JP3770707B2 - 減衰全反射測定装置およびそれを用いた特定成分の測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、減衰全反射を利用して被検体の特定成分、例えば人や動物の血液中の血糖値を測定するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、減衰全反射（以降ＡＴＲと記述する）測定装置を用いて被検体、とりわけ生体の特定成分を測定する方法が種々提案されている。
例えば、特開平９−１１３４３９号公報には、図８に示すように、平行に向かい合った一対の反射面を備えた透明なＡＴＲプリズム５０に上下の口唇を密着させて血糖値を測定する方法が提案されている。この方法によると、ＡＴＲプリズムを口にくわえて上下から押さえつけた後、ＡＴＲプリズム５０に光を入射させ、図中破線で示すようにＡＴＲプリズム５０の反射面と口唇の境界で減衰全反射を繰り返してプリズム５０の外部に出射された光を分析する。
また、ＢＭＥ、ｖｏｌ．５、Ｎｏ．８（日本ＭＥ学会、１９９１）には、ＺｎＳｅ光学結晶等からなるＡＴＲプリズムを口唇の粘膜に密着させたのち、このプリズムに波長９〜１１ミクロンのレーザ光を進入させてプリズムの内部で多重的に反射させ、その吸収光、散乱反射光を分析することにより血糖値や血中エタノール濃度を測定する方法が提案されている。この方法によると、リアルタイムに、かつ非侵襲的に血糖値や血中エタノール濃度を測定することができる。
【０００３】
これらの方法は、エバネッセント波（いわゆる浸みだし光）を定量分析に応用したものである。図８に示すように、ＡＴＲプリズム５０を進行する光は、わずかに口唇に侵入したのち、反射する。したがって、光は、口唇に侵入し、そこに流れる血液中の各成分の影響を受ける。そこで、反射光の光量を測定することにより、血液の透過率、反射率、吸収率等の変化を検出することができ、血液中の各成分の情報を得ることが可能になる。
しかしながら、上記のような従来のＡＴＲ測定装置は、以下のような問題点を有していた。
【０００４】
エバネッセント波の侵入する深さは、波長オーダであり、反射光のうち、近表面を透過する光の量が非常に多いため、生体の深部の情報が得られにくい。特に、被検体との間に不純物が存在すると、信号が劣化する。
したがって、上記従来例のようにＡＴＲプリズムを口唇に押し当てる場合、プリズムの表面と口唇との密着は安定せず、精度の高い測定を行うことが困難である。また、プリズムと口唇の間に、唾液が混入したような場合、測定値はその影響を大きく受ける。
さらに、上記のようなＡＴＲ測定装置のプリズムには、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＫｒＳ等の光学結晶が用いられる。これらはいずれも価格が非常に高価である。また非常に柔らかく、取り扱いや洗浄に多大の注意を要するため、多くの被検体を連続して測定することが困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決し、安いランニングコストで、高精度の測定が可能な減衰全反射測定装置および測定方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の減衰全反射測定装置は、被検体に接触させる面に突起部を設けた改良されたＡＴＲ素子を用いる。光源よりＡＴＲ素子内部に進入した光をこの突起部の頂面で全反射させたのち、ＡＴＲ素子より出射された光を分析することにより、被検体の特定成分を測定する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の減衰全反射測定装置は、光源と、光源から入射した光を内部に進入させ、進入した光を表面で内部反射させる透明なＡＴＲ素子と、ＡＴＲ素子より出射された光を検知する光検出器とを備え、ＡＴＲ素子が、光が内部反射する箇所に突出した複数の突起部を有し、突起部において被検体と接触して光が内部反射する部分が平面である。
本発明の減衰全反射測定装置の好ましい態様においては、ＡＴＲ素子が、シリコンの単結晶からなる。
本発明の減衰全反射測定装置の他の好ましい態様においては、ＡＴＲ素子の突起部の断面形状が、台形である。
本発明の減衰全反射測定装置のさらに他の好ましい態様においては、ＡＴＲ素子がシリコンの単結晶を異方性エッチングして得られたものである。
【０００８】
