JP6570716B2 - Biological substance measuring device - Google Patents
Biological substance measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6570716B2 JP6570716B2 JP2018168062A JP2018168062A JP6570716B2 JP 6570716 B2 JP6570716 B2 JP 6570716B2 JP 2018168062 A JP2018168062 A JP 2018168062A JP 2018168062 A JP2018168062 A JP 2018168062A JP 6570716 B2 JP6570716 B2 JP 6570716B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- infrared light
- wavelength
- biological material
- light source
- detector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
本発明は、生体物質測定装置に関し、特に、赤外光を用いて生体内に存在する糖などの生体物質を測定する生体物質測定装置に関する。 The present invention relates to a biological material measuring device, and more particularly, to a biological material measuring device that measures biological materials such as sugar existing in a living body using infrared light.
従来の侵襲型センサは、針を用いて採血を行い、生体中の物質の成分を解析する。特に、日常的に利用されている血糖値センサについては、穿刺による患者の苦痛緩和のため、非侵襲方式が求められている。非侵襲の血糖値センサとして、糖の指紋スペクトルを直接検出することができる赤外光を利用した測定が試みられているが、赤外光は水の吸収が強いため皮膚表面から深くまで到達することができない。このため、生体中の糖による吸収が小さくても血糖値を安定的にかつ高精度に検出する技術が求められている。 A conventional invasive sensor collects blood using a needle and analyzes a component of a substance in a living body. In particular, for blood glucose level sensors that are used on a daily basis, a non-invasive method is required in order to alleviate patient pain due to puncture. As a non-invasive blood sugar level sensor, measurement using infrared light that can directly detect the fingerprint spectrum of sugar has been attempted, but infrared light reaches deep from the skin surface due to strong water absorption. I can't. For this reason, there is a need for a technique for stably and highly accurately detecting blood sugar levels even when the absorption of sugar in the living body is small.
このような要求に対して、たとえば、特許文献1に記載の装置では、ATR(Attenuated Total Reflection)法を用いて、血糖値を測定している。 In response to such a request, for example, the apparatus described in Patent Document 1 measures the blood glucose level using an ATR (Attenuated Total Reflection) method.
特許文献1では、測定精度を向上させるために、複数の波長で測定する必要があることから、波長可変レーザを利用している。しかしながら、波長可変レーザは、外部共振器で構成されるため、サイズが大きく、かつ高コストである。 In Patent Document 1, a tunable laser is used because it is necessary to measure at a plurality of wavelengths in order to improve measurement accuracy. However, since the wavelength tunable laser is composed of an external resonator, the size is large and the cost is high.
そえゆえに、本発明の目的は、生体物質の量を低コストで測定することができる生体物質測定装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a biological material measuring apparatus that can measure the amount of biological material at low cost.
本発明の第1の局面の生体物質測定装置は、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部と、生体表面と接触した状態で、赤外光源部から放射された赤外光を透過させて、生体表面へ出射するプリズムと、可視光域、あるいは近赤外領域の波長の光をプリズムへ放射する光源と、プリズムから出射される光源からの光を検出することによって、光源からの光の経路を検出する光位置検出器とを備える。 The biological material measuring apparatus according to the first aspect of the present invention is an infrared light source that emits infrared light in the whole or part of the absorption wavelength of a biological material and a red surface in contact with the biological surface. A prism that transmits infrared light emitted from the external light source unit and emits it to the surface of the living body, a light source that emits light having a wavelength in the visible light region or near infrared region to the prism, and a light source emitted from the prism And an optical position detector that detects a path of light from the light source by detecting light from the light source.
本発明の第2の局面の生体物質測定装置は、生体表面に密着させることが可能なATRプリズムと、ATRプリズムへ、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部と、ATRプリズムから出射された少なくとも1つの波長の赤外光を検出する赤外光検出器とを備える。 The biological material measuring apparatus according to the second aspect of the present invention provides an ATR prism that can be brought into close contact with the surface of a living body, and infrared light in the whole or part of the absorption wavelength of the biological material to the ATR prism. An infrared light source unit that radiates, and an infrared light detector that detects infrared light of at least one wavelength emitted from the ATR prism.
本発明の第3の局面の生体物質測定装置は、生体表面に密着させることが可能なATRプリズムと、ATRプリズムへ、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部と、ATRプリズムから出射された赤外光を検出する赤外光検出器とを備え、赤外光源部は、各々が、赤外光検出器が検出可能な波長域に含まれる単一波長の赤外光を放射する複数の光源である。 A biological material measuring apparatus according to a third aspect of the present invention provides an ATR prism that can be brought into close contact with the surface of a living body, and infrared light in the whole or part of the absorption wavelength of the biological material to the ATR prism. An infrared light source unit that radiates and an infrared light detector that detects infrared light emitted from the ATR prism, and each infrared light source unit has a wavelength range that the infrared light detector can detect. It is the some light source which radiates | emits the infrared light of the single wavelength contained.
本発明によれば、波長可変レーザを用いる必要がないので、生体表面に存在する生体物質の量を低コストで測定することができる。 According to the present invention, since it is not necessary to use a wavelength tunable laser, the amount of biological material existing on the surface of the living body can be measured at a low cost.
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。
実施の形態1.
以下、測定対象として血糖値を例に挙げて説明するが、本発明の測定装置は血糖値の測定に限定するものではなく、他の生体物質の測定にも適用することができる。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, although a blood glucose level will be described as an example of a measurement target, the measurement apparatus of the present invention is not limited to the measurement of a blood glucose level, and can be applied to the measurement of other biological substances.
特許文献1に記載されているATR法では、プリズムを被測定皮膚に接触させるため、被測定皮膚の奥深くまでエバネッセント光が侵入しない。その結果、生体物質の量の測定精度が低いという問題がある。本実施の形態では、ATR法によらずに、生体物質の量を測定する。 In the ATR method described in Patent Document 1, since the prism is brought into contact with the skin to be measured, evanescent light does not penetrate deep into the skin to be measured. As a result, there is a problem that the measurement accuracy of the amount of biological material is low. In this embodiment, the amount of biological material is measured without using the ATR method.
図1は、実施の形態1の携帯型の非侵襲の生体物質測定装置80の構成を表す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a portable non-invasive biological
非侵襲の生体物質測定装置80は、光源200、プリズム210、光位置検出器220、および赤外光源部32を備える。
The noninvasive biological
赤外光源部32は、少なくとも1つ以上の赤外光源を備える。赤外光源部32は、糖の指紋スペクトルの波長を含む波長範囲8.5μm〜10μm全ての波長域、あるいは一部の波長域の赤外光を放出する広帯域の量子カスケードレーザを含む。測定に使用する波長が、例えばλ1,λ2,λ3とする。波長λ1,λ2の光は、人体中の糖により吸収される。λ3の光は、人体中の糖による吸収されず、参照波長として使用される。測定に使用する波長は、さらにλ4を含む4波長としてもよい。
The infrared
赤外光源部32から放出された赤外光は、入射赤外光11aとしてプリズム210を透過し、被験者の皮膚である生体表面40に入射する。
The infrared light emitted from the infrared
プリズム210は、可視光の波長領域〜赤外光の波長領域において透過性が高い硫化亜鉛(ZnS)などの物質で構成されている。
The
光源200は、可視光の波長領域〜近赤外の波長領域の波長の光を1波長出力するレーザである。光源200からの出力光は、入射光230aとしてプリズム210に入射し、プリズム210内を透過した後に、放射光230b、又は放射屈折光230cとしてプリズム210から放出される。放射光230bと放射屈折光230cとの違いは後述のプリズム内の状態変化によって発生する。放射光230b又は放射屈折光230cは、光位置検出器220に入射する。
The
光位置検出器220は、プリズム210から出射される光源200からの光を検出することによって、光源200からの光の経路を検出する。光位置検出器220は、放射光230b又は放射屈折光230cを検出可能な光検出器を備える。光位置検出器220は、光検出器に入射する位置を検出する。光位置検出器220の材料として、例えば安価なフォトダイオードまたは、波長選択性の良いプラズモンを用いることができる。
The
次に、本実施の形態における血糖値測定の動作について述べる。
赤外光源部32の光出力がゼロの時を基準状態とする。基準状態では、プリズム210の内部の状態は一様であるため、光源200から出力した光は、プリズム210への入射時と、プリズムからの出射時でのみ、屈折する。基準状態において、放射光230bが光位置検出器220に入射する位置を基準位置とする。
Next, the blood glucose level measurement operation in the present embodiment will be described.
