JP5313016B2 - 成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の成分濃度を光音響法で測定する成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法に関する。

近年、高齢化が進み、成人病の患者数の増大に対する対応が大きな社会的な課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度分析装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な成分濃度分析装置としては、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する光音響信号と呼ばれる音波を観測する、光音響法が注目されている。以降の説明において、光音響信号を音波と記載することがある。

しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得る電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるに至っていない。光音響法の血糖値測定において、精度を劣化させる要因として光源パワー、センサー感度、温度などの複数の要因が考えられるが、それらの要因に対して校正試料による逐次的な校正手段が一般的に用いられる。

従来の光音響効果のための光源には、パルス、および連続波（ＣＷ）が用いられる。図１は光パルスを電磁波として用いた従来の成分濃度分析装置である（例えば、非特許文献１を参照。）。本例では試料として血液成分の血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図１において、駆動回路６０４はパルス状の励起電流をパルス光源６１７に供給し、パルス光源６１７はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは測定試料６１０ａ及び参照試料６１０ｂに照射される。光パルスは測定試料６１０ａ及び参照試料６１０ｂの内部にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、発生した音波はそれぞれ音波検出器６１３ａ及び音波検出器６１３ｂにより検出され、さらに音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号はそれぞれ増幅器６１５ａ及び増幅器６１５ｂで増幅され、差動増幅器６２５で差分される。差分された電気信号は波形観測器６２１で平均化され、記録器６３０が電気信号のピーク振幅を記録する。異なる濃度におけるピーク振幅を計測した検量線から、測定試料６１０ａの成分濃度を測定する。

光パルスの光音響励起にとって発生する音圧は試料の吸光度に比例するため、水の吸光度の温度変動で音圧が変動した場合、測定対象の濃度とピーク振幅の関係である検量線の切片がシフトする可能性があり、成分濃度算定の誤差が生じる。

上記課題を解決するために、複数波長を用いることが容易なＣＷ法における２波長差分方式の成分濃度分析装置も知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図２はＣＷ法を用いた従来の成分濃度分析装置である。第１の光源６０１は、駆動回路６０４により、発振器６０３に同期して強度変調されている。一方、第２の光源６０２は、駆動回路６０４により、発振器６０３に同期して強度変調されている。更に、第２の光源６０２の駆動回路６０４には、発振器６０３の出力が遅延調整器６０５を介して給電される。その結果、第２の光源６０２は、第１の光源６０１に対して、位相（周波数）が、逆相に変調されるように構成されている。第１の光源６０１及び第２の光源６０２の出力光は、光合波器６１６により重畳され、１本の光束として、測定試料６１０ａに照射される。測定試料６１０ａ内で発生された光音響信号は、音波検出器６１３により検出され、音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号の振幅が、発振器６０３に同期した波形観測器６２１によって計測され、記録器６３０に記録される。図２の成分濃度分析装置は、測定試料６１０ａを予め用意された参照試料６１０ｂに交換することで校正用の参照音波の電気信号を取得し、測定試料６１０ａで得られた電気信号の校正を行う。

「電子技術総合研究所彙報」、第５３巻、第５号、４１〜５１頁、１９８９年 特開２００６−３２６２２３号公報

実用的な精度を得るために、成分濃度分析では、光源パワーや温度等の擾乱に対して参照試料を用いた校正が必須となる。しかし、図１のような成分濃度分析装置では、測定試料と参照試料のそれぞれに異なる検出器を接着して電気信号で差分を演算するため、検出器の感度差や検出器の周波数特性差という擾乱が生じて校正誤差となり、十分な成分濃度検出の測定精度が得られないという課題があった。

一方、図２のような連続波（ＣＷ）を用いた成分濃度分析装置では、測定試料と参照試料に交互に検査光を照射し、それぞれの試料中から発生した音波を同じ音波検出器を用いて検出している。しかし、この方法では、校正試料との交換によって、検査光の照射位置の変化、試料と検出器との接触状態の変化、及び試料の交換にかかる時間的な差異の発生という擾乱が生じて校正誤差となり、十分な成分濃度検出の測定精度が得られないという課題があった。

そこで、本発明は、上述したような校正の際の擾乱を発生させず、測定対象成分の濃度を高精度に同定することを可能にする成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、測定試料及び参照試料からの音波伝搬距離が同一になる位置に音波検出器１つを配置することで、各試料の検出条件を同一に保つこととした。

具体的には、本発明に係る成分濃度分析装置は、検査光を２分岐し、一方を測定試料に照射し、光音響効果で発生した測定音波を測定音波出射点から出射させ、他方を参照試料に照射し、光音響効果で発生した参照音波を参照音波出射点から出射させる光照射手段と、前記光照射手段で出射させた前記測定音波及び前記参照音波を、前記測定音波出射点からの音波伝搬距離と前記参照音波出射点からの音波伝搬距離とが等しい位置にある１つの音波検出器で検出する音波検出手段と、を備える。

本発明に係る成分濃度分析方法は、検査光を２分岐し、一方を測定試料に照射し、光音響効果で発生した測定音波を測定音波出射点から出射させ、他方を参照試料に照射し、光音響効果で発生した参照音波を参照音波出射点から出射させる光照射手順と、前記光照射手順で出射させた前記測定音波及び前記参照音波を、前記測定音波出射点からの音波伝搬距離と前記参照音波出射点からの音波伝搬距離とが等しい位置で検出する音波検出手順と、を備える。

検査光を２分岐して測定試料及び参照試料に照射しているため、校正のために試料の交換が不要であり、試料交換による、検査光の照射位置の変化、及び試料と検出器との接触状態の変化に伴う擾乱で生ずる校正誤差を低減することができる。また、測定試料と参照試料との差分を同時刻で行うことができ、試料の交換にかかる時間的な差異の発生という擾乱による校正誤差を低減することができる。さらに、測定試料及び参照試料から発生した音彼の伝搬距離を同一に保つことができ、音波検出器も１つであるので検出器の感度差や検出器の周波数特性差という擾乱による校正誤差を低減できる。

従って、本発明は、校正の際の擾乱を発生させる要因を除去したため、測定対象成分の濃度を高精度に同定することを可能にする成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することができる。また、部品点数を削減できることから成分濃度分析装置を安価に提供できる。

本発明に係る成分濃度分析装置の前記音波検出手段は、それぞれの焦点の一方を共通するように２つの半楕円球面を連結させた形状の音波反射鏡で形成された集音板を有し、前記２つの半楕円球面の他方の焦点をそれぞれ前記測定音波出射点及び前記参照音波出射点とし、前記集音板のうち前記測定音波出射点側の半楕円球面で反射した前記測定音波及び前記参照音波出射点側の半楕円球面で反射した前記参照音波を前記２つの半楕円球面の共通する焦点に配置した前記音波検出器で検出することが好ましい。

本発明に係る成分濃度分析方法の前記音波検出手順で、それぞれの焦点の一方を共通するように２つの半楕円球面を連結させた形状の音波反射鏡で形成された集音板を用い、前記２つの半楕円球面の他方の焦点をそれぞれ前記測定音波出射点及び前記参照音波出射点とし、前記集音板のうち前記測定音波出射点側の半楕円球面で反射した前記測定音波及び前記参照音波出射点側の半楕円球面で反射した前記参照音波を前記２つの半楕円球面の共通する焦点で検出することが好ましい。

楕円球面は、一方の焦点から他方の焦点を結んだ経路の距離が異なる経路間で一致するという性質を持つ。二つの半楕円球面の一方の焦点を一致させ、そこに音波検出器を設置し、２つの他方の焦点にそれぞれ測定音波出射点及び参照音波出射点を配置すれば、測定音波と参照音波との音波伝搬距離が一致する。音波検出手段は、集音板を有することで、測定音波と参照音波の音波伝搬距離を簡便に一致させることができる。音波伝搬距離が一致することから、測定試料と参照試料に入射する検査光の位相差と、音波検出器が検出する測定音波と参照音波との位相差が一致する。従って、測定試料と参照試料に入射する検査光の位相を互いに逆相にすることで、音波検出器は測定音波と参照音波の差分を容易に取得することができ、成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法の測定精度を向上させることができる。

本発明に係る成分濃度分析装置の前記音波検出手段の前記音波検出器は、音響レンズを介して前記測定音波及び前記参照音波を検出することが好ましい。

本発明に係る成分濃度分析方法の前記音波検出手順で、音響レンズを介して前記測定音波及び前記参照音波を検出することが好ましい。

音波検出器が音響レンズを備えて音波検出の指向性を補正することで、成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は効率良く音波を検出でき、測定精度を向上させることができる。

本発明に係る成分濃度分析装置の前記光照射手段は、内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記測定音波出射点とし、内部に前記測定試料を配置する測定試料室と、内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記参照音波出射点とし、内部に前記参照試料を配置する参照試料室と、を有することが好ましい。

本発明に係る成分濃度分析方法の前記光照射手順で、内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記測定音波出射点とする測定試料室に前記測定試料を配置し、内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記参照音波出射点とする参照試料室に前記参照試料を配置することが好ましい。

試料室内部を楕円鏡面とし、一方の焦点と集音板の焦点とを一致させることで、成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は試料室中で発生した音波を効率よく音波検出器に伝達でき、検出する音波を増大できるため、測定精度を向上させることができる。

本発明に係る成分濃度分析装置の前記光照射手段は、前記測定試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光する測定試料レンズと、前記参照試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光する参照試料レンズと、をさらに有することが好ましい。

本発明に係る成分濃度分析方法の前記光照射手順で、前記測定試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光し、前記参照試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光することが好ましい。

レンズを用いて検査光を試料室の楕円鏡面の他方の焦点に集光することで、発生した音波は集音板の焦点位置に集中する。従って、成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は発生した音波を効率良く音波検出器に伝達でき、検出する音波を増大できるため、測定精度を向上させることができる。

本発明は、校正の際の擾乱に関わらず、測定対象成分の濃度を高精度に同定することを可能にする成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することができる。

従来の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。 従来の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。 本発明に係る成分濃度分析装置の２つの半楕円球面を連結させた形状の音波反射鏡で形成された集音板で行う差分検出を説明する図である。 本発明に係る成分濃度分析装置で発生する音波の時間波形を説明する図である。（ａ）は測定試料から発生する測定音波の時間波形であり、（ｂ）は参照試料から発生する参照音波の時間波形であり、（ｃ）は測定音波と参照音波との差分である差分音波の時間波形である。 水とグルコース水溶液の吸光度スペクトルの模式図である。 グルコースの吸光度スペクトルの模式図である。 本発明に係る成分濃度分析装置を説明する概念図である。 本発明に係る成分濃度分析装置を説明する概念図である。 本発明に係る成分濃度分析装置の資料室を説明する概略図である。 本発明に係る成分濃度分析装置の音波検出器を説明する概略図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（成分濃度分析装置の動作原理）
まず、本成分濃度分析装置の動作を説明する。光音響効果で発生する光音響信号Ｓは次式で表すことができる。

ここで、Ｐ_０は光源パワー、Ｖは水の体積分率、Ｍは測定対象成分のモル濃度、α_ｇはモル濃度当たりの吸光度、α_ｗは水の吸光度、ρは測定対象成分が含まれた水溶液の密度、βは該水溶液の熱膨張率、Ｃｐは該水溶液の比熱、Ｋは測定対象の形状や検出器の感度や接触状態などの測定系のシステムによって決まるパラメータである。

図３は、本成分濃度分析装置の２つの半楕円球面（２２０ａ、２２０ｂ）を連結させた形状の音波反射鏡で形成された集音板２２０で行う差分検出を説明する図である。集音板２２０は、２つの半楕円球面（２２０ａ、２２０ｂ）の一方の焦点を一致させ、音波検出器１１３を配置している。なお、半楕円球面２２０ａと半楕円球面２２０ｂとは、同じ形状の半楕円球面である。また、集音板２２０は、半楕円球面２２０ａのもう一つの焦点に測定試料からの測定音波Ｓａが出射される測定音波出射点２１５ａを配置している。さらに、集音板２２０は、半楕円球面２２０ｂのもう一つの焦点に測定試料からの参照音波Ｓｂが出射される参照音波出射点２１５ｂを配置している。楕円鏡では、一方の焦点から他方の焦点を結んだ経路の距離が異なる経路間で一致するという性質を持つ。このため、測定音波出射点２１５ａから半楕円球面２２０ａで反射して音波検出器１１３に到達する測定音波Ｓａの音波伝搬距離と参照音波出射点２１５ｂから半楕円球面２２０ｂで反射して音波検出器１１３に到達する参照音波Ｓｂの音波伝搬距離とは等しくなる。従って、測定音波出射点２１５ａ及び参照音波出射点２１５ｂから同位相の音波を出射した場合、音波検出器１１３はそれぞれの音波を同位相で検出することができる。一方、測定音波出射点２１５ａ及び参照音波出射点２１５ｂから逆位相の音波を出射した場合、音波検出器１１３はそれぞれの音波の和、すなわちそれぞれの音波の差分を検出することができる。

図４は、本成分濃度分析装置で発生する音波の時間波形を説明する図である。図４（ａ）は測定試料から発生する測定音波の時間波形であり、図４（ｂ）は参照試料から発生する参照音波の時間波形であり、図４（ｃ）は測定音波と参照音波との差分である差分音波の時間波形である。測定試料からの測定音波と参照試料からの参照音波とは逆位相である。この時、音波検出器１１３では測定音波と参照音波とが重ね合わされるため、図４（ｃ）の差分音波が検出される。

以下の説明では測定試料の測定対象成分をグルコースとして説明する。図５は、水の吸光度スペクトル（実線）と２ｇ／ｄＬのグルコース水溶液の吸光度スペクトル（破線）の模式図である。水の吸光度スペクトルは波長１．５μｍ近傍にＯＨ振動ピークをもつ。また、水の吸光度スペクトルは、波長１．５μｍの長波側の波長１．６μｍ近傍にグルコースのＣ−Ｈの一次結合振動吸収をもつ。さらに、水の吸光度スペクトルは、波長１．５μｍの短波側１．４μｍ近傍で水とグルコースの相互作用による負の吸収がある。

図６は、水とグルコース水溶液との吸光度の差分のスペクトルである。ここで、参照試料を水、測定試料をグルコース水溶液とし、両者に逆位相の検査光を照射する。音波検出器１１３は、前述のように両者の差分音波を検出する。光音響信号は数式１のように吸光度に比例するため、グルコース水溶液の吸光度スペクトルと水の吸光度スペクトルとの差分をとれば、グルコースの吸光度スペクトルを得ることができる。すなわち、図６はグルコースの吸光度スペクトルとなる。

グルコースの吸光度は、グルコース水溶液の濃度により、図５のスペクトル領域１（１．６μｍ帯）のうち１．６μｍでは１ｇ／ｄＬ当たり１．８５×１０^−３ｍｍ^−１程度上昇し、スペクトル領域２（１．４μｍ帯）の１．４μｍでは１ｇ／ｄＬ当たり−４．５０×１０^−３ｍｍ^−１程度下降する傾向を示す。従って、図６のグルコースの吸光度スペクトルを得ることで、グルコース水溶液の濃度を定量することができる。また、グルコースに起因する特徴的なスペクトル情報を取得することにより、多変量解析などを用いて多成分との分離もできる。

（第１実施形態）
図７は、本実施形態の成分濃度分析装置を説明する概念図である。本成分濃度分析装置は、検査光を２分岐し、一方を測定試料室２１２ａ内の測定試料に照射し、光音響効果で発生した測定音波Ｓａを測定音波出射点２１５ａから出射させ、他方を参照試料室２１２ｂ内の参照試料に照射し、光音響効果で発生した参照音波Ｓｂを参照音波出射点２１５ｂから出射させる光照射手段と、前記光照射手段で出射させた測定音波Ｓａ及び参照音波Ｓｂを、測定音波出射点２１５ａからの音波伝搬距離と参照音波出射点２１５ｂからの音波伝搬距離とが等しい位置にある１つの音波検出器１１３で検出する音波検出手段と、を備える。

光照射手段は、波長可変光源１０１、発振器１０３、光スイッチ２０１、光ファイバ（２０５ａ、２０５ｂ）、及び試料容器（２１１ａ、２１１ｂ）を有する。音波検出手段は、集音板２２０、音波検出器１１３、前置増幅器１１５、位相検波器１２１、及び記録器１３０を有する。集音板２２０は、それぞれの焦点の一方を共通するように２つの半楕円球面（２２０ａ、２２０ｂ）を連結させた形状の音波反射鏡で形成されている。

音波伝搬槽は、集音板２２０、フタ２２３、及び筐体２２２を有する。集音板２２０とフタ２２３との間の空間を音波伝搬媒体２２１で満たしてもよい。また、試料容器２１１ａの中に測定試料室２１２ａがあり、試料容器２１１ｂの中に参照試料室２１２ｂがある。試料容器２１１ａは測定音波出射点２１５ａが集音板２２０側にあるように、試料容器２１１ｂは参照音波出射点２１５ａが集音板２２０側にあるように、及び音波検出器１１３は音波の検出点が集音板２２０側にあるように、フタ２２３に配置されている。ここで、音波検出器１１３は、集音板２２０の２つの半楕円球面（２２０ａ、２２０ｂ）の共通させた焦点に配置される。試料容器２１１ａは、半楕円球面２２０ａの音波検出器１１３が配置されていない方の焦点に測定音波出射点２１５ａがあるように配置される。同様に、試料容器２１１ｂは、半楕円球面２２０ｂの音波検出器１１３が配置されていない方の焦点に参照音波出射点２１５ｂがあるように配置される。

光スイッチ２０１は、１×２光スイッチであり、発振器１０３に同期して出力を切り替えている。光スイッチ２０１は、可変波長光源１０１からの検査光を交互に光ファイバ２０５ａ及び光ファイバ２０５ｂに結合する。このため、光ファイバ（２０５ａ、２０５ｂ）を伝搬する検査光は、互いに位相（周波数）が逆相に変調されている。光ファイバ（２０５ａ、２０５ｂ）の検査光は、それぞれ測定試料室２１２ａの測定試料と参照試料室２１２ｂの参照試料に照射される。

測定試料内で発生した測定音波Ｓａ及び参照試料内で発生した参照音波Ｓｂは、それぞれ測定音波出射点２１５ａ及び参照音波出射点２１５ｂから音波伝搬槽内部へ放射される。集音板２２０のうち測定音波出射点２１５ａ側の半楕円球面２２０ａで反射した測定音波Ｓａ及び参照音波出射点２１５ｂ側の半楕円球面２２０ｂで反射した参照音波Ｓｂを２つの半楕円球面の共通する焦点に配置した音波検出器１１３で検出する。

測定試料と参照試料にはそれぞれ逆相の検査光が照射されるため、音波検出器１１３は、測定音波Ｓａと参照音波Ｓｂとの差分の音圧に比例した電気信号を出力する。電気信号は前置増幅器１１５で増幅され、さらに電気信号の振幅が発振器１０３に同期した位相検波器１２１によって計測され、水とグルコース水溶液の光音響信号の差分データとして記録器１３０で記録される。可変波長光源１０１が出力する検査光の波長を変えることで、記録器１３０は光音響信号を差分スペクトルデータとして記録できる。記録器１３０は、記録された差分スペクトルデータと、異なるグルコース濃度で取得された検量用スペクトルデータと、を用いて多変量解析アルゴリズムなどで測定試料のグルコース濃度を算出する。

図７の成分濃度分析装置は、簡便さのため、光スイッチ２０１で光の強度変調を行ったが、２分岐素子と２つの光変調器で検査光を２つに分岐したのちにそれぞれ強度変調を行っても良い。

（第２実施形態）
図８は、本実施形態の成分濃度分析装置を説明する概念図である。本成分濃度分析装置と図７の成分濃度分析装置との違いは次の通りである。音波検出器１１３は、音響レンズ１１８を介して測定音波Ｓａ及び参照音波Ｓｂを検出する。測定試料室２１２ａの内面が楕円球面形状の音波反射鏡で形成されており、試料容器２１１ａは、その楕円球面の焦点の一方を測定音波出射点２１５ａと一致するようにフタ２２３に配置されている。参照試料室２１２ｂの内面が楕円球面形状の音波反射鏡で形成されており、試料容器２１１ｂは、その楕円球面の焦点の一方を参照音波出射点２１５ｂと一致するようにフタ２２３に配置されている。

さらに、光照射手段は、測定試料レンズ２１７ａと参照試料レンズ２１７ｂを有する。測定試料レンズ２１７ａは、測定試料室２１２ａの楕円球面の焦点のうち、測定音波出射点２１５ａと一致していない焦点に検査光を集光する。参照試料レンズ２１７ｂは、参照試料室２１２ｂの楕円球面の焦点のうち、参照音波出射点２１５ｂと一致していない焦点に前記検査光を集光する。

可変波長光源１０１の光出力は、音響光学変調器２５３の光入力に光ファイバを介して結合される。音響光学変調器２５３はパルス発生器１５３からの駆動電圧に同期して１入力×２出力のスイツチングを周波数３８０ｋＨｚで繰返す。このため、光ファイバ（２０５ａ、２０５ｂ）を伝搬する検査光は、互いに位相（周波数）が逆相に変調されている。

本実施例での可変波長光源１０１は、外部共振器による方式であるが、広帯域光源からの広帯域光を波長可変フィルタによって波長選択を行う方式でもよい。可変波長光源１０１の波長範囲は１．５６〜１．６８μｍとした。可変波長光源１０１は内部にフォトディテクタを内蔵しており、光出力をモニターしつつ注入電流を制御し、異なる波長での光パワーを一定に保つ。平均光パワーの設定は１０ｍＷ程度とした。波長掃引はそれぞれ１．５６μｍから始め、波長掃引速度は１秒当たり４ｎｍであり、一連の波長掃引測定におよそ３０秒を要した。

図９は、測定試料室２１２ａの近傍を説明する概略図である。参照試料室２１２ｂの近傍も同様である。測定試料室２１２ａは集音板２２０側と反対側をガラス窓２９２で塞いでもよい。光レンズ２１７ａは、楕円球面形状の測定試料室２１２ａの焦点のうち集音板２２０側と反対側の焦点に音響光学変調器２５３からの検査光を集光する。測定試料室２１２ａは楕円球面形状であって内面が音波反射鏡であるので、一方の焦点に集光された検査光で発生した音波は音波反射鏡で反射して測定試料室２１２ａの集音板２２０側の焦点に集まることになる。測定試料室２１２ａの集音板２２０側の焦点と測定音波出射点２１５ａとが一致しており、測定試料室２１２ａ内で発生した音波は、測定音波出射点２１５ａから測定音波Ｓａとして音響伝搬槽に出射される。測定音波出射点２１５ａにスリット２９１を設けてもよい。

図１０は、音波検出器１１３を説明する概略図である。音波検出器１１３は圧電エレメント２８１、受音板２８２、及び音波整合層２８３を持つ。圧電エレメント２８１は共振特性を利用した狭帯域型を用いる。圧電エレメント２８１の共振周波数とパルス発生器１５３の駆動電圧のパルス周波数とを一致させることで音波の検出感度を高めることができる。圧電エレメント２８１は音波を受ける受音板２８２と接触している。さらに受音板２８２と音響伝搬槽内の音波伝搬媒体２２１との間に音響インピーダンスを整合する音波整合層２８３を持つ。例えば、音波伝搬媒体２２１がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である場合、音波整合層２８３はアクリルとすることができる。また、音波整合層２８３にシリコンゴムの音響レンズ１１８を設けてもよい。音響レンズ１１８は、音波検出器１１３の指向性で決まる受音角を広げ、音響伝搬槽内からより多くの音波を検出できるため、音波検出感度を高めることができる。

図８の成分濃度分析装置の動作を詳細に説明する。参照試料室２１２ｂ内に水を入れ、測定試料室２１２ａ内に未知のグルコース水溶液を入れる。光レンズ（２１７ａ、２１７ｂ）は、可変波長光源１０１からの検査光の径を直径２ｍｍ程度のガウシアンプロファイルを持つフォーカスビームヘと変換する。測定試料や参照試料の大きさは検査光のエネルギーを略吸収する吸収長以上であることが好ましい。このため、測定試料室２１２ａや参照試料室２１２ｂの大きさは楕円球面形状の焦点間の方向に吸収長以上の大きさとした。また、不要な多重光反射による雑音を防ぐために、ガラス窓２９２には反射防止膜を形成しておくことが好ましく、上記波長帯で１％以下の反射率となるようにした。

測定試料から発生した測定音波Ｓａと参照試料から発生した参照音波Ｓｂは集音板２２０で反射され、音響レンズ１１８に集中する。音波検出器１１３は、測定音波Ｓａ及び参照音波Ｓｂとの差分の音圧に比例した電気信号に変換する。前置増幅器１１５はこの電気信号を増幅する。パルス発生器１５３と同期した位相検波器１２１は増幅された電気信号の振幅を計測する。

位相検波器１２１の積分時間は波長掃引速度に依存し、１／３秒とした。測定試料の球光度スペクトルと参照試料の吸光度スペクトルとの差分は、例えば波長１．６μｍでは、およそ０．１２ｍＶと記録器１３０に記録された。記録器１３０に記録された測定試料の球光度スペクトルと参照試料の吸光度スペクトルとの差分のスペクトルデータに対して、記録器１３０は、予め計測しておいた波長ごとに照射される光パワーのパワー補正を除算によって行った。記録器１３０は、補正後のスペクトルデータを一次微分演算し、異なるグルコース濃度（０〜２ｇ／ｄＬ、１００ｍｇ／ｄＬ間隔）に対して検量用スペクトルデータを用いた多変量解析アルゴリズムで処理し、グルコース成分濃度を１５０ｍｇ／ｄＬと算出した。

本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば果実の糖度測定に適用することができる。また、本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。

１０１：可変波長光源
１０３：発振器
１１３：音波検出器
１１５：前置増幅器
１１８：音響レンズ
１２１：位相検波器
１３０：記録器
１５３：パルス発生器
２０１：光スイッチ
２０５ａ、２０５ｂ：光ファイバ
２５３：音響光学変調器
２１１ａ、２１１ｂ：試料容器
２１２ａ：測定試料室
２１２ｂ：参照試料室
２１５ａ：測定音波出射点
２１５ｂ：参照音波出射点
２１７ａ：測定試料レンズ
２１７ｂ：参照試料レンズ
２２０：集音板
２２１：音波伝搬媒体
２２２：筐体
２２３：フタ
２８１：圧電エレメント
２８２：受音板
２８３：音波整合層
２９１：スリット
２９２：ガラス窓
６０１：第１光源
６０２：第２光源
６０３：発振器
６０４：駆動回路
６０５：遅延調整器
６０６：参照信号線
６１０ａ：測定試料
６１０ｂ：参照試料
６１３、６１３ａ、６１３ｂ：音波検出器
６１５、６１５ａ、６１５ｂ：前記増幅器
６１６：光合波器
６１７：パルス光源
６２１：波形観測機
６２５：差動増幅器
６３０：記録器

Claims (8)

1. 検査光を２分岐し、一方を測定試料に照射し、光音響効果で発生した測定音波を測定音波出射点から出射させ、他方を参照試料に照射し、光音響効果で発生した参照音波を参照音波出射点から出射させる光照射手段と、
   前記光照射手段で出射させた前記測定音波及び前記参照音波を、前記測定音波出射点からの音波伝搬距離と前記参照音波出射点からの音波伝搬距離とが等しい位置にある１つの音波検出器で検出する音波検出手段と、
   を備える成分濃度分析装置であって、
   前記光照射手段は、
   内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記測定音波出射点とし、内部に前記測定試料を配置する測定試料室と、
   内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記参照音波出射点とし、内部に前記参照試料を配置する参照試料室と、
   を有することを特徴とする成分濃度分析装置。
2. 前記音波検出手段は、それぞれの焦点の一方を共通するように２つの半楕円球面を連結させた形状の音波反射鏡で形成された集音板を有し、前記２つの半楕円球面の他方の焦点をそれぞれ前記測定音波出射点及び前記参照音波出射点とし、前記集音板のうち前記測定音波出射点側の半楕円球面で反射した前記測定音波及び前記参照音波出射点側の半楕円球面で反射した前記参照音波を前記２つの半楕円球面の共通する焦点に配置した前記音波検出器で検出することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度分析装置。
3. 前記音波検出手段の前記音波検出器は、音響レンズを介して前記測定音波及び前記参照音波を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度分析装置。
4. 前記光照射手段は、
   前記測定試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光する測定試料レンズと、
   前記参照試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光する参照試料レンズと、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度分析装置。
5. 検査光を２分岐し、一方を測定試料に照射し、光音響効果で発生した測定音波を測定音波出射点から出射させ、他方を参照試料に照射し、光音響効果で発生した参照音波を参照音波出射点から出射させる光照射手順と、
   前記光照射手順で出射させた前記測定音波及び前記参照音波を、前記測定音波出射点からの音波伝搬距離と前記参照音波出射点からの音波伝搬距離とが等しい位置で検出する音波検出手順と、
   を備える成分濃度分析方法であって、
   前記光照射手順で、
   内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記測定音波出射点とする測定試料室に前記測定試料を配置し、
   内面が音波反射鏡で形成されている楕円球面形状の焦点の一方を前記参照音波出射点とする参照試料室に前記参照試料を配置することを特徴とする成分濃度分析方法。。
6. 前記音波検出手順で、それぞれの焦点の一方を共通するように２つの半楕円球面を連結させた形状の音波反射鏡で形成された集音板を用い、前記２つの半楕円球面の他方の焦点をそれぞれ前記測定音波出射点及び前記参照音波出射点とし、前記集音板のうち前記測定音波出射点側の半楕円球面で反射した前記測定音波及び前記参照音波出射点側の半楕円球面で反射した前記参照音波を前記２つの半楕円球面の共通する焦点で検出することを特徴とする請求項５に記載の成分濃度分析方法。
7. 前記音波検出手順で、音響レンズを介して前記測定音波及び前記参照音波を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の成分濃度分析方法。
8. 前記光照射手順で、
   前記測定試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光し、
   前記参照試料室の前記楕円球面形状の焦点の他方に前記検査光を集光することを特徴とする請求項５に記載の成分濃度分析方法。

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