JP2014032146A - 濃度測定装置及び濃度測定装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】濃度測定装置1において、光源10により、被検体S中の水に係る吸光度が実質的に無視できる程度になる波長域の測定光が被検体Sに照射される。被検体Sを透過した透過光は受光部50で受光される。旋光度算出部120は、受光部50からの出力信号を用いて被検体Sの旋光度を算出し、吸光度算出部130は、受光部からの出力信号を用いて被検体Sの吸光度を算出する。そして、濃度算出部140が、グルコース単体の水溶液に係るグルコース測定データ630と、タンパク質単体の水溶液に係るタンパク質測定データ640と、旋光度算出部120により算出された旋光度と、吸光度算出部130により算出された吸光度とを用いて、グルコースの濃度を算出する。
【選択図】図1
Description
1−1.構成
図1は、第1実施形態における濃度測定装置1の機能構成の一例を示すブロック図である。濃度測定装置1は、主要な構成として、第1光学装置3Aと、制御部100と、操作部200と、表示部300と、音出力部400と、通信部500と、記憶部600とを有して構成される。
なお、本実施形態では、分岐部20で分岐された光がミラー70によって第2受光部80に導光されることとして図示・説明するが、これに代えて、分岐部20で分岐された光を光ファイバーなどの導光器を用いて第2受光部80に導光するように光経路を構成してもよい。
1−2−1.グルコース濃度の測定原理
図2(1)は、水とグルコース水溶液の吸光スペクトルを測定する実験を行った実験結果の一例を示す図である。図2(1)において、横軸は測定光の波長(単位はnm(ナノメートル))であり、縦軸は吸収係数(単位はmm-1)である。ここでは、グルコース水溶液として、1dl(デシリットル)当たり9.4g(グラム)のグルコースを水に溶かしたグルコース水溶液の吸収係数の波長依存性を示している。
本実施形態では、グルコース濃度の算出を、グルコース単体の水溶液に係るグルコース測定データ(第1測定データ)と、タンパク質単体の水溶液に係るタンパク質測定データ(第2測定データ)と、旋光度算出部120により算出された旋光度と、吸光度算出部130により算出された吸光度とを用いて、所定の多変量解析を行うことで実現する。
図4は、測定光の波長の説明図である。
本願発明者は、400nm〜2000nmの波長域に属する波長を総当たりで組み合わせて、旋光吸光方式でグルコース濃度を測定する実験を行った。そして、算出されたグルコース濃度の誤差(定量誤差)が一定レベル以下となった組み合わせ中の波長の度数(頻度)をヒストグラム化した。例えば、400nm、410nm、700nmの3つの波長の組み合わせを用いて測定したグルコース濃度の誤差が一定レベル以下であった場合、400nm、410nm、700nmの3つの波長それぞれの度数を1加える。このようにして、ヒストグラムを作成した。
被検体Sを透過した透過光の光量を「Ea 2」とし、直交分離部40に対する直線偏光の入射角を「θ0」とし、被検体Sによる旋光度(旋光角)を「θ」とする。このとき、P偏光の電界成分及びS偏光の電界成分は、それぞれ「Ea×cos(θ+θ0)」及び「Ea×sin(θ+θ0)」で表される。従って、P偏光電圧及びS偏光電圧は、それぞれ「Ea 2×cos2(θ+θ0)」及び「Ea 2×sin2(θ+θ0)」で表される。
本実施形態では、旋光度及び吸光度が正しく算出されるように光学装置を校正する。
旋光度「θ」の算出には「C1」及び「θ0」の2つのパラメーター値が必要である。「C1」は、第1増幅率「G1」の設計値と第2増幅率「G2」の設計値とを用いて算出することが可能である。また、「θ0」は、機械的に所定の角度に設定しておく。しかしながら、ごく微小な角度で表される旋光度を算出するに当たっては、上記のパラメーター値が、旋光度の算出が正しく行われるかどうかを左右する。
図5は、制御部100が、記憶部600に記憶されている濃度測定プログラム610に従って実行する濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
濃度測定装置1において、光源10により、被検体S中の水に係る吸光度が実質的に無視できる程度になる波長域の測定光が被検体Sに照射される。被検体Sを透過した透過光は受光部50で受光される。旋光度算出部120は、受光部50からの出力信号を用いて被検体Sの旋光度を算出し、吸光度算出部130は、受光部からの出力信号を用いて被検体Sの吸光度を算出する。そして、濃度算出部140が、グルコース単体の水溶液に係るグルコース測定データ630と、タンパク質単体の水溶液に係るタンパク質測定データ640と、旋光度算出部120により算出された旋光度と、吸光度算出部130により算出された吸光度とを用いて、グルコースの濃度を算出する。被検体S中の水に係る吸光度が実質的に無視できる程度になる波長域の測定光を用いて測定を行うことで、水による吸光の影響を排斥し、被検体S中の特定成分の濃度を正しく算出することが可能となる。
図6は、第2実施形態における第2光学装置3Bの構成の一例を示す図である。第2実施形態における第2光学装置3Bでは、ミラー70と第2受光部80との間に参照体Rが配置されている。この場合、第2受光部80は、被検体Sに照射される光源からの照射光の一部を参照体を介して受光する参照光受光部として機能する。
本発明を適用可能な実施例は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。以下、変形例について説明する。
上記の実施形態で説明した濃度測定装置は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込んで利用することが可能である。
上記の実施形態では、第1成分をグルコースとし、第2成分をタンパク質として説明したが、これらは一実施例として記載したものに過ぎない。旋光性及び吸光性を有する成分であれば、任意の成分を第1成分及び第2成分として、上記の実施形態と同様の手順で第1成分の濃度を測定することが可能である。
上記の実施形態では、多変量解析として、吸光度及び旋光度に係る連立方程式を利用した解析方法を一例として例示したが、多変量解析はこれに限定されるわけではない。主成分分析やPLS(Partial Least Squares)法などの多変量解析を適用して、上記の実施形態の原理に倣って、被検体中の特定成分の濃度を測定することが可能である。
上記の実施形態では、グルコース濃度の測定に用いる測定光の波長域を400nm〜1300nm近傍の波長域として説明したが、これ以外の波長域から測定光の波長を選定することも可能である。例えば、図4(1)の吸光ヒストグラムによれば、1440nm近傍や1786nm近傍といった波長域においても、グルコース濃度の定量誤差が小さくなることが示されている。そこで、これらの波長域を吸光度誤差低減波長域とし、この波長域の中から吸光度用測定光波長を選定するようにしてもよい。
上記の実施形態では、光源の波長が離散的な場合を想定し、予め選定した波長の測定光を光源10に生成させて被検体Sに照射することとして説明した。しかし、光源が連続的に波長を変更できる場合には、波長掃引(波長スイープ)を行って旋光及び吸光の全てのスペクトルデータを記憶部600に記憶し、その中から、必要な波長のデータを読み出して濃度算出に利用することも可能である。
上記の実施形態では、増幅部60及び第2増幅部90から出力される出力電圧の瞬時値を用いて旋光度及び吸光度を算出したが、これに代えて、所定時間分の出力電圧の平均値を用いて旋光度及び吸光度を算出することとしてもよい。また、出力電圧の瞬時値を用いて旋光度及び吸光度を算出するステップを繰り返して所定時間分又は所定数の旋光度及び吸光度を算出し、これらを平均処理して旋光度及び吸光度を算出することとしてもよい。
上記の実施形態では、偏光部30が、例えばグラントムソンプリズムを有して構成されるものとして説明したが、これ以外の偏光用光学素子を有する構成としてもよいことは勿論である。例えば、同じグランタイプの偏光用光学素子であるグランテーラープリズムを有する構成としてもよい。
Claims (7)
- 水と、旋光性及び吸光性を有する第1成分及び第2成分とを含有する被検体の前記第1成分の濃度を測定する濃度測定装置であって、
前記被検体中の水に係る吸光度が実質的に無視できる程度になる波長域の測定光を前記被検体に照射する照射部と、
前記被検体を透過した透過光を受光する受光部と、
前記受光部からの出力信号を用いて前記被検体の旋光度を算出する旋光度算出部と、
前記受光部からの出力信号を用いて前記被検体の吸光度を算出する吸光度算出部と、
前記第1成分単体の水溶液に係る第1測定データと、前記第2成分単体の水溶液に係る第2測定データと、前記旋光度算出部により算出された旋光度と、前記吸光度算出部により算出された吸光度とを用いて、前記第1成分の濃度を算出する濃度算出部と、
を備えた濃度測定装置。 - 前記被検体は生体であり、
前記第1成分はグルコースであり、
前記第2成分はタンパク質であり、
前記照射部は、400nm〜1300nm近傍を前記波長域とする、
請求項1に記載の濃度測定装置。 - 前記照射部は、400nm〜800nmの波長域の旋光度用測定光を照射し、
前記旋光度算出部は、前記旋光度用測定光が照射された際の前記受光部からの出力信号を用いて旋光度を算出する、
請求項2に記載の濃度測定装置。 - 前記照射部は、400nm〜900nm、1100nm近傍、1190nm近傍、1300nm近傍の何れかの波長域の吸光度用測定光を照射し、
前記吸光度算出部は、前記吸光度用測定光が照射された際の前記受光部からの出力信号を用いて吸光度を算出する、
請求項2又は3に記載の濃度測定装置。 - 前記照射部は、前記波長域中で波長を変えて前記測定光を照射し、
前記旋光度算出部は、複数の波長に対する前記旋光度を算出し、
前記吸光度算出部は、複数の波長に対する前記吸光度を算出し、
前記濃度算出部は、前記第1の測定データ及び前記第2の測定データを参照して、前記旋光度算出部により算出された複数の旋光度、及び、前記吸光度算出部により算出された複数の吸光度を用いた所定の多変量解析を行って、前記第1成分及び前記第2成分それぞれの濃度を算出する、
請求項1〜4の何れか一項に記載の濃度測定装置。 - 前記被検体に照射される前記照射光の一部を、水を主成分とする参照体を介して受光する参照光受光部を更に備え、
前記吸光度算出部は、前記受光部からの出力信号と、前記参照光受光部からの出力信号とを用いて、水に係る吸光度をキャンセルした前記被検体の吸光度を算出する、
請求項1〜5の何れか一項に記載の濃度測定装置。 - 測定光を被検体に照射する照射部と、前記被検体を透過した光を受光する受光部とを備え、前記被検体の成分濃度を測定する濃度測定装置の制御方法であって、
前記被検体は、水と、旋光性及び吸光性を有する第1成分及び第2成分とを含有し、
前記被検体中の水に係る吸光度が実質的に無視できる程度になる波長域の測定光を前記照射部に照射させることと、
前記受光部からの出力信号を用いて前記被検体の旋光度を算出することと、
前記受光部からの出力信号を用いて前記被検体の吸光度を算出することと、
前記第1成分単体の水溶液に係る第1測定データと、前記第2成分単体の水溶液に係る第2測定データと、前記算出された旋光度と、前記算出された吸光度とを用いて、前記第1成分の濃度を算出することと、
を含む制御方法。
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