The reference state is set when the light output of the infrared
次に、赤外光源部32が糖の指紋スペクトル波長の赤外光を入射赤外光11aとして出力する。入射赤外光11aは、プリズム210を介して、被験者の生体表面40に入射する。赤外光は被験者の生体表面40に存在する糖によって吸収される。吸収によって発生する吸収熱が生体表面40に発生する。発生した吸収熱は、プリズム210に伝導し、プリズム210の内部に温度勾配が生じ、温度勾配に応じて屈折率勾配240が形成される。温度が変わると屈折率が変化するからである。この状態を状態1とする。
Next, the infrared
状態1において、入射光230aは、屈折率勾配240の中を透過する。入射光230aは、屈折率勾配240の中の透過する位置における屈折率に従って、屈折する。
In state 1, the incident light 230 a passes through the
屈折した入射光230aは、放射屈折光230cとしてプリズム210から放射され、光位置検出器220に入射する。状態1において、放射光230bが光位置検出器220に入射する位置を変位位置とする。
The refracted incident light 230 a is radiated from the
制御部250は、赤外光源部が赤外光を放射していない基準状態において、光位置検出器220で検出された放射光230bの入射位置と、赤外光源部が赤外光を放射している状態1において、光位置検出器220で検出された放射屈折光230cの入射位置との差に基づいて、生体表面40の糖の量を測定する。
In the reference state in which the infrared light source unit does not emit infrared light, the
上記の動作を人体中の糖によって吸収される波長λ1、λ2と、吸収されない波長λ3で行うことによって、ノイズの影響を取り除くことができ、より正確に血糖値を算出することが可能となる。 By performing the above operation at the wavelengths λ1 and λ2 absorbed by the sugar in the human body and the wavelength λ3 that is not absorbed, the influence of noise can be removed, and the blood sugar level can be calculated more accurately.
また、光位置検出器220としてプラズモンを用いる場合は、波長選択性があるため、波長λ1、λ2、λ3それぞれにおける変位位置を算出することが可能になるため、より高精度な血糖値測定が可能になる。
Further, when plasmon is used as the
図2は、実施の形態1〜6の携帯型の非侵襲の生体物質測定装置80の使用例を表わす図である。図2に示すように携帯型の非侵襲の生体物質測定装置80のヘッドを被験者の角質の薄い唇に接触させて被験者の生体内の血糖値を測定する。被測定部位は角質の薄い唇が望ましいが、これに限定されるものではなく、手のひらのような角質の厚い部位以外であればよい。たとえば、顔の頬、耳たぶ、または手の甲でも測定が可能である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a usage example of the portable non-invasive biological
(付記)
実施の形態1の生体物質測定装置(80)は、以下の特徴を備える。
(Appendix)
The biological material measuring apparatus (80) of the first embodiment has the following features.
(1)生体物質測定装置(80)は、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部(32)と、生体表面(40)と接触した状態で、赤外光源部(32)から放射された赤外光を透過させて、生体表面へ出射するプリズム(210)と、可視光域、あるいは近赤外領域の波長の光をプリズムへ放射する光源(200)と、プリズム(200)から出射される光源(200)からの光を検出することによって、光源(200)からの光の経路を検出する光位置検出器(220)とを備える。 (1) The biological material measuring device (80) is in contact with the biological light surface (40) and the infrared light source part (32) that emits infrared light in the whole or part of the absorption wavelength of the biological material. In this state, the infrared light emitted from the infrared light source unit (32) is transmitted, and the prism (210) that emits the infrared light to the surface of the living body and the light having a wavelength in the visible light region or near infrared region are emitted to the prism. And a light position detector (220) for detecting a light path from the light source (200) by detecting light from the light source (200) emitted from the prism (200). .
このような構成によって、光源(200)からの光の経路を検出することによって、生体表面に存在する生体物質の量を高精度に測定することができる。 By detecting the path of light from the light source (200) with such a configuration, the amount of biological material existing on the surface of the living body can be measured with high accuracy.
(2)生体表面(40)へ出射された赤外光は、生体表面(40)に存在する生体物質によって吸収され、吸収による吸収熱が発生することにより、プリズム(210)の内部に屈折率勾配(240)が生成される。 (2) The infrared light emitted to the biological surface (40) is absorbed by the biological material existing on the biological surface (40), and heat of absorption is generated by the absorption, so that the refractive index is generated inside the prism (210). A gradient (240) is generated.
このような構成によって、光源から放出された光が通過する経路に生体表面(40)に存在する生体物質に応じた屈折率勾配(240)を生成することができる。 With such a configuration, it is possible to generate a refractive index gradient (240) corresponding to the biological material existing on the biological surface (40) in the path through which the light emitted from the light source passes.
(3)光源(220)から放出された光は、生体物質の吸収熱によりプリズム(210)内に発生した屈折率勾配(240)の中を透過する。 (3) The light emitted from the light source (220) is transmitted through the refractive index gradient (240) generated in the prism (210) by the heat of absorption of the biological material.
このような構成によって、光源(220)から放出された光が、生体物質の量に応じた屈折率で屈折させることができる。 With such a configuration, the light emitted from the light source (220) can be refracted at a refractive index corresponding to the amount of the biological material.
(4)生体物質測定装置(80)は、赤外光源部(32)が赤外光を放射していないときに、光位置検出器(220)で検出された光源(200)から放出された光の入射位置と、赤外光源部(32)が赤外光を放射しているときに、光位置検出器(220)で検出された光源(200)から放出された光の入射位置との差に基づいて、生体物質の量を測定する制御部(250)を備える。 (4) The biological material measuring device (80) is emitted from the light source (200) detected by the optical position detector (220) when the infrared light source unit (32) does not emit infrared light. The incident position of light and the incident position of light emitted from the light source (200) detected by the optical position detector (220) when the infrared light source unit (32) is emitting infrared light. A control unit (250) that measures the amount of the biological material based on the difference is provided.
このような構成によって、赤外光源部(32)が赤外光を放射していないときと、赤外光源部(32)が赤外光を放射しているときの、光位置検出器(220)で検出された光源(200)から放出された光の入射位置の差に基づいて、生体物質の量を測定することができる。 With such a configuration, the optical position detector (220) when the infrared light source unit (32) does not emit infrared light and when the infrared light source unit (32) emits infrared light. The amount of the biological substance can be measured based on the difference in the incident position of the light emitted from the light source (200) detected in (1).
実施の形態2.
図3は、実施の形態2の携帯型の非侵襲の生体物質測定装置80の構成を表わす図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a portable non-invasive biological
非侵襲の生体物質測定装置80は、ATRプリズム20と、赤外光源部32と、赤外光検出器30と、制御部52と、ユーザインタフェース54とを備える。
The noninvasive biological
赤外光源部32は、少なくとも1つの赤外光源を備える。赤外光源部32は、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する。
The infrared
赤外光検出器30は、ATRプリズム20から出射された赤外光を検出する。
制御部52は、赤外光源部32、および赤外光検出器30を制御する。制御部52は、赤外光検出器30によって検出された赤外光の強度に基づいて、生体中の血糖値の濃度を算出する。
The infrared
The
ユーザインタフェース54は、ディスプレイ501、キーボード503、スピーカ504を含む。
The
非侵襲の生体物質測定装置80のヘッドには、ATRプリズム20が搭載されている。ATRプリズム20は、被験者の生体表面40に密着可能である。
The
図4は、糖の指紋スペクトルを示す図である。
図3に示すように、ATRプリズム20を被験者の生体表面40に密着させて生体物質測定装置80を起動すると、赤外光源部32から、図4に示すような糖の指紋スペクトルが含まれる波長範囲8.5μm〜10μmの全部の波長域、あるいはその一部の波長域の赤外光が放射される。
FIG. 4 is a diagram showing a fingerprint spectrum of sugar.
