專利名稱：對生物體中所含有的生物體成分的濃度進行測定的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及對生物體中所含有的葡萄糖等生物體成分的濃度進行測定的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)照射于生物體的光的反射光、散射光或透射光來對該生物體中所含有的葡萄糖等生物體成分的濃度進行測量。更具體地說，觀測生 物體成分的拉曼散射光，根據(jù)該拉曼散射光的強度來算出生物體成分的濃度。專利文獻I和專利文獻2公開了利用光學方法測定葡萄糖濃度的方法。根據(jù)該方法，首先將粒子埋入在皮膚的上層。該粒子含有與葡萄糖發(fā)生反應而使其熒光特性改變的試劑。接著，從生物體外向粒子照射具有激發(fā)波長的光，經(jīng)皮地測定由粒子產(chǎn)生的熒光。根據(jù)所測定的熒光來測定葡萄糖濃度?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :日本特表2004-510527號公報專利文獻2 日本特表2007-537805號公報非專利文獻I :Melissa F. Mrozek, and Michael J. Weaver, “Detectionand Identification of Aqueous Saccharides by Using Surface-Enhanced RamanSpectroscopy”，Analytical Chemistry, Vol. 74，No. 16，4069-4075，200
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題本發(fā)明的目的之一在于提供更為正確地對生物體中所含有的成分的濃度進行測定的方法。用于解決課題的手段I. 一種對生物體中所含有的生物體成分的濃度進行測定的方法，其具備以下工序準備測定裝置的工序(a)，其中所述測定裝置具備光源、聚光控制器、光學濾波器和受光器，由所述光源介由所述聚光控制器送出第I聚焦光，使所述第I聚焦光介由皮膚表面上的第I區(qū)域聚焦在埋入所述皮膚內(nèi)的粒子芯片的表面，從而產(chǎn)生第I反射光的工序(b)，其中所述粒子芯片具備基板和多個金屬粒子，所述第I反射光介由所述光學濾波器被所述受光器接受，從而獲得第I信號Xa的工序(c)，其中滿足以下的等式(III)λ2=(107· A1)/ (IO7-B · X1) (III)λ 2:濾波器的中心波長λ I :所述第I聚焦光的波長
B :所述生物體成分的拉曼位移由所述光源介由所述聚光控制器送出第2聚焦光，將所述第2聚焦光介由皮膚表面上的第2區(qū)域照射于粒子芯片的表面，從而產(chǎn)生第2反射光的工序(d)，其中所述第2聚焦光的聚焦點與第I聚焦光的聚焦點不同，所述第I區(qū)域與所述第2區(qū)域相同，所述第2反射光介由所述光學濾波器被所述受光器接受，從而獲得第2信號Xb的工序(e)，以及根據(jù)所述第I信號Xa與所述第2信號Xb之間的差值來算出所述生物體成分的濃度的工序(f)。2.上述I所述的方法，其中，所述生物體成分為葡萄糖，B為1120CHT1。3.上述I所述的方法，其中，工序(b)和工序(C)同時實施。 4.上述I所述的方法，其中，工序(d)和工序(e)同時實施。5.上述I所述的方法，其中，工序(d)至工序(f)同時實施。發(fā)明效果本發(fā)明的一個實施方式提供更正確地對生物體中所含有的生物體成分的濃度進行測定的方法。