本発明の減衰全反射測定装置においては、複数の突起部が、対向する一対の面のうちの一方の面に設けられ、他方の面から複数の突起部のそれぞれに入射した光が、複数の突起部のそれぞれの一方の側面、前記平面および他方の側面で反射したのち入射した面より出射する。
本発明の減衰全反射測定装置の好ましい態様においては、ＡＴＲ素子が、光の入射する面に前記光源より投射された光を集光し、突起部へ照射するためのレンズを具備する。
本発明の減衰全反射測定装置の好ましい態様においては、ＡＴＲ素子の突起部が配された側の面が曲面である。
本発明の特定成分の測定方法は、突起部を具備する透明なＡＴＲ素子を被検体に接触させるステップ、突起部において減衰全反射するようにＡＴＲ素子に光を入射させるステップ、減衰全反射したのちＡＴＲ素子から出射した光を検知するステップを含む。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
《実施例１》
本実施例のＡＴＲ測定装置の概略を図１に示す。
光源１には、例えば波長１．３〜１０μｍの光を発する高輝度セラミック光源を用いる。光ファイバ２は、光源１の発した光を伝送し、ＡＴＲ素子３に入射させる。ＡＴＲ素子３に入射した光は、図中破線で示すように上下の面で交互に全反射を繰り返したのち外部に出射される。ＡＴＲ素子３の外部に出射された光は、光ファイバ４を介して光検出器５に到達する。光検出器５は、この光のスペクトル等を解析するとともに、その結果をディスプレイ（図示せず）に表示する。ここで、ＡＴＲ素子３の上面には台形に突出した突起部６が複数、ＡＴＲ素子３に入射した光が突起部６の上面で全反射するように配されている。この突起部６の高さは、加工精度を考慮すると、１ミクロン以上が好ましい。また、生体の皮膚への密着性を考慮すると、２００ミクロン以下が好ましい。
【００１１】
本実施例のＡＴＲ測定装置は、生体の皮膚がより薄い部分、特に口唇に押し当てて血管内を流れる血液の分光特性を測定するのに適する。
上記のように、ＡＴＲ素子の生体と接触する部分に突起部を設けることにより、複数の突起部において生体と安定して密着させることができる。また、突起部は、従来の平坦なＡＴＲプリズムと比べて生体の内部まで進入することができる。そこで、ＡＴＲ素子に入射した光を突起部の頂面で内部反射させることにより、エバネッセント波を生体により深く、侵入させることができる。したがって、本ＡＴＲ素子を用いることにより、より感度の高い信号を安定して得ることが可能になる。さらに、ＡＴＲ素子の生体と接触する面をレンズ状の曲面にし、その表面に上記のような突起部を形成すると、上下の口唇で挟み込んだ場合により安定した密着性が得られる。
また、従来のＡＴＲプリズムは、口唇との間に唾液等が存在すれば、得られる情報にそれらの影響が含まれるが、本ＡＴＲ素子のように、口唇に押し当てる面に複数の突起部を設けることにより、唾液等は存在したとしても、減衰全反射に関係しない突起部間の谷部７にたまるので、唾液の影響を抑制することができる。
【００１２】
本実施例のＡＴＲ測定装置では、ＡＴＲ素子の材料に屈折率が高いＳｉの単結晶を用いた。従来より、ＡＴＲプリズムの材料に広く用いられているＺｎＳｅは、柔らかく、ひっかき傷等の傷がつきやすい。したがって、使用の際には、このような損傷を防ぐため、細心の注意を払う必要がある。これに対して、Ｓｉは、このような損傷の心配が小さい。また、半導体材料として大量に用いられているので、コストも非常に安い。したがって、高価なＺｎＳｅ製のＡＴＲ素子を用いた場合のように繰り返し用いなくても、コスト的な負担は小さい。繰り返し用いる場合においても、素子の洗浄、消毒等が容易である。
【００１３】
《実施例２》
本実施例のＡＴＲ測定装置の概要を図２に示す。
光源１１より投射された光は、ビ−ムスプリッタ１２を透過して光ファイバ１３に到達する。光ファイバ１３に到達した光は、その内部を伝送して、出射端１３ａから出射される。出射端１３ａより出射された光は拡散するが、コリメータレンズ１４により平行光に変換されたのち、Ｓｉ単結晶からなる板状のＡＴＲ素子１５に、法線方向より入射する。
ＡＴＲ素子１５の光の入射面と反対の面には、図３に示すように、複数の突起部１６が形成されている。ＡＴＲ素子１５の内部に進入した光は、図中、破線で示すように突起部１６の傾斜した側面１６ａ、頂面１６ｂおよび他方の側面１６ａで反射した後、入射面から出射される。ＡＴＲ素子１５より出射された光は、コリメータレンズ１４および光ファイバ１３を通過したのち、ビームスプリッタ１２で反射して光検出器１７に到達する。
【００１４】
