の吸収度合いに基づいて血液中に含まれる複数の成分から一成分の濃度を決定する方法については、様々な手法が提案されているが、いずれも正確さの点でまだ不十分な状況にある。さらに、複数の成分を含む混合溶液から各成分の濃度を決定する解析方法については、確かな方法が得られていない。 However, various methods have been proposed for determining the concentration of one component from a plurality of components contained in blood based on the measured degree of absorption of infrared light. However, the situation is still insufficient. Furthermore, no reliable method has been obtained for an analysis method for determining the concentration of each component from a mixed solution containing a plurality of components.
請求項1の発明は、複数の生体成分を測定対象物質として含む混合溶液に赤外光を照射して、フーリエ変換赤外分光法により吸光度を検出して混合溶液に含まれる複数の測定対象物質の濃度を決定する濃度測定方法であって、赤外光を混合溶液に照射して、混合溶液を透過した波長7.5μmから波長10μmまでの測定波長領域の透過赤外光を検出して吸光度スペクトルを取得する第1の工程と、波長8.4μmから波長8.5μmまでの波長を含む所定波長領域内の吸光度がゼロとなるように前記吸光度スペクトルを補正する第2の工程と、測定波長領域に測定対象物質の成分数と同数の分割波長領域を設定し、補正された吸光度スペクトルと吸光度=0のラインとの間の吸光度面積値を各分割波長領域毎にそれぞれ算出する第3の工程と、測定対象物質の濃度と吸光度との相関関係を各測定対象物質毎に設定する第4の工程と、吸光度面積値と各測定対象物質毎に設定された相関関係とに基づいて混合溶液中における測定対象物質の濃度を算出する第5の工程とを有することを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の濃度測定方法において、検出された吸光度を混合溶液の温度に応じて補正するようにしたものである。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載の濃度測定方法において、測定対象物質は生体中の血液成分であって、吸光度スペクトルに代えて、測定部位の血流量を変化させることにより得られる変化前後の吸光度スペクトルの差分を用いることを特徴とする濃度測定方法。
請求項4の発明は、複数の生体成分を測定対象物質として含む混合溶液に赤外光を照射して、透過赤外光量を検出して混合溶液に含まれる複数の測定対象物質の濃度を決定する濃度測定方法であって、波長7.5μmから波長10μmまでの測定波長領域に測定対象物質の成分数と同数の分割波長領域を設定する第1の工程と、測定対象物質に関する透過赤外光量と吸光度との相関関係を、各測定対象物質毎に、かつ、各分割波長領域毎に設定する第2の工程と、各分割波長領域における混合溶液の透過赤外光量をそれぞれ取得し、混合溶液に照射された赤外光の入射赤外光量と透過赤外光量との比に基づき各分割波長領域における混合溶液の吸光度を算出する第3の工程と、混合溶液の吸光度と相関関係とに基づいて混合溶液中における測定対象物質の濃度を算出する第4の工程とを有することを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項4に記載の濃度測定方法において、検出された透過赤外光量を混合溶液の温度に応じて補正するようにしたものである。
請求項6の発明は、請求項4または5に記載の濃度測定方法において、測定対象物質は生体中の血液成分であって、透過赤外光量に代えて、測定部位の血流量を変化させることにより得られる変化前後の透過赤外光量の差分を用いることを特徴とする濃度測定方法。
請求項7の発明は、請求項4〜6のいずれかに記載の濃度測定方法を用いる濃度測定装置において、各分割波長領域毎にその波長領域の赤外光を透過するフィルタを各々備え、赤外光光源と照射対象との間の光路中に、複数のフィルタのいずれか一つを選択的に配設するフィルタ切り替え機構を設けたことものである。
The invention of
According to a second aspect of the present invention, in the concentration measurement method according to the first aspect, the detected absorbance is corrected according to the temperature of the mixed solution.
The invention of
The invention according to
According to a fifth aspect of the present invention, in the concentration measurement method according to the fourth aspect of the invention, the detected transmitted infrared light amount is corrected according to the temperature of the mixed solution.
The invention according to
A seventh aspect of the present invention is the concentration measuring apparatus using the concentration measuring method according to any one of the fourth to sixth aspects, wherein each of the divided wavelength regions includes a filter that transmits infrared light in the wavelength region, A filter switching mechanism for selectively disposing any one of a plurality of filters is provided in the optical path between the external light source and the irradiation target.
本発明によれば、混合溶液中に含まれる複数の生体成分の濃度を、非侵襲的に精度良く測定することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the density | concentration of the several biological component contained in a mixed solution can be measured noninvasively accurately.