圖I表示皮膚的截面圖。圖2表不粒子芯片3。圖3表示測量裝置。圖4為表示照射光、表面增強拉曼散射光、拉曼位移及半峰全寬之間的關(guān)系的曲線。圖5表不第I聚焦光5a。圖6表不第2聚焦光5b。圖7表示第I聚焦光5a的其他例子。圖8表示第2聚焦光5b的其他例子。圖9表示第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd。圖10表示第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd。圖11表示第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd。圖12表示第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd。
具體實施例方式(實施方式I)以下一邊參照附圖一邊說明根據(jù)本示例的實施方式(實施方式I)的對生物體成分的濃度進行測定的方法。附圖中所記載的構(gòu)成要素并非是按照比例尺寸進行記載，為了明確地示例本發(fā)明的原理而有所夸大。本實施方式中，提供對生物體中所含有的生物體成分的濃度進行測定的方法。該方法具備以下段落中說明的工序。(工序(a))在工序(a)中，準備測定裝置。如圖3所示，測定裝置具備光源9、聚光控制器10、光學濾波器13和受光器14。測定裝置根據(jù)需要具備透鏡體系12和計算機17。計算機17根據(jù)受光器14的輸出信號來算出生物體成分的濃度。計算機17還控制聚光控制器10。支撐體18保持聚光控制器10、透鏡體系12、光學濾波器13和受光器14。(工序(b))如圖I所示，生物體的皮膚具有表皮組織I、真皮組織2和皮下組織4。這些表皮組織I、真皮組織2和皮下組織4按該順序?qū)盈B。表皮組織I位于皮膚的表面。表皮組織I具有約O. 2^0. 5mm的厚度。真皮組織2具有約O. 5^2mm的厚度。粒子芯片3被埋入在真皮組織2中，浸潰于作為組織細胞間體液的細胞間質(zhì)液(interstitial fluid)中進行維持。皮下組織4主要由脂肪組織構(gòu)成。
本說明書中所使用的用語“體液”是指細胞間質(zhì)液。真皮組織2由于具有多個毛細血管，因而體液含有該毛細血管所含的生物體成分。特別是，由于毛細血管壁對葡萄糖具有很高的滲透性，因而體液中的葡萄糖濃度與血糖值具有很聞的相關(guān)性。圖I表示被圖3中所畫的虛線包圍的皮膚的放大截面圖。如圖廣圖3和圖5 圖12所示，z方向為皮膚的層疊方向。X方向為與z方向正交的方向。y方向是與z方向和X方向兩者均正交的方向。光源9沿著z方向?qū)⒐馑椭辆酃饪刂破?0中。在工序(b)中，聚光控制器10將該光轉(zhuǎn)變?yōu)榈贗聚焦光5a (圖I中的實線)。第I聚焦光5a介由存在于皮膚表面上的第I區(qū)域Cb而聚焦在粒子芯片3的表面。于是，第I聚焦光5a在粒子芯片3的表面處發(fā)生反射，產(chǎn)生第I反射光6。更詳細地說，如圖5所示，粒子芯片3的表面上的第I聚焦光5a的直徑與粒子芯片3的表面的直徑實質(zhì)上一致。如圖I所示，理論上第I聚焦光5a的聚焦點位于距離粒子芯片3的表面的深度為dl的位置上。如圖7所示，第I聚焦光5a的聚焦點可位于粒子芯片3的表面和皮膚的表面之間。(粒子芯片)圖2表示粒子芯片3的放大圖。粒子芯片3具備基板和配置在該基板表面上的金屬粒子8。金屬粒子8的個數(shù)的例子為約I萬個。金屬粒子8通過被照射光而產(chǎn)生局域表面等離子體共振。金屬粒子8具有依賴于其直徑和長度的局域表面等離子體共振波長。例如，各金屬粒子8具有約10納米的直徑和約38納米的長度時，該金屬粒子8具有785納米的局域表面等離子體共振波長，且具有約70納米的半寬度。本說明中所使用的用語“局域表面等離子體共振波長”是指吸光的峰值波長。如圖I所示，按照具備金屬粒子8的表面與表皮組織I平行的方式將粒子芯片3埋入在真皮組織2中。從表皮組織I至粒子芯片3的距離L為約I. 5_。各金屬粒子8可由金納米棒構(gòu)成。作為金納米棒的替代，還可使用具有被金或銀等金屬覆蓋的表面的電介質(zhì)粒子。該電介質(zhì)粒子的材料的例子為二氧化硅。