本実施例のＡＴＲ測定装置は、ＡＴＲ素子１５の突起部１６を備えた面、すなわち光の入射面と反対の面を例えば生体の皮膚に圧着させて、生体の血液中の各成分の分析を行うのに適する。特にＡＴＲ素子１５に傾斜した側面を有する断面が台形の突起部を設けることにより、測定面を安定して生体に密着させることができる。また、突起部は、生体の組織に食い込みやすいことから、生体のより深部の情報を得ることができる。
また、ＡＴＲ素子１５の光を入射させる面より光を出射することができるため、従来例のように上下の口唇で挟み込む必要がなく、ＡＴＲ素子の測定面を皮膚に押し当てるだけで容易に測定することができる。
上記実施例ではＡＴＲ素子の測定面に断面形状が台形の突起を前後左右に複数配したが、突起部の断面形状はその他の形状、例えば三角形状であってもよい。また、図４に示すように、断面が台形で、その頂が連続した突起部１８を複数配置してもよい。
ＡＴＲ素子の外形をレンズ状に曲面加工して、その表面に上記のような突起を設けてもよい。この場合、ＡＴＲ素子を生体に当接させる際に強く押しつけても痛みは小さい。
【００１５】
単結晶シリコン製のＡＴＲ素子の場合、突起部は、例えば異方性エッチングを施して形成する。この方法は、ＫＯＨ水溶液やエチレンジアミン水溶液を用いた化学エッチングであり、単結晶シリコンの（１１１）方向のエッチングレートが他の方向のそれよりも極めて小さいことを利用したものである。
まず、図５（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板２０の上下の面に保護層として酸化膜２１および２２をそれぞれ形成する。
ついで、（ｂ）に示すように、酸化膜２１を所望のパターンに加工する。
その後、このシリコン基板２０を例えば濃度４０％のＫＯＨ水溶液につけてエッチングする。（１００）結晶面が表面の法線方向に配向したシリコンウエハをエッチングすると、（ｃ）に示すように側面が５４．７度で傾斜した突起部２３が形成される。突起部の形成後、（ｄ）に示すように酸化物膜２２を除去する。
ここで、保護層には、シリコンの窒化物からなる膜を用いてもよい。
【００１６】
《実施例３》
本実施例のＡＴＲ装置の概要を図６に示す。
光源３１より投射された光は、実施例２と同様にビ−ムスプリッタ３２を透過して光ファイバ３３に到達する。ファイバ３３に到達した光は、その内部を伝送して、出射端３３ａから出射される。ここで、ＡＴＲ素子３５に到達した光は、図７に示すように、その入射面に形成されたマイクロレンズ３８によって屈折し、突起部３６の傾斜した側面３６ａに選択的に照射される。ついで、光は、側面３６ａで全反射して、頂面３６ｂに集光される。ここで光は全反射したのち、さらに他方の側面３６ａで全反射して、ＡＴＲ素子３５より出射される。ＡＴＲ素子３５より出射された光は、コリメータレンズ３４、光ファイバ３３およびビームスプリッタ３２を介して、光検出器３７に到達する。
【００１７】
マイクロレンズは、突起部３６の側面３６ａ上の点に一致するように配される。また、各突起に集光させるように配することにより、ＡＴＲ素子に入射した光を効率よく全反射させ、測定に用いることができる。すなわち、実施例２のようにＡＴＲ素子の入射面が平坦な場合、ＡＴＲ素子に入射した光の一部は、被検体との境界で反射せずに透過する。一方、ＡＴＲ素子の入射面にマイクロレンズを配し、突起部の側面に照射することにより、効率よく光を全反射させることができる。また、突起部の側面を傾斜させることにより、突起部の表面で３回、全反射させることができる。したがって、より効率よく精度の高い測定が可能になる。
マイクロレンズは、例えばフォトリソグラフィ（光触刻法）およびエッチングを繰り返すことで、図７（ｂ）に示すように階段状に形成する。
これらは、いずれも半導体分野において確立された加工技術を応用することができるため、精度よく、大量に、安価で加工することができる。したがって、高性能で高品質のＡＴＲ素子を安価にかつ大量に製造することができる。
ここで、マイクロレンズの表面にダイヤモンドやＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＺｎＳ等からなる反射防止膜を形成することにより、光の利用効率はさらに向上する。
また、マイクロレンズの表面にオーダの凹凸を形成しても、反射防止効果が得られる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によると、安いランニングコストで、高精度の測定が可能な減衰全反射測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の減衰全反射測定装置を示す図であり、（ａ）は、装置全体の概略を示し、（ｂ）は、ＡＴＲ素子中の光の進行の様子を示すモデル図である。