As shown in FIG. 3, when the biological
赤外光源部32から出射された入射赤外光11aは、ATRプリズム20の端面20cで反射し、伝搬赤外光11bとなる。伝搬赤外光11bは、生体表面40に接触したATRプリズム20の内部を、ATRプリズム20の端面20aおよび20bで全反射を繰り返しながら透過する。ATRプリズム20内を透過した伝搬赤外光11bは、ATRプリズム20の端面20dで反射し、放射赤外光11cとなる。放射赤外光11cの強度が赤外光検出器30によって検出される。
Incident
ATRプリズム20と生体表面40との界面である端面20aでは、エバネッセント光が発生する。このエバネッセント光が生体表面40内に侵入し、糖に吸収される。
Evanescent light is generated at the
生体表面40とATRプリズム20の屈折率差が小さいとエバネッセント光が大きくなる。伝搬赤外光11bが、端面20aで全反射するときにATRプリズム20から生体表面40側に染み出したエバネッセント光が生体表面40内の生体物質により吸収されることによって、端面20aで全反射した赤外光の強度が減衰する。よって、生体物質が多いとエバネッセント光がより多くの吸収を受けるため、全反射した赤外光の強度の減衰も大きくなる。
If the refractive index difference between the
皮膚は、表面付近の表皮と、表皮の下の真皮とによって構成される。表皮は、表面付近から順に角質層、顆粒層、有棘層、および基底層を含む。それぞれの厚みは、10μm、数μm、100μm、数μm程度である。基底層において細胞が生成されて、有棘層に細胞が積み上げられる。顆粒層では水分(組織間質液)が届かなくなるため細胞が死に絶える。角質層では、死んだ細胞が硬化した状態になっている。糖およびその他の生体物質は、表皮中の組織間質液中に存在している。組織間質液は、角質層から有棘層にかけて増加する。それゆえ、エバネッセント光の侵入長に応じて、全反射した赤外光の強度も変化する。ここで、侵入長は、侵入深さともいう。 The skin is composed of the epidermis near the surface and the dermis below the epidermis. The epidermis includes a stratum corneum, a granular layer, a spiny layer, and a basal layer in order from the vicinity of the surface. Each thickness is about 10 μm, several μm, 100 μm, and several μm. Cells are generated in the basal layer and stacked in the spiny layer. In the granular layer, moisture (tissue interstitial fluid) does not reach and the cells die. In the stratum corneum, dead cells are hardened. Sugars and other biological materials are present in tissue interstitial fluid in the epidermis. Tissue interstitial fluid increases from the stratum corneum to the spinous layer. Therefore, the intensity of the totally reflected infrared light changes according to the penetration length of the evanescent light. Here, the penetration length is also called penetration depth.
エバネッセント光は、界面から生体表面40の方向に指数関数的に減衰し、その侵入長は波長程度である。よって、ATRプリズム20を用いた分光では侵入長までの領域の生体物質の量について測定することができる。例えば、糖の指紋スペクトルは波長が8.5μm〜10μmなので、ATRプリズム20のプリズム面からこの程度の領域の糖の量を検出することができる。
The evanescent light attenuates exponentially from the interface toward the
図5は、実施の形態2の非侵襲の生体物質測定装置80のヘッドの構造を示す図である。このヘッドは、基板50、ATRプリズム20、赤外光源部32、および赤外光検出器30によって構成される。
FIG. 5 is a diagram showing the structure of the head of the noninvasive biological
ATRプリズム20は、直方体の一部が削られた形状を有する。ATRプリズム20の断面は、長方形の2つの頂角を一定角度で削った形状を有する。図5に示すよう頂角が削られた短い方の面が測定面として生体表面40に接触される。ATRプリズム20の端面20cの角度は、ATRプリズム20の端面20aおよび端面20bにおいて、ATRプリズム20内の伝搬赤外光11bが全反射するように設定される。また、ATRプリズム20の端面20dの角度は、放射赤外光11cが赤外光検出器30に垂直に入射されるように設定される。
The
赤外光源部32からの入射赤外光11aが入射する端面20cおよび赤外光検出器30へ放射赤外光11cが出射する端面20dは、無反射コーティングが施されている。あるいは、赤外光源部32からの入射赤外光11aをp偏光(基板50に対して偏光が平行)にして、入射/出射角がブリュスター角になるように入射面である端面20cおよび出射面である端面20dが削られているものとしてもよい。
The
ATRプリズム20の材料として、中赤外領域で透明であり、かつ屈折率が比較的小さな硫化亜鉛(ZnS)の単結晶を用いることができる。なお、ATRプリズム20の材料は、硫化亜鉛(ZnS)の単結晶に限定されず、セレン化亜鉛(ZnSe)のような公知の材料であってもよい。ATRプリズム20の皮膚との接触面である端面20aには、人体に害を与えないようにSiO2やSiNなどの薄膜がコーティングされている。
As a material of the
実施の形態2では、赤外光源部32として、たとえば量子カスケードレーザモジュールが用いられる。量子カスケードレーザは、単一の光源であり、出力が大きく、SN比(Signal-to-Noise ratio)が高いため、高精度な測定が可能となる。量子カスケードレーザモジュールには、ビームをコリメートするためのレンズが搭載される。量子カスケードレーザは、糖の指紋スペクトルが存在する波長範囲8.5μm〜10μmの全ての波長域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する。
In the second embodiment, for example, a quantum cascade laser module is used as the infrared
測定精度を向上させるため、複数の波長で測定することができるように波長可変レーザを用いることができる。しかしながら、波長可変レーザは、外部共振器で構成されているため、サイズが大きく、かつ複雑な構造のためでコストが高いという問題がある。 In order to improve measurement accuracy, a wavelength tunable laser can be used so that measurement can be performed at a plurality of wavelengths. However, since the wavelength tunable laser is composed of an external resonator, there is a problem that the size is large and the cost is high due to a complicated structure.