粒子芯片3的基板具有約100微米的直徑和約100微米的厚度?；牡牟牧系睦訛楸┧針渲葮渲⒉ＡЩ蚬?。金屬粒子8按照各長軸方向與X方向平行的方式進行配置。美國專利申請公開第2010/0195106號公報詳細地公開了粒子芯片3。美國專利申請公開第2010/0195106號公報對應于國際公開第2007/108453號公報和日本特開2007-248284號公報。第I聚焦光5a的一個例子為具有785nm的波長、且具有圓形的束的形狀的光。這種第I聚焦光5a透過表面組織I而聚焦在微粒芯片3的表面。第I聚焦光5a到達微粒芯片3時,第I聚焦光5a在粒子芯片3的表面上發(fā)生反射,在此處產(chǎn)生第I反射光6。(工序(C))如圖I所示，在工序(C)中，第I反射光6由于皮膚折射率(為約I. 37)與空氣折射率(為I)的差異而在皮膚的表面發(fā)生折射。于是，如圖3所示，第I反射光6透過光學濾波器13，被受光器14接受。如此獲得第I信號Xa。工序(b)和工序(c)優(yōu)選同時進行。如果粒子芯片3被第I聚焦光5a照射，則在金屬粒子8上產(chǎn)生局域表面等離子體共振，從而增強金屬粒子8附近的電磁場強度。這會增強來自于位于金屬粒子8附近 (0.5 30nm以內(nèi))的生物體物質(zhì)的拉曼散射光。如此產(chǎn)生表面增強拉曼散射光。第I反射光6包含該表面增強拉曼散射光。表面增強拉曼散射光的強度比通常的拉曼散射光強度大104倍 109倍。因此，在金屬粒子8附近產(chǎn)生的表面增強拉曼散射光具有遠遠大于在皮膚表面(包含角質(zhì)層)、表皮組織I或真皮組織2中產(chǎn)生的拉曼散射光的強度。這意味著金屬粒子8附近的體液中所含有的生物體成分的拉曼散射光被選擇性地增強。這樣減少了雜散光和干擾成分的影響。生物體中所含有的葡萄糖等生物體成分的量遠遠低于生物體中所含有的干擾成分的量。因此，葡萄糖的通常的拉曼散射光與在皮膚表面(表皮組織I的角質(zhì)層)、表皮組織I或真皮組織2所含有的干擾成分的拉曼散射光相比，具有極小的強度。由于該原因，難以提取葡萄糖的通常的拉曼散射光。但是，通過粒子芯片3，真皮組織2中的體液中所含的葡萄糖的拉曼散射光被選擇性地增強。這使得葡萄糖的拉曼散射光的強度與干擾物質(zhì)的拉曼散射光的強度相比被選擇性地增大。葡萄糖的表面增強拉曼散射光的強度由于與葡萄糖的濃度成比例，因而可由葡萄糖的表面增強拉曼散射光的強度算出葡萄糖的濃度。以下說明葡萄糖濃度的計算的一個例子。非專利文獻I的圖I表示葡萄糖的表面增強拉曼散射光光譜。如非專利文獻I的圖I所示，葡萄糖的表面增強拉曼散射光光譜在lOOOcm-PlSOOcnT1的拉曼位移的范圍內(nèi)具有葡萄糖特有的多個峰。該多個峰中，具有1120 (cnT1)的拉曼位移的峰與白蛋白和肌酸內(nèi)酰胺的拉曼散射光光譜的峰不重疊。因此，具有1120 (cm—1)的拉曼位移的表面增強拉曼散射光的強度僅與葡萄糖的濃度成比例。第I聚焦光5a的波長為785納米時，將使波長為860. 7納米的光透過的濾波器作為光學濾波器13來使用。其理由如下所述。波長λ與波數(shù)k之間的關(guān)系滿足以下的等式(I):Ii(Cnr1)=IOVA (nm)(I)785nm的波長對應于12739CHT1的波數(shù)。因此，具有IUOcnT1的拉曼位移的葡萄糖所特有的拉曼散射光的波數(shù)由以下等式算出。12739 (cm-1) -1120 (cm-1) =11619 (cm-1)。