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図1はFTIR(フーリエ変換赤外分光)を用いて混合溶液試料1の成分濃度を測定する装置の概念図である。FTIR測定装置は試料1に赤外光を照射する赤外光照射部2と、試料1を透過した赤外光を検出する受光部3と、受光部3の出力信号に基づいて分析を行う分析処理部4とを備えている。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of an apparatus for measuring the component concentration of a
赤外光源20から出射された赤外光21は干渉計22に入射する。干渉計22には、例えばマイケルソン干渉計が用いられる。赤外光21は干渉計22のビームスプリッタ23により2つの赤外光24,25に分割される。ビームスプリッタ23を透過した赤外光24は干渉計22に設けられた移動鏡26で反射された後に、ビームスプリッタ23により図示右側の試料1方向に反射される。また、ビームスプリッタ23で反射された赤外光25は、固定鏡27で反射された後にビームスプリッタ23を試料1方向に透過する。
このとき、移動鏡26および固定鏡27で反射された赤外光24,25はビームスプリッタ23により合成されて、赤外光24,25の位相差に応じた干渉光(インターフェログラム)28となる。この干渉光28は測定用の赤外光として試料1に入射し、試料1を透過した赤外光29が受光部3によって検出される。受光部3からの検出信号は分析処理部4の演算部40に入力され、演算部40において後述するような成分濃度演算が行われる。分析処理部4には、演算に必要なデータや演算後のデータ等を記憶するための記憶部41、測定データや演算結果を表示するための表示部42などを備えている。
At this time, the
なお、測定対象である試料1は複数の物質を含む混合溶液であり、本実施の形態では混合溶液の主成分はグルコースや乳酸などのような生体成分であるとして説明する。そのため、赤外光の測定範囲は生体成分の測定に適した波長7.5μm〜10μmとする。
Note that the
次に、本発明による濃度測定方法について説明する。図2は、グルコース溶液の吸光度スペクトルSP1、乳酸溶液の吸光度スペクトルSP2、およびグルコースと乳酸との混合溶液の吸光度スペクトルSP3を示したものである。符号Gで示す波長8.4〜8.5μm付近においては、3つの溶液の吸光度がほぼ等しくなっており、グルコースや乳酸の濃度に依らない吸光度領域と考えることができる。 Next, the concentration measuring method according to the present invention will be described. FIG. 2 shows the absorbance spectrum SP1 of the glucose solution, the absorbance spectrum SP2 of the lactic acid solution, and the absorbance spectrum SP3 of the mixed solution of glucose and lactic acid. In the vicinity of the wavelength of 8.4 to 8.5 μm indicated by the symbol G, the absorbances of the three solutions are almost equal, and can be considered as an absorbance region that does not depend on the concentration of glucose or lactic acid.
そこで、本実施の形態では波長8.4〜8.5μm付近を参照波長とし、そのときの吸光度が0となるように得られた吸光度スペクトルの全体をシフトする。そして、補正後の吸光度スペクトルを用いて濃度分析を行う。補正後の吸光度スペクトルにおいては、グルコース溶液の吸光度スペクトルと乳酸溶液の吸光度スペクトルとの和になっていることが解った。すなわち、吸光度スペクトルに現れるピーク吸光度は溶液中の物質の濃度に比例し、例えば、濃度Cの吸光度ピーク値に対して、2倍の濃度2Cの吸光度ピーク値は同様に2倍になっている。 Therefore, in the present embodiment, the wavelength range of 8.4 to 8.5 μm is set as a reference wavelength, and the entire absorbance spectrum is shifted so that the absorbance at that time becomes zero. Then, concentration analysis is performed using the corrected absorbance spectrum. It was found that the absorbance spectrum after correction was the sum of the absorbance spectrum of the glucose solution and the absorbance spectrum of the lactic acid solution. That is, the peak absorbance appearing in the absorbance spectrum is proportional to the concentration of the substance in the solution. For example, the absorbance peak value at the concentration 2C that is twice the concentration C is twice as large as the absorbance peak value at the concentration C.
本実施の形態では、これらに基づいて次のような手順で各成分濃度の解析を行う。以下では、物質A,Bの2成分、例えばグルコースと乳酸の混合溶液の濃度を解析する場合について、図3に示す手順に従って説明する。まず、工程1に示すようにFTIR測定により図2のような吸光度スペクトルを取得する。工程2では、波長8.4〜8.5μm付近を参照波長としてその吸光度が0となるように吸光度スペクトルをシフトする。図4のスペクトル曲線Lは、シフト後の吸光度スペクトルを示したものである。
In the present embodiment, each component concentration is analyzed based on these in the following procedure. Below, the case where the density | concentration of 2 components of the substances A and B, for example, the mixed solution of glucose and lactic acid is analyzed is demonstrated according to the procedure shown in FIG. First, as shown in
工程3では、混合溶液の吸光度スペクトルに対して所定の波長領域λ1およびλ2を設定し(図4参照)、それぞれの波長領域λ1,λ2における吸光度面積値S1,S2を算出する。所定波長領域λ1,λ2は、濃度測定を対象成分に応じて予め設定され記憶部41に記憶されている。ここで、吸光度面積値とは、スペクトル曲線Lと吸光度0の直線(横軸)との間の面積値を意味する。前述したことから、これらの吸光度面積値S1,S2は、物質Aの吸光度によるものと物質Bによるものとの和になっていると考えられる。
In
上述したように吸光度ピーク値は濃度に比例して増加するので、吸光度面積値も濃度に比例して増加する。そこで、物質Aの濃度が所定値(増加濃度ΔA)だけ増加したとき、波長領域λ1における吸光度面積値の増加量をA1とし、波長領域λ2における増加量をA2とする。図5(a)は増加量A1,A2を示す図である。このとき、濃度の増加量が所定増加濃度ΔAの2倍の場合には、吸光度面積値はそれぞれ2倍の2A1,2A2となる。 As described above, since the absorbance peak value increases in proportion to the concentration, the absorbance area value also increases in proportion to the concentration. Therefore, when the concentration of the substance A increases by a predetermined value (increased concentration ΔA), the increase amount of the absorbance area value in the wavelength region λ1 is A1, and the increase amount in the wavelength region λ2 is A2. FIG. 5A is a diagram showing the increments A1 and A2. At this time, when the amount of increase in concentration is twice the predetermined increase concentration ΔA, the absorbance area values become 2A1 and 2A2, which are twice each.
同様に、物質Bに関しても、増加濃度ΔBに対して、波長領域λ1,λ2における吸光度面積値の増加量をB1,B2とする。工程4ではこれらの基準増加量A1,A2,B1,B2を設定する。なお、分析の手順を説明する便宜上、工程4において基準増加量A1,A2,B1,B2を設定するとしているが、実際上は、物質A,Bの基準サンプルを使用して基準増加量A1,A2,B1,B2を測定し、測定により得られた値を基準増加量として記憶部41に予め記憶させておく。
Similarly, regarding the substance B, the amount of increase in the absorbance area value in the wavelength regions λ1 and λ2 with respect to the increased concentration ΔB is defined as B1 and B2. In
図5(b)は物質Bの吸光度面積値の増加量B1,B2を示したものであり、当然ながらその形状(吸光スペクトル)は物質Aとは異なっている。図5(a),(b)に示す例では、物質Aによる赤外光吸収は波長領域λ2で大きく発生し、一方、物質Bによる赤外光吸収は波長領域λ1で大きく発生する。 FIG. 5B shows the increase amounts B1 and B2 of the absorbance area value of the substance B. Of course, the shape (absorption spectrum) is different from that of the substance A. In the example shown in FIGS. 5A and 5B, infrared light absorption by the substance A is greatly generated in the wavelength region λ2, while infrared light absorption by the material B is largely generated in the wavelength region λ1.