図6は、実施の形態2の赤外光源部32の出力光のスペクトルを示す図である。
赤外光源部32は、図6に示すような糖の指紋スペクトルの波長を含む波長範囲8.5μm〜10μmの全ての波長域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する。具体的には、既に述べたように、赤外光源部32として、波長可変レーザではない、広帯域の量子カスケードレーザが用いられる。
FIG. 6 is a diagram illustrating a spectrum of output light from the infrared
The infrared
広帯域の量子カスケードレーザ以外に、赤外光源部32としてフィラメントに電流を流して加熱するタイプの熱光源を用いられてもよい。この場合、印加する電流の量によって温度が制御可能であるため黒体放射に従った広帯域な赤外線が放射される。
In addition to the broadband quantum cascade laser, a thermal light source of the type that heats the filament by passing a current may be used as the infrared
あるいは、赤外光源部32として、フィラメントではなく、加熱部に周期パターンを設けたプラズモンまたはメタマテリアル光源を用いてもよい。この場合、放射波長域は、表面構造で規定されるため不要な放射が抑制されるので、赤外光源部32は、高効率な光源となる。
Alternatively, as the infrared
図6には、比較のため、図4に示した糖の指紋スペクトルが点線で示される。図6に示すような幅広い波長域にわたる光として、自然放射増幅光が用いられる。したがって、赤外光源部32として、高価な波長可変レーザを用いる必要がないため、赤外光源部32を小型で低コストの光源とすることができる。
In FIG. 6, the fingerprint spectrum of the sugar shown in FIG. 4 is indicated by a dotted line for comparison. Spontaneous radiation amplified light is used as light over a wide wavelength range as shown in FIG. Therefore, since it is not necessary to use an expensive wavelength tunable laser as the infrared
ATRプリズム20から放射された放射赤外光11cのうち少なくとも1つの波長の光が、赤外光検出器30によって検出される。これによって、少なくとも1つの吸収波長に対応する少なくとも1つの生体物質の量を測定することができる。赤外光検出器30の受光部表面において、プラズモン共鳴が生じることによって、少なくとも1つの波長の赤外光が吸収される。吸収された波長のうち少なくとも1つが、生体物質の吸収波長に相当する。
At least one wavelength of the radiated
図7は、赤外光検出器30に含まれるセンサアレイ1000の模式図である。センサアレイ1000は、それぞれ異なる波長の光を検出する非冷却赤外線センサ(以下、センサ画素ともいう)110,120,130,140によって構成される。
FIG. 7 is a schematic diagram of a
センサ画素110,120,130,140は、例えば受光部表面にプラズモン共鳴を利用した波長選択型の吸収体を含む。このような構造によって、選択した波長の赤外光を検出することができる。選択された波長の赤外光のみを検出する非冷却赤外線センサのアレイを含む赤外光検出器30を用いることによって、複数の波長の測定を同時に行えるため、短時間での測定が可能となる。
The
また、後述するように、プラズモン共鳴を利用することによって、分光フィルタが不要となるため、赤外光検出器30の構成が簡易化され、低コスト化が可能である。また、赤外波長域では、分光フィルタ自体の熱放射があるため波長選択性が低下することになるが、分光フィルタを用いずに、受光部にプラズモン構造を用いることによって波長選択性が向上する。その結果、血糖値の分析など極微量な成分を検出するための高感度化が達成できる。
Further, as will be described later, the use of plasmon resonance eliminates the need for a spectral filter, thereby simplifying the configuration of the infrared
量子カスケードレーザとプラズモンを同時に用いる場合は、測定波長の選択性が確実になるため、グルコースの吸収ピーク波長以外の黒体輻射成分を除去できる。その結果、SN比を向上する。また、リファレンスとする波長には、量子カスケードレーザを必ずしも用いる必要はないため、ブロードな光源とプラズモンで波長選択が可能になる。その結果、低コスト化を実現できる。 When the quantum cascade laser and the plasmon are used at the same time, the selectivity of the measurement wavelength is ensured, so that black body radiation components other than the absorption peak wavelength of glucose can be removed. As a result, the SN ratio is improved. In addition, since it is not always necessary to use a quantum cascade laser as a reference wavelength, wavelength selection is possible with a broad light source and plasmon. As a result, cost reduction can be realized.
さらに、回折格子を設置する場合は、波長分解能を上げる必要性が生じるので、赤外光検出器と回折格子とを離して配置する必要があるが、プラズモンを受光部に用いることによって、回折格子、およびミラーの光学部品が不要になる。その結果、生体物質測定装置の小型化が実現できる。 Furthermore, when installing a diffraction grating, it is necessary to increase the wavelength resolution, so it is necessary to place the infrared light detector and the diffraction grating apart, but by using plasmons in the light receiving section, the diffraction grating And optical components of the mirror are not necessary. As a result, downsizing of the biological material measuring device can be realized.
糖の指紋スペクトルが存在する波長範囲8.5μm〜10μmのうち、測定に使用する波長を例えばλ1,λ2,λ3、λ4とする。上述のように、赤外光源部32から放射された放射赤外光11cは、ATRプリズム20内を全反射を繰り返しながら透過する。その際に波長λ1,λ2,λ3の光は、人体中の糖により吸収され、赤外光検出器30に到達するまでにその強度は減衰する。よって、λ1,λ2,λ3の波長の光を赤外光検出器30で測定できれば、人体中の血糖値を測定することが可能になる。また、参照波長として糖による吸収されない波長λ4の赤外光を用いる。
Of the wavelength range 8.5 μm to 10 μm where the sugar fingerprint spectrum exists, the wavelengths used for measurement are, for example, λ1, λ2, λ3, and λ4. As described above, the radiated
赤外光検出器30のセンサ画素110,120,130,140が、λ1,λ2,λ3、λ4の波長の赤外光を検出する。
The
波長λ1,λ2,λ3の赤外光は、糖だけでなく、水およびその他生体物質によって吸収される。一方、波長λ4の赤外光は、糖には吸収されずに、水およびその他生体物質によって吸収される。したがって、検出されたλ1,λ2,λ3の波長の赤外光の強度は、それぞれ、波長λ4の赤外光の強度を用いて、補正されることによって、測定精度を向上させることができる。 Infrared light having wavelengths λ1, λ2, and λ3 is absorbed not only by sugar but also by water and other biological materials. On the other hand, infrared light having a wavelength λ4 is not absorbed by sugar but is absorbed by water and other biological substances. Therefore, the intensity of the detected infrared light having the wavelengths λ1, λ2, and λ3 is corrected by using the intensity of the infrared light having the wavelength λ4, respectively, thereby improving the measurement accuracy.
外部の背景および人体からの放射される赤外線も赤外光検出器30に入射することがある。波長λ1,λ2,λ3を互いに非常に近い値に設定することによって、背景および人体から放射される赤外線の影響がほぼ等しくなるので、ノイズの影響を最小限にすることができる。
Infrared radiation emitted from the external background and human body may also enter the
このノイズを除外するために、放射赤外光11cをチョッパーを用いて特定の周波数でチョッピングしても良い。さらに、赤外光源部32自体をパルス駆動させて、その周波数を用いてチョッピングすることによって検出感度を上げることもできる。さらに、センサ画素110,120,130,140からの出力信号を、チョッピング周波数でフーリエ変換することによってノイズを低減した出力が得られるものとしてもよい。
In order to exclude this noise, the radiant infrared light 11c may be chopped at a specific frequency using a chopper. Further, the detection sensitivity can be increased by pulsing the infrared
さらに、検出する波長を増やす場合は、センサ画素を追加すればよい。センサ画素の表面周期構造のみを制御することによって、検出波長を調整することができるような場合には、アレイ化した画素の数だけの波長を検出することができる。 Furthermore, when increasing the wavelength to be detected, a sensor pixel may be added. When the detection wavelength can be adjusted by controlling only the surface periodic structure of the sensor pixel, it is possible to detect as many wavelengths as the number of the arrayed pixels.
以下、赤外光検出器30の具体例について説明する。
赤外光検出器30のセンサ画素に用いられる熱型の赤外性センサである非冷却赤外線センサの方式には、焦電型、ボロメータ、サーモパイル、またはSOI(silicon on insulator)型ダイオードなどがある。方式が異なっても、プラズモン共鳴をセンサの受光部つまり吸収体に用いることによって波長選択が可能になる。よって、本実施の形態は、非冷却赤外線センサの方式によらず、いずれの方式でも赤外光検出器30の検出方式として用いることができる。
Hereinafter, a specific example of the infrared
As a method of an uncooled infrared sensor which is a thermal infrared sensor used for a sensor pixel of the infrared
図8は、実施の形態2の非侵襲の生体物質測定装置80の動作手順を表わすフローチャートである。
FIG. 8 is a flowchart showing an operation procedure of the noninvasive biological
ステップS101において、制御部52は、キーボード503を通じて、測定開始を指示したか否かを判断する。ユーザが測定開始を指示した場合は、処理がステップS102に進む。
In step S <b> 101, the
ステップS102において、制御部52は、「測定を開始します」などのメッセージ音声をスピーカ504から出力することによって、血糖値の測定開始をユーザに伝える。
In step S <b> 102, the
ステップS107において、制御部52は、血糖値の測定を開始する。
ステップS108において、制御部52は、血糖値の測定が完了したかどうかを判定する。完了した場合は、処理がステップS109に進む。
In step S107, the
In step S108, the
ステップS109において、制御部52は、「測定が完了しました」などのメッセージ音声をスピーカ504から出力する。
In step S <b> 109, the
ステップS110において、制御部52は、測定された赤外光の強度に基づいて、血糖値を算出する。
In step S110, the
ステップS111において、制御部52は、算出された血糖値をディスプレイ501に表示する。
In step S111, the
(付記)
実施の形態2の生体物質測定装置(80)は、以下の特徴を備える。
(Appendix)
The biological material measurement device (80) of the second embodiment includes the following features.