利用等式(I)進行換算，則具有1120cm—1的拉曼位移的葡萄糖所特有的拉曼散射光的波長為860. 7nm。光學濾波器13例如具有860. 7nm的中心波長、且具有3納米的半峰全寬。該光學濾波器13的透射范圍為859. 2納米 862. 2納米。由等式(I)，該透射范圍的波數(shù)為11599cm ^11639^ 1O圖4表示照射光、表面增強拉曼散射光、拉曼位移及半峰全寬之間的關(guān)系。葡萄糖所特有的表面增強拉曼散射光光譜的中心波長及其寬度落入光學濾波器13的透射光譜的中心波長和寬度所規(guī)定的允許透射的范圍內(nèi)。通過該設定，葡萄糖所特有的表面增強拉曼散射光透過光學濾波器13。但是，其他的光不會透過光學濾波器13。更詳細地說，如圖4所示，僅對具有12739CHT1的波數(shù)的第I聚焦光5a具有I lOOcnT1"! HOcnT1的拉曼位移的拉曼散射光選擇性地透過光學濾波器13。另一 方面，該光學濾波器13會限制包含干擾成分的拉曼散射光和第I反射光6在內(nèi)的不需要波數(shù)的光的透過。具有l(wèi)lOOcnT1的拉曼位移的拉曼散射光的波數(shù)為11639CHT1(12739cm^-1100cm^=11639cm^),具有IHOcnT1的拉曼位移的拉曼散射光的波數(shù)為11599cm—1 (12739cm^-lHOcm^1=I 1599cm^)0這些值與光學濾波器13的透射范圍的端點的波數(shù)一致。當為了增強表面增強拉曼散射光的強度而增強第I聚焦光5a的強度時，反射光6的強度和干擾成分的拉曼散射光的強度也被增強。但是，干擾成分的拉曼散射光及反射光6被光學濾波器13遮蔽，不會到達受光器14。如此，僅獲得目標物質(zhì)所特有的第I信號Xa。用于葡萄糖濃度檢測所使用的光學濾波器13的中心波長λ 2通過下述等式(II)算出。λ i表不第I聚焦光5a的波長。λ2=(107· A1) / (107-1120 · X1)(II)λ 2 :光學濾波器13的中心波長λ i :第I聚焦光5a的波長如上所述，通過使用實施方式I的測量裝置，可對具有1120CHT1的拉曼位移的葡萄糖的表面增強拉曼散射光選擇性地進行測量。當然，與通常測量的情況同樣，在上述測量時可以使用預先準備的標準曲線。為了算出具有BcnT1的拉曼位移的生物體物質(zhì)的濃度，代替等式(II)而使用以下的等式(III)。λ2=(107· A1) / (IO7-B · X1) (III)λ 2 :光學濾波器13的中心波長λ i :第I聚焦光5a的波長B:生物成分的拉曼位移(工序(d) 工序(f))乍一看會認為通過工序(a廣工序(C)即可測定生物體成分的濃度。但是，所得的濃度的值是不正確的。以下說明其理由。雜散光會降低測定精度。雜散光包含第I反射雜散光61和擴散散射光7。第I反射雜散光61通過對皮膚表面照射第I聚焦光5a而由皮膚表面產(chǎn)生。擴散散射光7通過在皮膚內(nèi)部行進的第I聚焦光5a而由皮膚內(nèi)部產(chǎn)生。
第I反射雜散光61會大大降低測定精度。而擴散散射光7幾乎不會降低測定精度。其原因在于，第I反射雜散光61的強度要遠遠大于擴散散射光7的強度。當折射率的差異很大時，第I反射雜散光61的量也增大。第I聚焦光5a從空氣向皮膚內(nèi)部行進。由于空氣的折射率與皮膚的折射率有很大差異(為約O. 37)，因而在皮膚表面處第I聚焦光5a會有大大的反射。而在皮膚內(nèi)部，由于約I. 37的皮膚內(nèi)部的折射率實質(zhì)上恒定(為約I. 37)，因而擴散散射光7的強度遠遠弱于第I反射雜散光61的強度。因此，以下忽略擴散散射光7。第I聚焦光5a在皮膚的表面上在所有方向上強烈地反射，產(chǎn)生第I反射雜散光61。第I反射雜散光61在位于皮膚最表面的具有10微米 20微米厚度的角質(zhì)層處產(chǎn)生。第I反射雜散光61的強度等于照射光強度的約4 7%。第I反射雜散光61的強度根據(jù)角質(zhì)層的表面粗糙度和具有不同折射率的區(qū)域的分布而變化。另一方面，通常的拉曼散射光的強度為照射光強度的10_16倍以下。另外，表面增 強拉曼散射光的強度為照射光強度的10_7以下。即，與要檢測的表面增強拉曼散射光的強度相比，在皮膚表面產(chǎn)生的第I反射雜散光61的強度極大。