【図２】同他の実施例の減衰全反射測定装置の構成の概略を示す図である。
【図３】同測定装置に用いるＡＴＲ素子を示す図であり、（ａ）は、測定時に同素子内を進行する光の軌跡を示すモデル図であり、（ｂ）は同素子の斜視図である。
【図４】同測定装置に用いる他のＡＴＲ素子を示す斜視図である。
【図５】ＡＴＲ素子に突起部を形成する際の各工程の状態を示す図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例の減衰全反射測定装置の構成の概略を示す図である。
【図７】同測定装置に用いるＡＴＲ素子内を示す図であり、（ａ）は、測定時に同素子内を進行する光の軌跡を示すモデル図であり、（ｂ）は、同素子の要部の縦断面図である。
【図８】比較例の減衰全反射測定装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 光ファイバ
３ ＡＴＲ素子
４ 光ファイバ
５ 光検出器
６ 突起部
７ 谷部
１１ 光源
１２ ビームスプリッタ
１３ 光ファイバ
１３ａ 出射端
１４ コリメータレンズ
１５ ＡＴＲ素子
１６ 突起部
１６ａ 側面
１６ｂ 頂面
１８ 突起部
２０ シリコン基板
２１ 酸化物膜
２２ 酸化物膜
３１ 光源
３２ ビームスプリッタ
３３ 光ファイバ
３３ａ 出射端
３４ コリメータレンズ
３５ ＡＴＲ素子
３６ 突起部
３６ａ 側面
３６ｂ 頂面
３７ 光検出器
３８ マイクロレンズ
５０ ＡＴＲプリズム

Claims (15)

1. 光源と、前記光源から入射した光を内部に進入させ、進入した前記光を表面で内部反射させるＡＴＲ素子と、前記ＡＴＲ素子より出射された光を検知する光検出器とを備え、前記ＡＴＲ素子が、前記光が内部反射する箇所に突出した複数の突起部を有し、前記突起部において被検体と接触して前記光が内部反射する部分が平面である減衰全反射測定装置。
2. 前記ＡＴＲ素子が、シリコンの単結晶からなる請求項１記載の減衰全反射測定装置。
3. 前記ＡＴＲ素子の突起部の断面形状が、台形である請求項１記載の減衰全反射測定装置。
4. 前記ＡＴＲ素子が、シリコンの単結晶を異方性エッチングして得られたものである請求項３記載の減衰全反射測定装置。
5. 複数の前記突起部が、対向する一対の面のうちの一方の面に設けられ、他方の面から複数の前記突起部のそれぞれに入射した光が、複数の前記突起部のそれぞれの一方の側面、前記平面および他方の側面で反射したのち入射した面より出射する、請求項１記載の減衰全反射測定装置。
6. 前記ＡＴＲ素子が、前記光の入射面に前記光源より投射された光を集光し、前記突起部へ照射するためのレンズを具備する請求項５記載の減衰全反射測定装置。
7. 前記ＡＴＲ素子の前記突起部が配された側の面が曲面である請求項１または５に記載の減衰全反射測定装置。
8. 平面を有する複数の突起部を具備するＡＴＲ素子の前記平面を被検体に接触させるステップ、前記突起部の前記平面において減衰全反射するように前記ＡＴＲ素子に光を入射させるステップ、および減衰全反射したのち前記ＡＴＲ素子から出射した光を検知するステップを含む特定成分の測定方法。
9. 光源から入射した光を内部に進入させ、進入した前記光を表面で内部反射させるＡＴＲ素子であって、前記光が内部反射する箇所に突出した複数の突起部を有し、前記突起部において被検体と接触して前記光が内部反射する部分が平面であるＡＴＲ素子。
10. シリコンの単結晶からなる請求項９記載のＡＴＲ素子。
11. 前記突起部の断面形状が、台形である請求項９記載のＡＴＲ素子。
12. シリコンの単結晶を異方性エッチングして得られたものである請求項１１記載のＡＴＲ素子。
13. 複数の前記突起部が、対向する一対の面のうちの一方の面に設けられ、他方の面から複数の前記突起部のそれぞれに入射した光が、複数の前記突起部各々の一方の側面、前記平面及び他方の側面で反射したのち入射した面より出射する、請求項９記載のＡＴＲ素子。
14. さらに、前記光の入射面に前記光源より投射された光を集光し、前記突起部へ照射するためのレンズを具備する請求項１３記載のＡＴＲ素子。
15. 前記突起部が配された側の面が曲面である請求項９または１３に記載のＡＴＲ素子。

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