(5)生体物質測定装置(80)は、生体表面(40)に密着させることが可能なATRプリズム(20)と、ATRプリズム(20)へ、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部(32)と、ATRプリズム(20)から出射された少なくとも1つの波長の赤外光を検出する赤外光検出器(30)とを備える。 (5) The biological material measuring device (80) includes an ATR prism (20) that can be brought into close contact with the biological surface (40), and an ATR prism (20) to the whole or a part of the absorption wavelength of the biological material. An infrared light source unit (32) that emits infrared light in a wavelength range and an infrared light detector (30) that detects infrared light of at least one wavelength emitted from the ATR prism (20).
このような構成によって、少なくとも1つの吸収波長に対応する少なくとも1つの生体物質の量を測定することができる。 With such a configuration, the amount of at least one biological material corresponding to at least one absorption wavelength can be measured.
(6)赤外光源部(32)は、赤外光検出器(30)が検出可能な波長域の赤外光を放射する単一の光源である。 (6) The infrared light source unit (32) is a single light source that emits infrared light in a wavelength region that can be detected by the infrared light detector (30).
このような構成によって、赤外光の大きさを大きく、かつSN比を高くすることができるため、高精度な測定が可能となる。 With such a configuration, the size of the infrared light can be increased and the SN ratio can be increased, so that highly accurate measurement is possible.
(7)赤外光検出器(30)の受光部表面において、プラズモン共鳴が生じることによって、少なくとも1つの波長の赤外光が吸収され、吸収された波長のうち少なくとも一つが、生体物質の吸収波長に相当する。 (7) When plasmon resonance occurs on the surface of the light receiving portion of the infrared light detector (30), infrared light of at least one wavelength is absorbed, and at least one of the absorbed wavelengths is absorbed by the biological material. Corresponds to wavelength.
このような構成によって、選択した波長の赤外光を検出することができるので、選択した波長を吸収する生体物質の量を測定することができる。 With such a configuration, infrared light having a selected wavelength can be detected, and thus the amount of biological material that absorbs the selected wavelength can be measured.
実施の形態3.
実施の形態2との相違点について説明する。
Differences from the second embodiment will be described.
図9は、実施の形態3の赤外光検出器30の構成を表わす図である。
赤外光検出器30は、集積波長選択型赤外センサである。赤外光検出器30は、センサアレイ1000と、検出回路1010とを備える。
FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration of the infrared
The infrared
センサアレイ1000は、行列状に配置された9×6個の画素(半導体光素子)100を備える。基板1の上に9×6個の半導体光素子100がX軸およびY軸方向にマトリックス状(アレイ状)に配置されている。Z軸に平行な方向から光が入射する。すなわち、赤外光検出器30は、ATRプリズム20から出射された赤外光を垂直に受ける。
The
検出回路1010は、センサアレイ1000の周囲に設けられる。検出回路1010は、半導体光素子100が検出した信号を処理することによって、画像を検出する。検出回路1010は、検出波長が少ない場合は画像を検出する必要が無く、各素子からの出力を検出すれば良い。
The
以下では、半導体光素子100の一例として、熱型の赤外線センサを用いて説明する。
図10は、実施の形態3の半導体光素子100の上面図である。図10に示すように、半導体光素子100は、受光部である吸収体10を含む。
Hereinafter, a thermal infrared sensor will be used as an example of the semiconductor
FIG. 10 is a top view of the semiconductor
図11は、吸収体10を省略した実施の形態3の半導体光素子100の上面図である。図11では、明確化のために配線上の保護膜および反射膜は省略してある。図12は、図11の半導体光素子100をIII−III方向に見た場合の断面図(吸収体10等を含む)である。図13は、実施の形態3の半導体光素子100に含まれる吸収体10を表わす図である。
FIG. 11 is a top view of the semiconductor
図12に示すように、半導体光素子100は、たとえば、シリコンからなる基板1を含む。基板1には中空部2が設けられる。中空部2の上には、温度を検知する温度検知部4が配置される、温度検知部4は、2本の支持脚3によって支持されている。支持脚3は、図11に示すように、上方から見るとL字型に折れ曲がったブリッジ形状を有する。支持脚3は、薄膜金属配線6と、薄膜金属配線6を支える誘電体膜16とを含む。
As shown in FIG. 12, the semiconductor
温度検知部4は、検知膜5と、薄膜金属配線6とを含む。検知膜5は、たとえば、結晶シリコンを用いたダイオードからなる。薄膜金属配線6は、支持脚3にも設けられ、絶縁膜12で覆われたアルミニウム配線7と検知膜5とを電気的に接続している。薄膜金属配線6は、例えば、厚さ100nmのチタン合金からなる。検知膜5が出力した電気信号は、支持脚3に形成された薄膜金属配線6を経由してアルミニウム配線7に伝わり、図9の検出回路1010によって取り出される。薄膜金属配線6と検知膜5との間の電気的接続、および薄膜金属配線6とアルミニウム配線7との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体(図示せず)を介して行っても良い。
The temperature detection unit 4 includes a detection film 5 and a thin
赤外線を反射する反射膜8は、中空部2を覆うように配置されている。ただし、反射膜8と温度検知部4とは熱的に接続されない状態で、支持脚3の少なくとも一部の上方を覆うように配置されている。
The
温度検知部4の上方には、図12に示すように、支持柱9が設けられている。支持柱9の上に吸収体10が支持されている。つまり、吸収体10は、温度検知部4と支持柱9とによって接続されている。吸収体10は、温度検知部4と熱的に接続されているので、吸収体10で生じた温度変化が温度検知部4に伝わる。
A
一方、吸収体10は、反射膜8とは熱的に接続されない状態で、反射膜8よりも上方に配置される。吸収体10は、反射膜8の少なくとも一部を覆い隠すように側方に板状に広がっている。そのため、半導体光素子100を上方から見ると、図10に示すように、吸収体10のみが見える。他の様態として、吸収体10が温度検知部4の直上に直接形成されていても良い。
On the other hand, the
本実施の形態では、吸収体10の表面には、図12に示すように、ある波長の光の選択的に吸収する波長選択構造部11が設けられている。吸収体10の裏面、つまり支持柱9側には、裏面からの光の吸収を防止する吸収防止膜13が設けられている。このように構成によって、吸収体10では、ある波長の光を選択的に吸収することができる。波長選択構造部11においても光の吸収が生じる場合があるので、本実施の形態では、吸収体10が、波長選択構造部11を含むものとする。
In the present embodiment, as shown in FIG. 12, a wavelength
次に、波長選択構造部11が表面プラズモンを利用する場合の構造について説明する。光の入射面に金属による周期構造を設けると、表面周期構造に応じた波長で表面プラズモンが生じ、光の吸収が生じる。したがって、吸収体10の表面を金属で形成し、入射光の波長、入射角度、および金属表面の周期構造によって吸収体10の波長選択性を制御することができる。
Next, a structure in the case where the wavelength
本実施の形態では、金属膜の内部の自由電子が寄与する現象と、周期構造による表面モードの生成とについて、吸収の観点からは同義とみなし、両者を区別すること無く、両者を表面プラズモン、表面プラズモン共鳴、共鳴、疑似表面プラズモン、またはメタマテリアルと呼ぶ。本実施の形態の構成は、赤外光以外の波長域、例えば可視、近赤外、THz領域の波長の光においても有効である。 In the present embodiment, the phenomenon contributed by free electrons inside the metal film and the generation of the surface mode by the periodic structure are considered to be synonymous from the viewpoint of absorption, and without distinguishing both, surface plasmon, Called surface plasmon resonance, resonance, pseudo-surface plasmon, or metamaterial. The configuration of the present embodiment is also effective for light in a wavelength region other than infrared light, for example, in the visible, near infrared, and THz wavelength.