因此,即便第I反射雜散光61的強度極小，該第I反射雜散光61在受光器14中的混入也會使光傳感器的輸出信號飽和、從而無法進行測量。光學濾波器13可減少混入到光傳感器中的第I反射雜散光16的量以防止受光器14飽和。但是，如果透過光學濾波器13的光的透射率降低(即光學濾波器13的遮斷效果提高)，則拉曼散射光的透射率也降低。在實際應用上，透過光學濾波器13的光的透射率的最小值為約10Λ即，并不是會遮斷所有的第I反射雜散光61，而是會有一部分的第I反射雜散光61透過濾波器。該一部分的第I反射雜散光61混入到受光器14中，會降低生物體成分濃度的測量精度。進而，生物體含有具有與葡萄糖等生物體成分的拉曼光譜重疊的拉曼光譜的物質(zhì)。即便使用光學濾波器13，由該物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射光(以下稱作“干擾拉曼光”)也不會被減少。這也會降低生物體成分濃度的測量精度。為了解決上述問題，本發(fā)明的該實施方式中實施工序(d) 工序(f)。優(yōu)選同時實施工序(d)和工序(e)。更優(yōu)選同時實施工序(d) 工序(f)。(工序(d))首先，在工序(d)中，利用計算機17，按照滿足不等式dl〈d2的方式使聚光控制器10將來自光源9的光轉(zhuǎn)變成第2聚焦光5b(圖I中的虛線)。這里，如圖I所示，距離dl和d2分別表示第I聚焦光5a的聚焦點與粒子芯片3的表面之間的距離(深度)和第2聚焦光5a的聚焦點與粒子芯片3的表面之間的距離(深度)。如圖I所示，第2聚焦光5b透過第2區(qū)域Cd，到達粒子芯片3的表面。在此處，第2聚焦光5b產(chǎn)生第2反射光。如圖6(和圖5)所不,第2聚焦光5b在微粒芯片3的表面處具有比第I聚焦光5a更大的光束直徑。由圖5和圖6的比較可知，第2聚焦光5b在微粒芯片3上具有比第I聚焦光5a更小的強度。只要第I聚焦光5a的聚焦點與第2聚焦光5b的聚焦點不同，則并不一定要滿足不等式dl〈d2。與圖7所不的第I聚光束5a的情況同樣,如圖8所不,第2聚焦光5b的聚焦點也可位于粒子芯片3的表面與皮膚表面之間。如圖9所示，第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd有必要相同。其原因如下所述。皮膚表面的光學特性依賴于表面粗糙度、折射率分布和干擾成分的濃度。皮膚表面的光學特性即便是同一個體也不均勻。即，根據(jù)皮膚表面上的位置不同，光學特性不同。因此，即便用具有相同強度的光照射同一個體，根據(jù)所照射的位置不同，第I反射雜散光61的強度也會發(fā)生變化。由該理由出發(fā)，如圖9所示，第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd有必要相同。與工序(b)的情況同樣，在工序(d)中會產(chǎn)生反射雜散光。工序(d)中產(chǎn)生的反射雜散光稱作第2反射雜散光62。(工序(e)和工序(f))與工序(C)的情況同樣,在工序(e)中,第2反射雜散光62介由光學濾波器13被受光器14接受，獲得第2信號Xb。最后，在工序(f)中，由第I信號Xa減去第2信號Xb，算出它們的差值。根據(jù)該差值，利用計算機17算出生物體成分的濃度。由第I信號Xa減去第2信號Xb會抵消大大降低測定精度的第I反射雜散光61。干擾拉曼光也被抵消。即，上述差值不包含第I反射雜散光61或干擾拉曼光的成分。因此，通過工序(a) 工序(f)獲得的濃度比僅通過工序(a) 工序(C)獲得的濃度更為正確。如圖10和圖11所示，第I區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd必須相同。其原因在于，由于第I反射雜散光61未被第2反射雜散光61充分地抵消(圖10)或者第2反射雜散光62將第I反射雜散光61過多地抵消(圖11)，因而工序(f)中的差值會包含任一者的反射雜散光。根據(jù)該差值計算出的生物體成分的濃度是不正確的。如圖12所示，第I區(qū)域Cb即便與第2區(qū)域Cd部分地一致也是不充分的。因此，如圖9所示，第I區(qū)域Cb的重心與第2區(qū)域Cd的重心一致、且第I區(qū)域Cb與第2區(qū)域Cd完全重合。當?shù)贗區(qū)域Cb和第2區(qū)域Cd均為圓形時，它們的重心與其圓的中心點一致。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明可用于對生物體中的葡萄糖等生物體成分的濃度進行測定。符號說明I表皮組織2真皮組織3粒子芯片4皮下組織5a第I聚焦光5b第2聚焦光6反射光61第I反射雜散光62第2反射雜散光7擴散散射光8金屬粒子9光源10聚光控制器12透鏡體系13光學濾波器14受光器17計算機18支撐體Cb第I區(qū)域Cd第2區(qū)域
權(quán)利要求
1.ー種對生物體中含有的生物體成分的濃度進行測定的方法，其具備以下的エ序 準備測定裝置的エ序(a)，其中所述測定裝置具備光源、聚光控制器、光學濾波器和受光器; 由所述光源介由所述聚光控制器送出第I聚焦光，使所述第I聚焦光介由皮膚表面上的第I區(qū)域聚焦在被埋入所述皮膚內(nèi)的粒子芯片的表面，從而產(chǎn)生第I反射光的エ序(b)，其中所述粒子芯片具備基板和多個金屬粒子； 所述第I反射光介由所述光學濾波器被所述受光器接受，從而獲得第I信號Xa的エ序(C)，其中滿足以下的等式(III): 入 2=(107 A1) / (IO7-B A )(III) 入2 :濾波器的中心波長 入1:所述第I聚焦光的波長 B :所述生物體成分的拉曼位移 由所述光源介由所述聚光控制器送出第2聚焦光，將所述第2聚焦光介由皮膚表面上的第2區(qū)域照射于粒子芯片的表面，從而產(chǎn)生第2反射光的エ序(d)，其中所述第2聚焦光的聚焦點與第I聚焦光的聚焦點不同，所述第I區(qū)域與所述第2區(qū)域相同； 所述第2反射光介由所述光學濾波器被所述受光器接受，從而獲得第2信號Xb的エ序(e);以及 根據(jù)所述第I信號Xa與所述第2信號Xb之間的差值來算出所述生物體成分的濃度的エ序⑴。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述生物體成分為葡萄糖，B為1120CHT1。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，エ序(b)和エ序(C)同時實施。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，エ序(d)和エ序(e)同時實施。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，エ序(d)至エ序(f)同時實施。
全文摘要
本發(fā)明的目的之一在于提供更正確地測定生物體成分濃度的方法。本發(fā)明提供對生物體中所含有的生物體成分的濃度進行測定的方法，其包含以下工序準備具有聚光控制器、光源、光學濾波器和受光器的測定裝置的工序；將來自該光源的不同的聚焦光介由皮膚表面上的位置照射至埋入該皮膚內(nèi)的粒子芯片，從而產(chǎn)生對應的反射光的工序；根據(jù)由該反射光獲得的信號的差值來計算上述生物體成分的濃度的工序。
文檔編號A61B5/1455GK102821688SQ201180016789
公開日2012年12月12日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者河村達朗, 南口勝, 鹽井正彥 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社