ここで、混合溶液中の物質Aの濃度がSAで、物質Bの濃度がSBであると仮定し、濃度SAが上述した増加濃度ΔAのα倍で、濃度SBが増加濃度ΔBのβ倍であったとする。すなわち、α=SA/ΔA、β=SB/ΔBであると仮定する。その場合、図4の吸光度スペクトルパターンは、図5(a)のパターンをα倍したものと、図5(b)のパターンをβ倍したものとの重ね合わせになっている。 Here, assuming that the concentration of the substance A in the mixed solution is SA and the concentration of the substance B is SB, the concentration SA is α times the increase concentration ΔA described above, and the concentration SB is β times the increase concentration ΔB. Suppose there was. That is, it is assumed that α = SA / ΔA and β = SB / ΔB. In that case, the absorbance spectrum pattern of FIG. 4 is an overlay of the pattern of FIG. 5A multiplied by α and the pattern of FIG. 5B multiplied by β.
そのため、波長領域λ1の吸光度面積値S1に関しては、次式(1)が成り立つ。
S1=α・A1+β・B1 …(1)
同様に、波長領域λ2の吸光度面積値に関しては、次式(2)が成り立つ。
S2=α・A2+β・B2 …(2)
工程5では、この連立方程式を解くことにより式(3),(4)のようにα、βを求め、このα、βを用いて次式(5),(6)により濃度SA,SBを算出する。
α=(B2・S1−B1・S2)/(A1・B2−A2・B1) …(3)
β=(A2・S1−A1・S2)/(B1・A2−B2・A1) …(4)
SA=ΔA・α …(5)
SB=ΔB・β …(6)
Therefore, the following formula (1) is established for the absorbance area value S1 of the wavelength region λ1.
S1 = α · A1 + β · B1 (1)
Similarly, the following equation (2) holds for the absorbance area value in the wavelength region λ2.
S2 = α · A2 + β · B2 (2)
In
α = (B2 · S1−B1 · S2) / (A1 · B2−A2 · B1) (3)
β = (A2, S1-A1, S2) / (B1, A2-B2, A1) (4)
SA = ΔA · α (5)
SB = ΔB · β (6)
なお、混合溶液中の成分が3成分(A,B,C)の場合には3つの波長領域をλ1,λ2,λ3を設定し、各波長領域λ1〜λ3における増加濃度ΔA,ΔB,ΔCを予め求めておく。この場合には、上述したα,βと同様に、増加濃度ΔA,ΔB,ΔCに対してα1,α2,α3が与えられ、次式(7)〜(9)から成る連立方程式が成立する。
S1=α1・A1+α2・B1+α3・C1 …(7)
S2=α1・A2+α2・B2+α3・C2 …(8)
S3=α1・A3+α2・B3+α3・C3 …(9)
When the components in the mixed solution are three components (A, B, and C), λ1, λ2, and λ3 are set for the three wavelength regions, and the increased concentrations ΔA, ΔB, and ΔC in the respective wavelength regions λ1 to λ3 are set. Find in advance. In this case, similarly to α and β described above, α1, α2 and α3 are given to the increased concentrations ΔA, ΔB and ΔC, and simultaneous equations consisting of the following equations (7) to (9) are established.
S1 = α1 · A1 + α2 · B1 + α3 · C1 (7)
S2 = α1 · A2 + α2 · B2 + α3 · C2 (8)
S3 = α1 · A3 + α2 · B3 + α3 · C3 (9)
そして、算出されたα1,α2,α3を用いて、次式(10)〜(12)により各成分A,B,Cの濃度SA,SB,SCを算出する。4成分以上の場合も同様にして各成分の濃度を算出することができる。
SA=ΔA・α1 …(10)
SB=ΔB・α2 …(11)
SC=ΔB・α3 …(12)
Then, using the calculated α1, α2, and α3, the concentrations SA, SB, and SC of the components A, B, and C are calculated by the following equations (10) to (12). In the case of four or more components, the concentration of each component can be calculated in the same manner.