図13に示すように、吸収体10の表面に設けられるある波長の光の吸収を選択的に増加する波長選択構造部11は、金属膜42と、本体43と、凹部45とによって構成される。
As shown in FIG. 13, the wavelength
受光部である吸収体10の最表面に設けられる金属膜42の種類は、Au、Ag、Cu、Al、Ni、またはMoなどの表面プラズモン共鳴を生じやすい金属から選択される。あるいは、金属膜42の種類は、TiN等の金属窒化物、金属ホウ化物、または金属炭化物などのプラズモン共鳴を生じる材料であっても良い。吸収体10の最表面の金属膜42の膜厚は、入射赤外光が透過しない厚さであれば良い。このような膜厚であれば、吸収体10の最表面における表面プラズモン共鳴のみが電磁波の吸収および放射に影響し、金属膜42の下の材料は吸収等に光学的な影響を与えないからである。
The type of the
μを金属膜42の透磁率、σを金属膜42電気伝導率、ωを入射光の角振動数としたときに、表皮効果の厚さ(skin depth)δ1は以下の式で表される。
When μ is the magnetic permeability of the
δ1=(2/μσω)1/2・・・(1)
たとえば、吸収体10の表面の金属膜42の膜厚δが、δ1の少なくとも2倍の厚さ、すなわち数10nmから数100nm程度であれば、吸収体10の下部への入射光の漏れ出しは充分に小さくできる。
δ1 = (2 / μσω) 1/2 (1)
For example, if the film thickness δ of the
たとえば、金と酸化シリコン(SiO2)の熱容量を比較すると、酸化シリコンの方が、熱容量が小さい。よって、酸化シリコンの本体43、および金の金属膜42の表面からなる吸収体は、金のみからなる吸収体に比べて熱容量を小さくすることができるので、応答を速くすることができる。
For example, comparing the heat capacities of gold and silicon oxide (SiO2), silicon oxide has a smaller heat capacity. Therefore, the absorber made of the surface of the silicon oxide
次に、吸収体10の作製方法について説明する。
誘電体あるいは半導体からなる本体43の表面側に対してフォトリソグラフィとドライエッチングとを用いて周期構造を形成した後に、金属膜42をスパッタ等で形成する。次に、裏面についても同様に、周期構造を作製した後に金属膜42を形成する。
Next, the manufacturing method of the
After a periodic structure is formed on the surface side of the
凹部45の直径は数μm程度と小さいため、金属膜42を直接エッチングして凹部を形成するよりも、本体43をエッチングして凹部を形成した後に金属膜42を形成する方が、製造工程が容易となる。金属膜42にはAuまたはAgのような高価な材料が使用されるため、誘電体または半導体の本体43を用いることによって金属の使用量を減らして、コストを低減することができる。
Since the diameter of the
次に、図13を参照しながら、吸収体10の特性について説明する。直径d=4μm、深さh=1.5μmの円柱形の凹部45が、周期p=8μmで正方格子状に配置されたものとする。この場合、吸収波長は約8μmとなる。あるいは、直径d=4μm、深さh=1.5μmの円柱形の凹部45が、周期p=8.5μmで正方格子状に配置されたものとする。この場合、吸収波長は、ほぼ約8.5μmとなる。
Next, the characteristics of the
吸収体10が2次元周期構造であれば、凹部45が正方格子状に配置されていても、三角格子状に配置されていても、入射光の吸収波長および放射波長と、凹部45の周期との関係は、ほぼ同じである。すなわち、吸収波長および放射波長は、凹部45の周期によって決定される。周期構造の逆格子ベクトルを考慮すれば、理論的には、正方格子配置においては、吸収および放射波長が周期とほぼ等しいのに対して、三角格子配置では、吸収および放射波長は、周期×√3/2となる。しかしながら、実際には、凹部45の直径dによって吸収および放射波長はわずかに変化するため、どちらの周期構造においても、ほぼ周期と等しい波長が吸収あるいは放射されると考えられる。
If the
したがって、吸収される赤外光の波長は、凹部45の周期によって制御できる。凹部45の直径dは、一般に周期pの1/2以上であることが望ましい。凹部45の直径dが周期pの1/2よりも小さい場合は、共鳴効果が小さくなり、吸収率は低下する傾向にある。ただし、共鳴は、凹部45内の三次元的な共鳴であるため、直径dが周期pの1/2より小さくても十分な吸収が得られる場合もあるので、周期pに対する直径dの値は、適宜、個別に設計される。重要なのは、吸収波長が主に周期pによって制御されることである。直径dが周期pに対してある値以上であれば、吸収体10は、十分な吸収特性を有するため、設計に幅をもたせることができる。一方、表面プラズモンの分散関係の一般式を参照すれば、吸収される光は、凹部45の深さhには無関係であり、周期pにのみ依存する。よって、図13に示す凹部45の深さhには、吸収波長および放射波長は依存しない。
Therefore, the wavelength of the absorbed infrared light can be controlled by the period of the
上記では、凹部45が周期的に配置された吸収体について説明したが、凸部45aが周期的に配置された構造としても同様の効果がある。
In the above description, the absorbent body in which the
これらの凹凸構造を有する吸収体10の吸収は、垂直入射の場合が最大となる。吸収体10への入射角度が垂直入射からずれた場合、吸収波長も変化する。よって、ATRプリズム20から出射された赤外光が受光部である吸収体10の表面に垂直に照射されるように、赤外光検出器30が配置される。
The absorption of the
(付記)
実施の形態3の生体物質測定装置(80)は、以下の特徴を備える。
(Appendix)
The biological material measurement apparatus (80) of
(8)赤外光検出器(30)の受光部の表面に周期的に凹部(45)または凸部(45b)が形成され、受光部の最表面が表面プラズモン共鳴を生じる材料である。 (8) Concave portions (45) or convex portions (45b) are periodically formed on the surface of the light receiving portion of the infrared light detector (30), and the outermost surface of the light receiving portion is a material that causes surface plasmon resonance.
このような構成によって、赤外光検出器(30)は、波長選択性を有する。
(9)赤外光検出器(30)の受光部の表面の凹部(45)または凸部(45b)の周期が、生体物質の吸収波長に相当する。
With such a configuration, the infrared light detector (30) has wavelength selectivity.
(9) The period of the concave portion (45) or the convex portion (45b) on the surface of the light receiving portion of the infrared light detector (30) corresponds to the absorption wavelength of the biological material.
このような構成によって、凹部(45)または凸部(45b)の周期を変えることによって、測定する生体物質を変えることができる。 With such a configuration, the biological material to be measured can be changed by changing the period of the concave portion (45) or the convex portion (45b).
(10)赤外光検出器(30)の受光部の表面に、ATRプリズム(20)から出射された赤外光が垂直に入射する。 (10) The infrared light emitted from the ATR prism (20) is perpendicularly incident on the surface of the light receiving portion of the infrared light detector (30).
このような構成によって、赤外光検出器(30)における赤外光の吸収を最大にすることができる。 With such a configuration, absorption of infrared light in the infrared light detector (30) can be maximized.
実施の形態4.
実施の形態3との相違点について説明する。
Embodiment 4 FIG.
Differences from the third embodiment will be described.
実施の形態4では、赤外光源部32として糖の指紋スペクトルが存在する波長範囲8.5μm〜10μmのうちの1つあるいは複数の信号用の波長と、その波長範囲から少しずれた参照用の波長とで発振する量子カスケードレーザが用いられる。
In the fourth embodiment, the wavelength of one or a plurality of signals in the wavelength range of 8.5 μm to 10 μm where the sugar fingerprint spectrum exists as the infrared
本実施の形態の量子レーザモジュールには、波長を安定させるためのペルチェ素子、およびビームをコリメートするためのレンズが搭載される。その他の構成は実施の形態3と同様であるため繰り返さない。 The quantum laser module of the present embodiment is equipped with a Peltier element for stabilizing the wavelength and a lens for collimating the beam. Other configurations are the same as those in the third embodiment, and thus will not be repeated.
血糖値の測定時に、生体表面40からの輻射がノイズとして検出されるため、測定精度が低下してしまう。
Since the radiation from the living
本実施の形態では、量子カスケードレーザで使用する波長が適切なものに設定され、赤外光検出器30が生体からの輻射スペクトルを除去するために用いられる。これにより、生体からの輻射を除いた高精度の測定が可能となる。
In this embodiment, the wavelength used in the quantum cascade laser is set to an appropriate one, and the infrared
実施の形態5.
実施の形態2との相違点について説明する。
Embodiment 5 FIG.
Differences from the second embodiment will be described.
図14は、実施の形態5の赤外光源部32の構成を表わす図である。図15は、実施の形態5の赤外光源部32の出力光のスペクトルを示す図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating the configuration of the infrared
赤外光源部32は、単一波長光源71a,71b,71c,71dを有する。単一波長光源71a,71b,71c,71dは、図15に示すように、それぞれ単一波長A,B,C,Dの赤外光を出力する。単一波長A,B,C,Dは、赤外光検出器30が検出可能な波長域に含まれる。
The infrared
本実施の形態では、赤外光検出器30は、生体からの輻射スペクトルを検出しないが、広範囲の波長の赤外光を検出することができる(つまり、波長選択性を有しない)ものとすることができる。
In the present embodiment, the infrared
たとえば、単一波長光源71a,71b,71c,71dが、それぞれ異なるタイミングで赤外光を出力し、波長選択性を有しない赤外光検出器30が、それぞれの赤外光を受信するものとすることができる。
For example, the single
(付記)
実施の形態5の生体物質測定装置(80)は、以下の特徴を備える。
(Appendix)
The biological material measurement device (80) of the fifth embodiment has the following features.
(11)生体物質測定装置(80)は、生体表面(40)に密着させることが可能なATRプリズム(20)と、ATRプリズムへ、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部(32)と、ATRプリズム(20)から出射された赤外光を検出する赤外光検出器(30)とを備える。赤外光源部(32)は、各々が、赤外光検出器(32)が検出可能な波長域に含まれる単一波長の赤外光を放射する複数の光源(71a、71b、71c、71d)である。 (11) The biological material measuring device (80) includes an ATR prism (20) that can be brought into close contact with the biological surface (40), and an ATR prism that has an entire absorption wavelength or a partial wavelength region of the biological material. An infrared light source unit (32) that emits infrared light and an infrared light detector (30) that detects infrared light emitted from the ATR prism (20) are provided. The infrared light source unit (32) includes a plurality of light sources (71a, 71b, 71c, 71d) each emitting infrared light having a single wavelength included in a wavelength range detectable by the infrared light detector (32). ).
このような構成によって、複数の光源が異なるタイミングで赤外光を出力する場合に、波長選択性を有しない赤外光検出器(30)が、複数の光源の赤外光を受信することができる。 With such a configuration, when the plurality of light sources output infrared light at different timings, the infrared light detector (30) having no wavelength selectivity may receive the infrared light of the plurality of light sources. it can.
実施の形態6.
実施の形態2との相違点について説明する。
Differences from the second embodiment will be described.
図16は、実施の形態6の波長選択構造部11の上面図である。図17は、図16の波長選択構造部11をV−V方向に見た場合の断面図である。
FIG. 16 is a top view of the wavelength
この波長選択構造部11は、金属層14と、金属層14の上の中間層18と、中間層18の上の金属パッチ17とを備える。
The wavelength
金属層14は、たとえば、アルミニウム、または金などからなる。
中間層18は、酸化シリコンなどの絶縁体、誘電体、またはシリコン、ゲルマニウムなどの半導体からなる。中間層18の材料を選択することにより、検出波長、検出波長の数、および検出波長の帯域を制御できる。
The
The
金属パッチ17は、たとえば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、または金属以外のグラフェンによって形成される。金属パッチ17をグラフェンによって形成した場合、膜厚が1原子層まで薄くできるため、熱時定数を小さくでき、高速動作が可能となる。あるいは、金属パッチ17の材料は、前述のように表面プラズモン共鳴を生じる材料としてもよい。
The
金属パッチ17の大きさ(図16のx、y方向の寸法)によって、プラズモン共鳴を生じる波長を制御することができる。このため、金属パッチ17の大きさを変えることにより、吸収波長を選択できる。したがって、吸収体10によって吸収される波長が、測定対象の生体物質の吸収波長に一致するように、金属パッチ17の大きさが定められる。たとえば、図16に示すように、金属パッチ17が正方形の場合、一辺の長さが3μmであれば、吸収波長は7.5μm程度となり、一辺の長さが3.5μmであれば、吸収波長は、8.8μm程度となる。この場合、金属パッチ17の周期は、吸収波長よりも大きく、かつ金属パッチ17の一辺よりも大きくなるように定められる。これによって、金属パッチ17の周期は、吸収波長にほぼ影響を及ぼさなくすることができる。
The wavelength at which plasmon resonance occurs can be controlled by the size of the metal patch 17 (dimensions in the x and y directions in FIG. 16). For this reason, the absorption wavelength can be selected by changing the size of the
本実施の形態の吸収体を用いることによって、画素の小型化が可能になるため、アレイ化した場合に赤外光検出器30の面積を縮小することができる。
By using the absorber according to the present embodiment, it is possible to reduce the size of the pixel, so that the area of the infrared
また、本実施の形態の波長選択構造部11の吸収構造は、入射角度依存性が無く、入射角度を変化させても吸収波長が変わらない。同様に、金属パッチ17が対称形状、2次元周期構造の場合は、偏光依存性も無い。よって、赤外光検出器30の設置角度について許容範囲が広くなる。携帯型の生体物質測定装置の場合、赤外光検出器30のずれが懸念されるため、本実施の形態の吸収構造を用いることによって、携帯性に優れるといった顕著な効果がある。
Further, the absorption structure of the wavelength
図16では、金属パッチ17が、所定の周期でマトリックス状(2次元)に配置されているが、1次元に配置されてもよい。この場合は、偏光依存性が生じるが、赤外光源部32の偏光に配置の方向を合わせることによって、迷光を除去することができる。よって、SN比が改善され、より精度の高い血糖値の測定が可能になる。
In FIG. 16, the
(付記)
実施の形態6の生体物質測定装置(80)は、以下の特徴を備える。
(Appendix)
The biological material measurement device (80) of the sixth embodiment has the following features.
(12)赤外光検出器(30)の受光部の表面が、内部から順に金属薄膜(14)、絶縁膜(18)、金属パッチ(17)が積層されることによって形成され、金属パッチ(17)のサイズに応じて、生体物質の吸収波長が制御可能である。 (12) The surface of the light receiving portion of the infrared light detector (30) is formed by laminating a metal thin film (14), an insulating film (18), and a metal patch (17) in this order from the inside. The absorption wavelength of the biological material can be controlled according to the size of 17).
このような構成によって、金属パッチ(17)のサイズを変えることによって、測定対象とする生体物質を変えることができる。 With such a configuration, the biological material to be measured can be changed by changing the size of the metal patch (17).
(13)金属パッチ(17)が配列されている周期が、生体物質の吸収波長よりも長く、かつ金属パッチ(17)の一辺よりも大きい。 (13) The period in which the metal patch (17) is arranged is longer than the absorption wavelength of the biological material and larger than one side of the metal patch (17).