SA = ΔA · α1 (10)
SB = ΔB · α2 (11)
SC = ΔB · α3 (12)
ところで、検査対象が生体内の血液である場合、ATR(全反射測定)法による測定が一般的である。ATR法では、光学部材として図6(a)に示すようなプリズムを用いる。図6(a)に示した例では、測定治具5を測定部位である手指Fに装着して赤外光測定を行う。測定治具5に設けられたプリズム51は指Fの腹部に密着するように配置されている。プリズム51は赤外線を通す高屈折率物質で形成されたプリズムである。
By the way, when the test object is blood in a living body, measurement by the ATR (total reflection measurement) method is common. In the ATR method, a prism as shown in FIG. 6A is used as an optical member. In the example shown in FIG. 6A, the
プリズム51の試料面51aに対して臨界角以上の入射角度で赤外光(干渉光)28を入射させ、プリズム51と試料(指F)との境界で全反射された赤外光を受光部3に導いて測定する。図6(b)は指Fとプリズム51の試料面51aとの境界領域を拡大して示したものである。境界領域においては、赤外光28はプリズム51の試料面を抜けて指Fのごく表面を通過した後にプリズム51内に戻る。
Infrared light (interference light) 28 is incident on the
測定治具5には、指Fの温度を測定する温度センサ52と、空気圧等により指Fに所望の押圧力を作用させるカフ53が設けられている。カフ53の押圧力を変えることにより指Fを流れる血液の血流量を変化させることができる。人の皮膚の厚さは人によってそれぞれ異なり、血液による赤外光の吸収の度合いを測定する場合には、これらの誤差要因を取り除く必要がある。
The measuring
カフ53により血流量を意図的に変化させると、その変化量に応じて赤外光の吸収される度合いも変化する。そのため、この変化量を分析することにより、皮膚の厚さ等に影響されないで血液内の成分(グルコースと乳酸)の濃度を算出することができる。この場合、血流量変化前後についての吸光度スペクトルをそれぞれ測定し、それらの差分を取ることにより上述した図4と同様のスペクトル曲線を得ることができる。そのスペクトル曲線に基づく各成分の濃度の算出方法は図1の測定の場合と同様なので、濃度算出方法の説明は省略する。
When the blood flow is intentionally changed by the
また、吸光度測定時の体温を温度センサ52で計測し、計測された体温に基づいて吸光度スペクトルを補正するようにしても良い。赤外光が吸収される度合いは測定対象の温度によって変化するので、測定された吸光度を体温によって補正処理することによって、より精度の高い濃度測定を行うことができる。この場合、温度によって吸光度がどの程度変化するかの校正曲線を予め作成しておき、この校正曲線に従って吸光度スペクトルのキャリブレーションを行えば良い。
Moreover, the body temperature at the time of measuring the absorbance may be measured by the
上述した実施の形態では、FTIRを用いた吸光度測定データに基づいて各成分の濃度を算出したが、本発明はFTIR測定以外の赤外光測定に関しても適用することができる。例えば、図7に示すように透過赤外光の光量を測定する装置を用いて、混合溶液中の各濃度を算出することができる。 In the above-described embodiment, the concentration of each component is calculated based on absorbance measurement data using FTIR, but the present invention can also be applied to infrared light measurement other than FTIR measurement. For example, each concentration in the mixed solution can be calculated using an apparatus that measures the amount of transmitted infrared light as shown in FIG.
図7において、図1と同様の部分には同一符号を付した。図1の装置と同様に赤外光源20から出射された赤外光21はビームを一部分岐する分岐素子68により2つの赤外光24,25に分割される。ここでは、分岐素子68は入射光の一部を反射し、残りを通過するように設定されている。分岐素子68で反射された赤外光25は受光部64により検出される。受光部64は赤外光の光量に比例した出力信号(出力電圧)を出力し、その出力信号は増幅器65により増幅された後に分析処理部4の演算部40に入力される。
In FIG. 7, the same parts as those in FIG. As in the apparatus of FIG. 1, the
一方、分岐素子68を通過した赤外光24は試料1に入射する。試料1を透過した赤外光29は、バンドパスフィルタ60により所定波長領域λの赤外光だけが透過される。バンドパスフィルタ60からの透過光は、ライトチョッパ67を通過して受光部61により検出される。受光部61の出力信号は増幅器62により増幅され、ロックインアンプ63に入力される。ロックインアンプ63には、受光部61に入射する赤外光をオンオフするライトチョッパ67のオン・オフ信号が参照信号fとして入力される。
On the other hand, the
ロックインアンプ63では、受光部61から増幅器62を介して入力された測定信号に含まれる各種の信号のうち、参照信号周波数と等しい成分のみが検出される。そのため、不要な信号、例えば外乱光として検出される雑音信号が除去されてS/N比の向上を図ることができ、雑音信号に埋もれた微少な信号も測定することができる。ロックインアンプ63の出力信号は測定信号として演算部40に入力される。また、試料1には熱電対などの温度センサ66が装着されており、温度センサ66の検出信号は演算部40に入力される。
The lock-in amplifier 63 detects only a component equal to the reference signal frequency among various signals included in the measurement signal input from the
《単一成分の解析方法》
まず、単一成分の濃度の算出方法について説明する。上述したFTIR測定では、吸光度の周波数スペクトルが直接に計測できたが、図7の赤外光測定装置ではバンドパスフィルタ60で規定される波長領域λにおける透過赤外光の強度が受光部61により検出される。そのため、波長領域λの赤外光に対して一種類の出力電圧が測定される。
<Single component analysis method>
First, a method for calculating the concentration of a single component will be described. In the above-described FTIR measurement, the frequency spectrum of absorbance can be directly measured. However, in the infrared light measurement apparatus of FIG. 7, the intensity of transmitted infrared light in the wavelength region λ defined by the bandpass filter 60 is measured by the
図8は出力電圧Vuを示す図であり、波長領域λの赤外光に関して出力電圧Vuが計測されることを示している。試料1に含まれる単一成分の不明濃度をNuとすると、出力電圧Vuは不明濃度Nuにおける波長領域λの赤外光の透過量に対応する電圧であり、電圧Vuを波長領域λにおける透過出力電圧と呼ぶことにする。
FIG. 8 is a diagram showing the output voltage Vu, and shows that the output voltage Vu is measured for infrared light in the wavelength region λ. When the unknown concentration of the single component contained in the
上述したように、赤外光源20の光の一部は分岐素子68により反射され、残りは分岐素子68を通過するように構成されているので、増幅器65から演算部40に入力される電圧は試料1に入射する赤外光量に対応する電圧値に対応している。したがって、これにより光源20からの出力光量の変動を補正することができる。以下では、基準となる純水サンプルを透過した際に検出される電圧をV0とし、これを入射出力電圧と呼ぶことにする。つまり、予め純水サンプル(濃度なし)試料1に入射させ、そこを透過した赤外光量を測定し、その透過赤外光量に相当する電圧値を入射出力電圧V0のデータとして記憶部41に記憶しておく。
As described above, since a part of the light from the infrared
予め、基準濃度Nkのサンプルと基準濃度NkよりもΔNだけ異なる濃度Nhのサンプルを用意して、それらのサンプルの波長領域λにおける透過出力電圧Vk,Vhを計測し、得られたデータを記憶部41(図7参照)に記憶させておく。なお、濃度Nhを変化濃度と呼ぶことにする。基準濃度Nkおよび変化濃度Nhのサンプルの吸光度Ak,Ahを、計測された入射出力電圧V0を用いて式(13)、(14)により算出する。
Ak=log(V0/Vk) …(13)
Ah=log(V0/Vh) …(14)
A sample having a reference concentration Nk and a sample having a concentration Nh different from the reference concentration Nk by ΔN are prepared in advance, and the transmission output voltages Vk and Vh in the wavelength region λ of those samples are measured, and the obtained data is stored in the storage unit 41 (see FIG. 7). The concentration Nh is referred to as a change concentration. The absorbances Ak and Ah of the samples having the reference concentration Nk and the change concentration Nh are calculated by the equations (13) and (14) using the measured incident output voltage V0.
Ak = log (V0 / Vk) (13)
Ah = log (V0 / Vh) (14)
また、波長領域λにおける試料1の濃度を不明濃度Nuとおき、この不明濃度Nuの吸光度AuもAk,Ahと同様に式(15)により算出する。
Au=log(V0/Vu) …(15)
Further, the concentration of the
Au = log (V0 / Vu) (15)
そして、ΔA=Ah−Akとして、Auは次式(16)のように表すことができる。Au,AkおよびΔAの値は測定値から算出することができるので、式(16)を解くことによりαが求まる。算出されたαを次式(17)に代入することにより不明濃度Nuが算出される。
Au=Ak+αΔA …(16)
Nu=Nk+αΔN …(17)
Then, as ΔA = Ah−Ak, Au can be expressed as the following formula (16). Since the values of Au, Ak, and ΔA can be calculated from the measured values, α can be obtained by solving equation (16). The unknown concentration Nu is calculated by substituting the calculated α into the following equation (17).
Au = Ak + αΔA (16)
Nu = Nk + αΔN (17)
なお、温度センサ66により試料1やその近傍の温度上昇を測定することにより、温度変化と透過出力電圧との関係、すなわち温度変化と受光部61の透過出力電圧との関係を検出することができる。そのため、温度センサ66の検出温度に基づいて透過出力電圧を補正することにより、濃度算出の精度向上を図ることができる。また、分岐素子68で分岐した赤外光25を受光部64で検出しているので、赤外光源20の時間的変動による出力電圧の変化をとらえることができ、補正できる。
In addition, by measuring the temperature rise of the
なお、検査対象が生体内の血液である場合には、例えば、図9(a)に示すような測定治具15を用いて測定を行えばよい。測定治具15において、115は赤外光源、116はバンドパスフィルタ、117は受光部であり、それぞれ図7の赤外光源20、バンドパスフィルタ60および受光部61に対応している。その他の構成は測定治具5と同様である。
When the test object is blood in a living body, for example, measurement may be performed using a
測定治具15を用いた赤外光測定の場合も、測定治具5を用いたFTIR測定の場合と同様に、カフ53により血流量を変えて測定を行うことにより、皮膚の厚さなどによる誤差要因を取り除くことができる。また、吸光度測定時の体温を温度センサ52で計測し、計測された体温に基づいて吸光度スペクトルを補正するようにしても良い。
In the case of infrared light measurement using the
なお、測定対象(指F)の厚さによって赤外光の吸収の度合いが変化するので、治具15は指Fを上下に挟むような構造とし、装着した状態では指Fの厚さが所定厚さとなるように挟みつける。その結果、測定対象の厚さによる測定値のばらつきを低減できる。また、このとき基準となる入射出力電圧V0に関しては、赤外光源115およびバンドパスフィルタ116の組み合わせに関して予めデータを測定しておき、そのデータを記憶部41に記憶しておいて随時使用する。
Since the degree of absorption of infrared light varies depending on the thickness of the measurement target (finger F), the
《混合成分の解析方法》
次に、試料1が3つの成分A,B,Cを混合した混合溶液である場合の解析方法の手順を、図10を参照して説明する。
[工程1]
まず、第1の工程では、成分数に対応して3つの波長領域λ1,λ2,λ3を設定する。例えば、図7のバンドバスフィルタ60として、透過波長領域λ1のバンドバスフィルタ60A1、透過波長領域λ2のバンドバスフィルタ60A2および透過波長領域λ3のバンドバスフィルタ60A3を用意する。
《Analysis method of mixed components》
Next, the procedure of the analysis method when the
[Step 1]
First, in the first step, three wavelength regions λ1, λ2, and λ3 are set corresponding to the number of components. For example, as the band-pass filter 60 in FIG. 7, a band-pass filter 60A1 in the transmission wavelength region λ1, a band-pass filter 60A2 in the transmission wavelength region λ2, and a band-pass filter 60A3 in the transmission wavelength region λ3 are prepared.
そして、波長領域λ1の透過出力電圧を測定する場合には、バンドバスフィルタ60A1を各光路に挿入して測定を行う。波長領域λ2,λ3の透過出力電圧を測定する場合も同様に行う。バンドバスフィルタ60A1〜60A3の交換方法の一例としては、バンドバスフィルタ60A1〜60A3を回転式ターレットに配設して、ターレットを回転することによりフィルタ交換を行わせる。 Then, when measuring the transmission output voltage in the wavelength region λ1, the measurement is performed by inserting the band-pass filter 60A1 into each optical path. The same applies when measuring the transmission output voltages in the wavelength regions λ2 and λ3. As an example of a method for replacing the band-pass filters 60A1 to 60A3, the band-pass filters 60A1 to 60A3 are arranged in a rotary turret, and the filter is replaced by rotating the turret.
また、図9(a)に示す生体測定用治具15において複数の成分の濃度を測定する場合にも、図9(b)に示すようなターレット118をバンドパスフィルタ116の代わりに設ける。ターレット118には3つのバンドパスフィルタ119a,119b、119cが設けられており、ターレット118を回転させて波長領域λ1〜λ3に応じたバンドパスフィルタが光路上に配設されるようにすればよい。このようにフィルタ切り替え機構としてターレット118を設けることにより、測定作業の軽減を図ることができる。
Further, when measuring the concentrations of a plurality of components in the
[工程2]
第2の工程では、各成分A,B,Cに関して、透過赤外光量と吸光度との関係を求める。ここでは、受光部61から出力される透過出力電圧は受光した透過赤外光量に比例するので、透過出力電圧と吸光度との関係を求める。まず、成分Aだけを含む基準濃度Nakのサンプル、および変化濃度Nahのサンプルを用意し、それぞれに対して波長領域λ1〜λ3における透過出力電圧Vak1,Vak2,Vak3および透過出力電圧Vah1,Vah2,Vah3を測定する。変化濃度Nahは基準濃度Nakに対してΔNaだけ異なる。得られたデータは記憶部41に記憶する。図11は透過出力電圧Vak1,Vak2,Vak3および透過出力電圧Vah1,Vah2,Vah3を示す図である。
[Step 2]
In the second step, for each component A, B, C, the relationship between the amount of transmitted infrared light and the absorbance is obtained. Here, since the transmitted output voltage output from the
また、波長領域λ1〜λ3における入射出力電圧V01,V02,V03についてもそれぞれ測定する。測定された透過出力電圧Vak1〜Vak3,Vah1〜Vah3および入射出力電圧V01〜V03を用いて、次式(18)〜(23)により吸光度Aak1〜Aak3,Aah1〜Aah3を算出し、記憶部41に記憶する。
Aak1=log(V01/Vak1) …(18)
Aak2=log(V02/Vak2) …(19)
Aak3=log(V03/Vak3) …(20)
Aah1=log(V01/Vah1) …(21)
Aah2=log(V02/Vah2) …(22)
Aah3=log(V03/Vah3) …(23)
Further, the incident output voltages V01, V02, and V03 in the wavelength regions λ1 to λ3 are also measured. Using the measured transmission output voltages Vak1 to Vak3, Vah1 to Vah3 and the incident output voltages V01 to V03, the absorbances Aak1 to Aak3 and Aah1 to Aah3 are calculated according to the following formulas (18) to (23). Remember.
Aak1 = log (V01 / Vak1) (18)
Aak2 = log (V02 / Vak2) (19)
Aak3 = log (V03 / Vak3) (20)
Aah1 = log (V01 / Vah1) (21)
Aah2 = log (V02 / Vah2) (22)
Aah3 = log (V03 / Vah3) (23)
成分Bについても同様であって、成分Bだけを含む基準濃度Nbkのサンプル、および、それに対して濃度がΔNbだけ異なる変化濃度Nbhのサンプルを用意し、それぞれに対して波長領域λ1〜λ3における透過出力電圧Vbk1,Vbk2,Vbk3および透過出力電圧Vbh1,Vbh2,Vbh3をそれぞれ測定する。得られたデータは記憶部41に記憶する。そして、次式(24)〜(29)により吸光度Abk1〜Abk3,Abh1〜Abh3を算出し、記憶部41に記憶する。
Abk1=log(V01/Vbk1) …(24)
Abk2=log(V02/Vbk2) …(25)
Abk3=log(V03/Vbk3) …(26)
Abh1=log(V01/Vbh1) …(27)
Abh2=log(V02/Vbh2) …(28)
Abh3=log(V03/Vbh3) …(29)
The same applies to the component B, and a sample having a reference concentration Nbk including only the component B and a sample having a change concentration Nbh having a concentration different from that by ΔNb are prepared. Output voltages Vbk1, Vbk2, and Vbk3 and transmitted output voltages Vbh1, Vbh2, and Vbh3 are measured, respectively. The obtained data is stored in the storage unit 41. Then, the absorbances Abk1 to Abk3 and Abh1 to Abh3 are calculated by the following equations (24) to (29) and stored in the storage unit 41.
Abk1 = log (V01 / Vbk1) (24)
Abk2 = log (V02 / Vbk2) (25)
Abk3 = log (V03 / Vbk3) (26)
Abh1 = log (V01 / Vbh1) (27)
Abh2 = log (V02 / Vbh2) (28)
Abh3 = log (V03 / Vbh3) (29)
成分Cについても、成分Cだけを含む基準濃度Nckのサンプル、および、それに対して濃度がΔNcだけことなる変化濃度Nchのサンプルを用意し、それぞれに対して波長領域λ1〜λ3における透過出力電圧Vck1,Vck2,Vck3および透過出力電圧Vch1,Vch2,Vch3をそれぞれ測定する。得られたデータは記憶部41に記憶する。そして、次式(24)〜(29)により吸光度Ack1〜Ack3,Ach1〜Ach3を算出し、記憶部41に記憶する。
Ack1=log(V01/Vck1) …(30)
Ack2=log(V02/Vck2) …(31)
Ack3=log(V03/Vck3) …(32)
Ach1=log(V01/Vch1) …(33)
Ach2=log(V02/Vch2) …(34)
Ach3=log(V03/Vch3) …(35)
For the component C, a sample having a reference concentration Nck including only the component C and a sample having a change concentration Nch having a concentration different by ΔNc are prepared, and the transmission output voltage Vck1 in the wavelength regions λ1 to λ3 is prepared for each sample. , Vck2, Vck3 and transmitted output voltages Vch1, Vch2, Vch3, respectively. The obtained data is stored in the storage unit 41. Then, the absorbances Ack1 to Ack3 and Ach1 to Ach3 are calculated by the following equations (24) to (29) and stored in the storage unit 41.
Ack1 = log (V01 / Vck1) (30)
Ack2 = log (V02 / Vck2) (31)
Ack3 = log (V03 / Vck3) (32)
Ach1 = log (V01 / Vch1) (33)
Ach2 = log (V02 / Vch2) (34)
Ach3 = log (V03 / Vch3) (35)
[工程3]
工程3では、各波長領域λ1,λ2およびλ3における試料1の透過出力電圧を測定する。上述したように透過出力電圧は受光部61に入射する透過赤外光の光量に比例するので、この測定により、各波長領域λ1,λ2,λ3における透過赤外光量が得られることになる。そして、得られた透過出力電圧に基づいて、各波長領域λ1,λ2,λ3における試料1の吸光度を算出する。
[Step 3]
In
まず、試料1に対してバンドパスフィルタ60A1,60B1を用いて透過出力電圧を測定すると、波長領域λ1における試料1の透過出力電圧Vd1が得られる。同様に、バンドパスフィルタ60A2,60B2を用いると波長領域λ2における透過出力電圧Vd2が得られ、バンドパスフィルタ60A3,60B3を用いると波長領域λ3における透過出力電圧Vd3が得られる。図12は試料1の波長領域λ1〜λ3における透過出力電圧Vd1〜Vd3を示す図である。
First, when the transmission output voltage is measured for the
透過出力電圧Vd1〜Vd3と入射出力電圧V01〜V03とから、次式(36)〜(38)により波長領域λ1〜λ3における試料1の吸光度Ad1,Ad2,Ad3を算出する。式(36)〜(38)においてV01/Vdh1等は入射赤外光量と透過赤外光量との比を表しており、
Adh1=log(V01/Vdh1) …(36)
Adh2=log(V02/Vdh2) …(37)
Adh3=log(V03/Vdh3) …(38)
From the transmission output voltages Vd1 to Vd3 and the incident output voltages V01 to V03, the absorbances Ad1, Ad2, and Ad3 of the
Adh1 = log (V01 / Vdh1) (36)
Adh2 = log (V02 / Vdh2) (37)
Adh3 = log (V03 / Vdh3) (38)
[工程4]
工程4では、算出された各吸光度に基づいて、試料1中に含まれている成分A,B,Cの各濃度、すなわち不明濃度Na,Nb,Ncを算出する。
[Step 4]
In
まず、各波長領域λ1〜λ3における試料1(混合溶液)の吸光度Ad1〜Ad3は、各a〜cによる吸光度への寄与の和であると考えることができるので、各成分A〜Cについて得られたデータを用いて次式(39)〜(41)のように表すことができる。なお、各式において、ΔAmn(ただし、m=a,b,c、n=1,2,3)は、ΔAmn=Amhn−Amknにより算出される値である。
Adh1=(Aak1+αΔAa1)+(Abk1+βΔAb1)
+(Ack1+γΔAc1) …(39)
Adh2=(Aak2+αΔAa2)+(Abk2+βΔAb2)
+(Ack2+γΔAc2) …(40)
Adh3=(Aak3+αΔAa3)+(Abk3+βΔAb3)
+(Ack3+γΔAc3) …(41)
First, the absorbances Ad1 to Ad3 of the sample 1 (mixed solution) in each wavelength region λ1 to λ3 can be considered to be the sum of contributions to the absorbance due to the respective a to c, and thus are obtained for the respective components A to C. The following data (39) to (41) can be expressed using the obtained data. In each equation, ΔAmn (where m = a, b, c, n = 1, 2, 3) is a value calculated by ΔAmn = Amhn−Amkn.
Adh1 = (Aak1 + αΔAa1) + (Abk1 + βΔAb1)
+ (Ack1 + γΔAc1) (39)
Adh2 = (Aak2 + αΔAa2) + (Abk2 + βΔAb2)
+ (Ack2 + γΔAc2) (40)
Adh3 = (Aak3 + αΔAa3) + (Abk3 + βΔAb3)
+ (Ack3 + γΔAc3) (41)
式(39)〜(41)の連立方程式を解くことにより、α、βおよびγを得ることができる。そして、算出されたα、β、γを用いることにより、各不明濃度Na〜Ncを次式(42)〜(44)により算出することができる。
ただし、ΔNa=Nah−Nak、ΔNb=Nbh−Nbk、ΔNc=Nch−Nckである。
Na=Nak+αΔNa …(42)
Nb=Nbk+βΔNb …(42)
Nc=Nck+γΔNc …(42)
Α, β, and γ can be obtained by solving the simultaneous equations of the equations (39) to (41). And each unknown density | concentration Na-Nc is computable by following Formula (42)-(44) by using computed (alpha), (beta), and (gamma).
However, ΔNa = Nah−Nak, ΔNb = Nbh−Nbk, and ΔNc = Nch−Nck.
Na = Nak + αΔNa (42)
Nb = Nbk + βΔNb (42)
Nc = Nck + γΔNc (42)
さらに、成分数が4以上の場合にも、それに対応させて波長領域の分割数を4以上とすることにより、同様の方法で各成分の不明濃度を算出することができる。なお、上述した実施の形態では透過光量を検出して濃度を測定するようにしているが、反射光量を検出して濃度を測定する場合にも本発明を適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。 Further, when the number of components is 4 or more, the unknown concentration of each component can be calculated by the same method by setting the number of divisions of the wavelength region to 4 or more correspondingly. In the embodiment described above, the density is measured by detecting the amount of transmitted light. However, the present invention can also be applied to the case where the density is measured by detecting the amount of reflected light. In addition, the present invention is not limited to the above embodiment as long as the characteristics of the present invention are not impaired.
1 試料
2 赤外光照射部
3,61,64 受光部
4 分析処理部
5,15 測定治具
20,115 赤外光源
40 演算部
41 記憶部
51 プリズム
52,66 温度センサ
53 カフ
60,116,119a,119b、119c バンドパスフィルタ
118 ターレット
λ,λ1,λ2,λ3 波長領域
DESCRIPTION OF
Claims (7)
赤外光を前記混合溶液に照射して、前記混合溶液を透過した波長7.5μmから波長10μmまでの測定波長領域の透過赤外光を検出して吸光度スペクトルを取得する第1の工程と、
波長8.4μmから波長8.5μmまでの波長を含む所定波長領域内の吸光度がゼロとなるように前記吸光度スペクトルを補正する第2の工程と、
前記測定波長領域に前記測定対象物質の成分数と同数の分割波長領域を設定し、前記補正された吸光度スペクトルと吸光度=0のラインとの間の吸光度面積値を前記各分割波長領域毎にそれぞれ算出する第3の工程と、
前記測定対象物質の濃度と吸光度との相関関係を各測定対象物質毎に設定する第4の工程と、
前記吸光度面積値と各測定対象物質毎に設定された前記相関関係とに基づいて前記混合溶液中における前記測定対象物質の濃度を算出する第5の工程とを有することを特徴とする濃度測定方法。 Irradiating a mixed solution containing a plurality of biological components as a measurement target substance with infrared light, and detecting the absorbance by Fourier transform infrared spectroscopy to determine the concentration of the plurality of measurement target substances contained in the mixed solution A concentration measuring method comprising:
A first step of irradiating the mixed solution with infrared light, detecting transmitted infrared light in a measurement wavelength region from a wavelength of 7.5 μm to a wavelength of 10 μm transmitted through the mixed solution, and acquiring an absorbance spectrum;
A second step of correcting the absorbance spectrum so that the absorbance in a predetermined wavelength region including a wavelength from a wavelength of 8.4 μm to a wavelength of 8.5 μm is zero;
The same number of divided wavelength regions as the number of components of the measurement target substance are set in the measurement wavelength region, and the absorbance area value between the corrected absorbance spectrum and the absorbance = 0 line is set for each of the divided wavelength regions. A third step of calculating;
A fourth step of setting a correlation between the concentration of the measurement target substance and the absorbance for each measurement target substance;
And a fifth step of calculating a concentration of the measurement target substance in the mixed solution based on the absorbance area value and the correlation set for each measurement target substance. .
前記検出された吸光度を前記混合溶液の温度に応じて補正することを特徴とする濃度測定方法。 The concentration measurement method according to claim 1,
A concentration measuring method, wherein the detected absorbance is corrected according to the temperature of the mixed solution.
前記測定対象物質は生体中の血液成分であって、前記吸光度スペクトルに代えて、測定部位の血流量を変化させることにより得られる変化前後の吸光度スペクトルの差分を用いることを特徴とする濃度測定方法。 The concentration measuring method according to claim 1 or 2,
The measurement target substance is a blood component in a living body, and instead of the absorbance spectrum, a difference between absorbance spectra before and after the change obtained by changing the blood flow at the measurement site is used. .
波長7.5μmから波長10μmまでの測定波長領域に前記測定対象物質の成分数と同数の分割波長領域を設定する第1の工程と、
前記測定対象物質に関する透過赤外光量と吸光度との相関関係を、各測定対象物質毎に、かつ、各分割波長領域毎に設定する第2の工程と、
前記各分割波長領域における前記混合溶液の透過赤外光量をそれぞれ取得し、前記混合溶液に照射された赤外光の入射赤外光量と前記透過赤外光量との比に基づき前記各分割波長領域における前記混合溶液の吸光度を算出する第3の工程と、
前記混合溶液の吸光度と前記相関関係とに基づいて前記混合溶液中における前記測定対象物質の濃度を算出する第4の工程とを有することを特徴とする濃度測定方法。 A concentration measurement method in which a mixed solution containing a plurality of biological components as a measurement target substance is irradiated with infrared light, a transmitted infrared light amount is detected, and the concentration of the plurality of measurement target substances contained in the mixed solution is determined. There,
A first step of setting the same number of divided wavelength regions as the number of components of the measurement target substance in a measurement wavelength region from a wavelength of 7.5 μm to a wavelength of 10 μm;
A second step of setting a correlation between the amount of transmitted infrared light and absorbance of the measurement target substance for each measurement target substance and for each divided wavelength region;
Each of the divided wavelength regions is acquired based on the ratio of the incident infrared light amount of the infrared light irradiated to the mixed solution and the transmitted infrared light amount, respectively, in each of the divided wavelength regions. A third step of calculating the absorbance of the mixed solution in
A concentration measuring method comprising: a fourth step of calculating a concentration of the measurement target substance in the mixed solution based on the absorbance of the mixed solution and the correlation.
前記検出された透過赤外光量を前記混合溶液の温度に応じて補正することを特徴とする濃度測定方法。 The concentration measurement method according to claim 4,
The concentration measuring method, wherein the detected transmitted infrared light amount is corrected according to the temperature of the mixed solution.
前記測定対象物質は生体中の血液成分であって、前記透過赤外光量に代えて、測定部位の血流量を変化させることにより得られる変化前後の透過赤外光量の差分を用いることを特徴とする濃度測定方法。 In the concentration measuring method according to claim 4 or 5,
The measurement target substance is a blood component in a living body, and instead of the transmitted infrared light amount, a difference between the transmitted infrared light amount before and after the change obtained by changing the blood flow volume at the measurement site is used. Concentration measurement method.
前記各分割波長領域毎にその波長領域の赤外光を透過するフィルタを各々備え、赤外光光源と照射対象との間の光路中に、前記複数のフィルタのいずれか一つを選択的に配設するフィルタ切り替え機構を設けたことを特徴とする濃度測定装置。 In the density | concentration measuring apparatus using the density | concentration measuring method in any one of Claims 4-6,
Each of the divided wavelength regions includes a filter that transmits infrared light in the wavelength region, and selectively selects one of the plurality of filters in the optical path between the infrared light source and the irradiation target. A concentration measuring apparatus comprising a filter switching mechanism to be disposed.
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