このような構成によって、金属パッチ(17)の周期は、吸収波長にほぼ影響を及ぼさなくすることができる。 With such a configuration, the period of the metal patch (17) can be made substantially unaffected by the absorption wavelength.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1,50 基板、2 中空部、3 支持脚、4 温度検知部、5 検知膜、6 薄膜金属配線、7 アルミニウム配線、8 反射膜、9 支持膜、10 吸収体、11 波長選択構造部、11a 入射赤外光、11b 伝搬赤外光、11c 放射赤外光、12 絶縁膜、13 吸収防止膜、14 金属層、16 誘電体膜、17 金属パッチ、18 中間層、20 ATRプリズム、20a,20b,20c,20d ATRプリズム端面、30 赤外光検出器、32 赤外光源部、40 生体表面、42 金属膜、43 本体、45 凹部、52,250 制御部、54 ユーザインタフェース、71a,71b,71c,71d 単一波長光源、80 生体物質測定装置、100 半導体光素子、110,120,130,140 非冷却赤外線センサ、1000 センサアレイ、1010 検出回路、200 光源、210 プリズム、220 光位置検出器、230 プリズム、230a 入射光、230b 放射光、230c 放射屈折光、240 屈折率勾配。
1,50 substrate, 2 hollow part, 3 support leg, 4 temperature detection part, 5 detection film, 6 thin film metal wiring, 7 aluminum wiring, 8 reflective film, 9 support film, 10 absorber, 11 wavelength selection structure part, 11a Incident infrared light, 11b Propagating infrared light, 11c Radiant infrared light, 12 Insulating film, 13 Absorption prevention film, 14 Metal layer, 16 Dielectric film, 17 Metal patch, 18 Intermediate layer, 20 ATR prism, 20a,
Claims (8)
前記ATRプリズムへ、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部と、
前記ATRプリズムから出射された少なくとも1つの波長の赤外光を検出する赤外光検出器とを備え、
前記赤外光検出器の受光部表面において、プラズモン共鳴を生じることによって、少なくとも1つの波長の赤外光が吸収され、前記吸収された波長のうち少なくとも一つが、前記生体物質の吸収波長に相当する、生体物質測定装置。 An ATR prism that can be brought into close contact with the surface of a living body;
An infrared light source unit that emits infrared light in the whole or part of the absorption wavelength of the biological material to the ATR prism;
An infrared light detector for detecting infrared light of at least one wavelength emitted from the ATR prism;
At least one wavelength of infrared light is absorbed by generating plasmon resonance on the light receiving surface of the infrared light detector, and at least one of the absorbed wavelengths corresponds to an absorption wavelength of the biological material. A biological material measuring device.
前記金属パッチのサイズに応じて、前記生体物質の吸収波長が制御可能である、請求項4または5に記載の生体物質測定装置。 The surface of the light receiving portion of the infrared light detector is formed by laminating a metal thin film, an insulating film, and a metal patch sequentially from the inside,
The biological material measuring device according to claim 4 or 5, wherein an absorption wavelength of the biological material can be controlled according to a size of the metal patch.
前記ATRプリズムへ、生体物質の吸収波長の全域、あるいは一部の波長域の赤外光を放射する赤外光源部と、
前記ATRプリズムから出射された赤外光を検出する赤外光検出器とを備え、
前記赤外光源部は、各々が、前記赤外光検出器が検出可能な波長域に含まれる単一波長の赤外光を放射する複数の光源であり、
前記赤外光検出器の受光部表面において、プラズモン共鳴を生じることによって、少なくとも1つの波長の赤外光が吸収され、前記吸収された波長のうち少なくとも一つが、前記生体物質の吸収波長に相当する、生体物質測定装置。 An ATR prism that can be brought into close contact with the surface of a living body;
An infrared light source unit that emits infrared light in the whole or part of the absorption wavelength of the biological material to the ATR prism;
An infrared light detector for detecting infrared light emitted from the ATR prism;
Each of the infrared light source units is a plurality of light sources that emit infrared light having a single wavelength included in a wavelength range that can be detected by the infrared light detector,
At least one wavelength of infrared light is absorbed by generating plasmon resonance on the light receiving surface of the infrared light detector, and at least one of the absorbed wavelengths corresponds to an absorption wavelength of the biological material. A biological material measuring device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018168062A JP6570716B2 (en) | 2018-09-07 | 2018-09-07 | Biological substance measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018168062A JP6570716B2 (en) | 2018-09-07 | 2018-09-07 | Biological substance measuring device |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018535084A Division JP6425861B1 (en) | 2018-02-02 | 2018-02-02 | Biological substance measuring device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019130283A JP2019130283A (en) | 2019-08-08 |
JP6570716B2 true JP6570716B2 (en) | 2019-09-04 |
Family
ID=67545135
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018168062A Active JP6570716B2 (en) | 2018-09-07 | 2018-09-07 | Biological substance measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6570716B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7354778B2 (en) | 2019-11-06 | 2023-10-03 | 株式会社リコー | Measuring device and biological information measuring device |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11155842A (en) * | 1997-11-27 | 1999-06-15 | Horiba Ltd | Living body measuring device with constant living body contact pressure |
JP2003035661A (en) * | 2001-07-23 | 2003-02-07 | Konica Corp | Method and apparatus for measurement of infrared absorption spectrum by attenuated total reflection method |
JP2003098076A (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-03 | Konica Corp | Infrared absorption spectrum measuring method and device |
JP4100140B2 (en) * | 2002-11-14 | 2008-06-11 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | Infrared absorption spectrum measuring method and apparatus |
JP2004329888A (en) * | 2003-04-03 | 2004-11-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Method and apparatus for measuring concentration of specific component |
GB0329019D0 (en) * | 2003-12-15 | 2004-01-14 | Imp College Innovations Ltd | Acoustic wave devices |
JP2008061698A (en) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Ushio Inc | Blood sugar level measuring instrument |
JP2009183636A (en) * | 2008-02-08 | 2009-08-20 | Gifu Univ | Biological data measuring device |
JP2015173935A (en) * | 2014-03-18 | 2015-10-05 | セイコーエプソン株式会社 | Biological measurement apparatus and biological measurement method |
JP2015198689A (en) * | 2014-04-04 | 2015-11-12 | セイコーエプソン株式会社 | Biometric device and biometric method |
WO2015167417A1 (en) * | 2014-04-08 | 2015-11-05 | Pandata Research Llc | Optical measurement system having an integrated internal reflection element and array detector |
WO2015199159A1 (en) * | 2014-06-24 | 2015-12-30 | 国立大学法人九州大学 | Blood flow measurement apparatus, blood flow measurement method, blood pressure measurement apparatus and blood pressure measurement method |
JPWO2016060150A1 (en) * | 2014-10-15 | 2017-08-03 | コニカミノルタ株式会社 | Intermolecular viscoelastic interaction measuring method and intermolecular viscoelastic interaction measuring apparatus |
KR102247499B1 (en) * | 2015-01-14 | 2021-05-03 | 삼성전자주식회사 | Apparatus and method for attenuated total reflection spectroscopic analysis apparatus having measuring apparatus for specimen contacting area |
-
2018
- 2018-09-07 JP JP2018168062A patent/JP6570716B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019130283A (en) | 2019-08-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2019150543A1 (en) | Biological substance measurement device | |
US6836678B2 (en) | Non-invasive blood glucose monitor | |
JP6880024B2 (en) | Equipment and methods for analyzing substances | |
WO2021116766A1 (en) | Optical sensing module | |
JP7254080B2 (en) | Device and method for analyzing substances | |
CN112955075A (en) | Device and method for analyzing substances | |
JP7004770B2 (en) | Biomaterial measuring device | |
CN110087544B (en) | Biological substance measurement device and biological substance measurement method | |
CN110087541B (en) | Biological substance measuring device | |
CN111919106B (en) | Biological substance measuring device | |
CN115605803A (en) | Optical sensing module | |
JP6570716B2 (en) | Biological substance measuring device | |
JP6541921B1 (en) | Biological substance measuring device | |
US20210259586A1 (en) | Measurement apparatus and biological information measurement apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180907 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190716 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190806 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6570716 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |