(57)【要約】【課題】皮膚から採取した生体ガスの中から特定成分を検出できる物質検出装置を実現する。【解決手段】物質検出装置１は、人の皮膚から放出される生体ガスを採取し、この生体ガスのみを透過膜で透過させ、センサー室１４の内部に収容する検出試料採取部１０と、採取した生体ガス中のアセトンのラマン散乱光を励起する光源１００と、ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強するセンサー部３１と、増強されたラマン散乱光を分光する分光器６０と、分光された光を電気信号に変換し、増強されたラマン散乱光のスペクトルを取得する受光素子７０と、取得されたスペクトルと、予め格納されているアセトンの指紋スペクトルとを照合して採取された被検出物質であるアセトンを特定し、アセトン濃度との相関関係がある脂肪燃焼量を算出する信号処理制御回路部８０と、信号処理制御回路部８０によって算出された結果を表示する表示部１３０とを備えている。【選択図】図１
2014010046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の皮膚から放出される生体ガスを採取し、センサー室の内部に収容する検出試料採取部と、
採取した前記生体ガス中の被検出物質のラマン散乱光を励起する光源と、
前記ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強するセンサー部と、
増強された前記ラマン散乱光を分光する分光器と、
分光された光を電気信号に変換し、増強された前記ラマン散乱光のスペクトルを取得する受光素子と、
取得された前記スペクトルと、予め格納されている前記被検出物質の指紋スペクトル、とを照合して前記被検出物質を特定し、前記被検出物質の濃度と、前記被検出物質の濃度との相関関係がある特定物質の量と、を算出する信号処理制御回路部と、
前記信号処理制御回路部によって算出された結果を表示する表示部と、
を備え、
前記検出試料採取部は前記人の皮膚に密着し、該検出試料採取部は前記生体ガスを前記センサー部に透過させる透過膜を備えていること、
を特徴とする物質検出装置。
【請求項２】
前記センサー部は、前記光源が射出する光の波長より小さい金属ナノ構造を有するセンサーチップを備えていること、
を特徴とする請求項１に記載の物質検出装置。
【請求項３】
前記センサー室の内部に収容された前記生体ガスを前記センサー室の外部に排出する採取ガス排出手段をさらに備えていること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の物質検出装置。
【請求項４】
前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部と、前記表示部と、が一体化されて身体に装着可能であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項５】
前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記表示部とが、一体に収納された本体部と、
前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部とが、一体に収納された検出部と、に分離され、
当該本体部と当該検出部とが、増強された前記ラマン散乱光を搬送する光ファイバーと、電力供給及び電気信号を伝達するケーブルで接続されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項６】
前記検出試料採取部が、前記光源と前記センサー部と前記表示部とが一体に収納された本体部から分離され、
前記検出試料採取部と前記センサー室とが生体ガス導入チューブで連通されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項７】
前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部と、が一体に収納された検出装置本体部から分離された表示部を備え、
前記検出装置本体部と当該表示部とが通信手段で接続されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項８】
前記被検出物質がアセトンであり、前記特定物質が体脂肪であって、
前記信号処理制御回路部で、検出された前記アセトンの量から前記体脂肪の燃焼量を算出し、
前記表示部で前記体脂肪の燃焼量を表示すること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項９】
腕時計型の筐体の外面に設けられる表示部と、
プラズモン共鳴を利用して被験者から放出される生体ガスの中の標的物質を検知するセンサー部と、
前記センサー部にレーザー光を照射し、ラマン散乱光を励起する光源部と、
前記標的物質の検出濃度に応じて体脂肪の燃焼を演算し、前記表示部に当該演算結果を表示する制御部と、
前記生体ガスを透過させる透過膜を備え、前記被検者の腕の一部に密着可能である密着部と、
前記密着部を前記被検者の腕に装着可能とするリストバンドと、
を備え、
前記表示面と前記レーザー光の出射方向と前記透過膜とは、互いに平行であること
を特徴とする腕時計型体脂肪燃焼測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質検出装置、腕時計型体脂肪燃焼測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メタボリックシンドロームのような生活習慣に起因する症状を改善する方法として、定期的な有酸素運動が推奨されているが、継続してこのような運動をすることができなくて運動の効果がでないことがしばしばある。このような人に手軽に運動の効果を上げるために体脂肪の燃焼量を知ることができれば、運動継続のモチベーションが向上し、その結果、運動の効果が出てくることが期待できる。よって、運動による脂肪燃焼量を測定できる装置が提案されている。そこで、呼気ガス中のアセトン濃度（またはアセトン量）を検出して、アセトン濃度の変化を検出して運動強度を算出し、この運動強度負荷時の酸素摂取量と摂取された単位酸素量あたりの熱量と、この熱量に関与する消費脂肪の割合と、を用いて脂肪燃焼率を算出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、他方において、皮膚から放出される生体ガスを検出する装置および得られた検出情報から生体内の代謝情報をモニタニングする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６８８６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４８６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１では、被験者はマスクを装着して呼気ガスを採取することから、一旦運動を中止して呼気を採取しなければならない。また、皮膚ガスを検出する場合は検出対象の生体ガスの濃度は呼気ガスと比較して低濃度であるので、汗等からの水分の妨害を受けやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る物質検出装置は、人の皮膚から放出される生体ガスを採取し、センサー室の内部に収容する検出試料採取部と、採取した前記生体ガス中の被検出物質のラマン散乱光を励起する光源と、前記ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強するセンサー部と、増強された前記ラマン散乱光を分光する分光器と、分光された光を電気信号に変換し、増強された前記ラマン散乱光のスペクトルを取得する受光素子と、取得された前記スペクトルと、予め格納されている前記被検出物質の指紋スペクトルとを、照合して採取された被検出物質を特定し、前記被検出物質の濃度と、前記被検出物質の濃度との相関関係がある特定物質の量を算出する信号処理制御回路部と、前記信号処理制御回路部によって算出された結果を表示する表示部と、を備え、前記検出試料採取部は前記人の皮膚に密着し、該検出試料採取部は生体ガスを前記センサー部に透過させる透過膜を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例は、人の皮膚から発生する生体ガスを採取し、センサー部に光を照射することで発生する局在表面プラズモン共鳴を利用したラマン散乱光のスペクトルと指紋スペクトルとを照合して被検出物質を特定し、被検出物質の濃度（または量）と相関関係がある特定物質の量を算出して表示部に表示するものである。従って、このような構成によれば、生体ガス中に含まれる微量な被検出物質を高感度で検出することが可能な物質検出装置を実現できる。
また、被検出物質の濃度と相関関係がある特定物質の量を検出することが可能である。
【０００９】
さらに、詳しくは後述する実施形態で説明するが、本適用例の物質検出装置は、構成する各構成要素を小型化できるので、被験者に装着可能なサイズを実現できる。さらに、皮膚から発生する生体ガスを採取することから、前述した呼気を採取する構成に比べ、運動中にも特定物質の量を測定することができる。
なお、センサー室の容積が一定で、被検出物質の濃度が分かれば、被検出物質の量（重量）を求めることができる。
他方、生体ガス中には、被検出物質のほかに水分が含まれる。センサー部に水分が付着するとラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強することができない。そこで、被検出物質としての生体ガスは透過し、水分は透過させない透過膜を用いることにより、ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって高効率で増強することができる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に係る物質検出装置において、前記センサー部は、前記光源が射出する光の波長より小さい金属ナノ構造を有するセンサーチップを備えていること、が好ましい。
【００１１】
光の波長よりも小さな金属ナノ粒子に対して光を照射する場合には、金属ナノ粒子近傍には光表面に存在する自由電子が、入射光の電場によって作用を受け共鳴し、金属ナノ粒子近傍には自由電子による電気双極子が揃った状態になるため、入射光の電場よりも強い増強電場が形成され、局在表面プラズモン共鳴が発生する。この局在表面プラズモン共鳴によって、微量に存在する標的分子（被検出物質粒子）であっても、ラマン分光ができることになり、微量の被検出物質を高感度に検出できる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に係る物質検出装置において、前記センサー室の内部に収容された前記生体ガスを前記センサー室の外部に排出する採取ガス排出手段をさらに備えていること、が好ましい。
【００１３】
採取された生体ガスがセンサー室内に滞留していると、次の被検出物質の検出において正確な検出結果は得られない。そこで、再検出する前に採取ガス排出手段によって生体ガスをセンサー室外に排出することによって、正確な検出結果を得ることができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に係る物質検出装置において、前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部と、前記表示部と、が一体に収納されて身体に装着可能であること、が好ましい。
【００１５】
このようにすれば、例えば、腕時計型のような携帯しやすい物質検出装置を構成できることから、日常生活の中や運動中にも携帯可能となり、表示部によって検出結果を認識することができる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例に係る物質検出装置において、前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記表示部とが、一体に収納された本体部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部とが、一体に収納された検出部と、に分離され、当該本体部と当該検出部とが、増強された前記ラマン散乱光を搬送する光ファイバーと、電力供給及び電気信号を伝達するケーブルで接続されていること、が好ましい。
【００１７】
このような構成にすれば、本体部及び検出部が分離され、各々は一体型よりもさらに小型化・軽量化が可能となり、例えば、本体部は被験者自身が表示を視認しやすい手首部に装着し、検出部は運動量の少ない任意位置に装着することができる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例に係る物質検出装置において、前記検出試料採取部が、前記光源と前記センサー部と前記表示部とが一体に収納された本体部から分離され、前記検出試料採取部と前記センサー室とが生体ガス導入チューブで連通されていること、が好ましい。
【００１９】
このようにすれば、検出試料採取部が本体部と分離されていることから、例えば、本体部を手首部に装着し、検出試料採取部は、本体部近傍の腕部に装着すれば、検出試料採取部の生体ガスの採取面積を大きくでき、生体ガスの採取量を増加させることができる。
【００２０】
［適用例７］上記適用例に係る物質検出装置において、前記検出試料採取部と、前記光源と、前記センサー部と、前記分光器と、前記受光素子と、前記信号処理制御回路部と、が一体に収納された検出装置本体部から分離された表示部を備え、前記検出装置本体部と当該表示部とが通信手段で接続されていること、が好ましい。
【００２１】
このような構成では、表示部の配置位置が限定されずに検出装置本体部から独立した任意位置に配置できる。表示部は被験者から離れた位置にあってもよく、通信手段が無線通信の場合には、検出装置本体部で検出したデータを、例えば、ＰＣや携帯電話に送信し、これらの機器の表示部に検出結果を表示させることが可能となり、被験者から離れた位置で検出結果を認識することができる。
また、ＰＣや携帯電話のメモリーを利用して過去の検出結果や長時間の累積値を把握することが可能となる。
【００２２】
［適用例８］上記適用例に係る物質検出装置において、前記被検出物質がアセトンであり、前記特定物質が体脂肪であって、前記信号処理制御回路部で、検出された前記アセトンの量から前記体脂肪の燃焼量を非たんぱく呼吸商を参照して算出し、前記表示部で前記体脂肪の燃焼量を表示すること、が好ましい。
【００２３】
体内で生成される遊離脂肪酸の多くは肝臓へ供給されるが、運動に伴う肝臓での脂肪燃焼により代謝物質であるアセトンが生体ガスとして皮膚から放出される。そこで、アセトン濃度を検出することによって正確な脂肪燃焼量の測定が可能になる。従って、上述した物質検出装置を用いて手軽に運動の効果として体脂肪の燃焼量を知ることができれば、メタボリックシンドローム傾向の被験者の運動継続のモチベーションが向上し、生活習慣に起因する症状を改善することができる。
【００２４】
［適用例９］本適用例に係る腕時計型体脂肪燃焼測定装置は、腕時計型の筐体の外面に設けられる表示部と、プラズモン共鳴を利用して被験者から放出される生体ガスの中の標的物質を検知するセンサー部と、前記センサー部にレーザー光を照射し、ラマン散乱光を励起する光源部と、前記標的物質の検出濃度に応じて体脂肪の燃焼を演算し、前記表示部に当該演算結果を表示する制御部と、前記生体ガスを透過させる透過膜を備え、前記被検者の腕の一部に密着可能である密着部と、前記密着部を前記被検者の腕に装着可能とするリストバンドと、を備え、前記表示面と前記レーザー光の出射方向と前記透過膜とは、互いに平行であることを特徴とする。
【００２５】
このような構成によれば、腕時計型の装置を薄型にすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１に係る物質検出装置を示し、（ａ）は内部構造を透視した平面構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図、（ｃ）は平面外観図。
【図２】実施形態１に係る物質検出装置の主要構成を示すブロック図。
【図３】実施形態１に係る物質検出の原理を模式的に示す説明図であり、（ａ）はラマン分光の説明図、（ｂ）は金属ナノ粒子に光を照射した時に形成される増強電場の説明図、（ｃ）は金属ナノ構造における表面増強ラマン散乱の説明図。
【図４】脂肪燃焼とアセトンの関係を示す説明図であり、（ａ）は主なエネルギー源となる３大栄養素の摂取から貯蔵までの流れ、（ｂ）は脂肪燃焼のメカニズム、（ｃ）は有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移。
【図５】アセトン濃度とアセトン信号強度の関係を示すグラフ。
【図６】一体型の物質検出装置の装着位置を例示する説明図。
【図７】実施形態２に係る物質検出装置を示し、（ａ）は全体構成説明図、（ｂ）は本体部の断面図。
【図８】実施形態２に係る本体部の平面外観図。
【図９】実施形態３に係る物質検出装置を示し、（ａ）は全体構成説明図、（ｂ）は検本体部を示す断面図。
【図１０】実施形態４に係る物質検出装置の構成説明図。
【図１１】運動強度、脈拍数と脂肪燃焼量の関係を示し、（ａ）は運動強度と脂肪燃焼量の関係を示すグラフ、（ｂ）は脈拍数と脂肪燃焼量の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を生体ガスに含まれるアセトン濃度を検出し、検出したアセトン濃度と相関がある体脂肪の燃焼量を検出する物質検出装置を例にあげ説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００２８】
図１は、実施形態１に係る物質検出装置１を示し、（ａ）は内部構造を透視した平面構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図、（ｃ）は平面外観図である。図１（ａ），（ｂ）において、物質検出装置１は、検出試料採取部１０と検出部３０と表示部１３０とが、ケース２０と風防ガラス２１（図１（ｂ）、参照）によって構成される空間内に格納されている。検出試料採取部１０は、人の皮膚に接触する側（ケース２０の裏面側）に配置され、検出部３０はケース２０の内部に、表示部１３０は被験者が視認可能な位置（ケース２０の表面側）に配置されている。
【００２９】
検出試料採取部１０は、人の皮膚と密着する透過膜としての第１透過膜１１と、第１透過膜１１とは空間１３を有して配置される第２透過膜１２とを有している。人の皮膚に密着する第１透過膜１１は、汗などの水分が検出部３０内に直接入らないように、水に対して撥水性を有し、且つ皮膚から発生する生体ガス（なお、生体ガスを皮膚ガスと表すことがある）を透過することが可能な膜によって形成されている。第１透過膜１１は、生体ガスを検出部３０内に取込む際に、後述するセンサー部３１に生体ガスに含まれる水分等が付着することを防止するために設けられている。
【００３０】
第２透過膜１２は、第１透過膜１１と同様な機能を有しており、第１透過膜１１との二重構造にすることにより、第１透過膜１１の上記機能をさらに強化するために設けられている。従って、透過膜を二重構造にすることは必要条件ではなく、物質検出装置１の身体への装着部位の発汗量等に応じて選択することができる。
第１透過膜１１と第２透過膜１２とは、ケース２０の人体側に取付けられ、装着ベルト１２０によって第１透過膜１１が皮膚に密着するように取り付けられる。
なお、図１に示す物質検出装置１は、手首部に装着する場合の構成を例示している。
【００３１】
続いて、検出部３０の構成について説明する。図１（ａ），（ｂ）に示すように、検出部３０は、センサー室１４と検出室１５とに分けられている。センサー室１４は、腕から放散された生体ガスが収容される空間であって、内部にセンサー部３１が配置されている。センサー部３１は、ラマン散乱光を増強するセンサーチップを含む。センサー部３１の構成及び作用は、図３を参照して後述する。
【００３２】
検出室１５には、検出する分子を励起する光源１００と、光源１００から照射される光をセンサー部３１に集光する第１レンズ群と、センサーチップ３２から散乱される増強されたラマン散乱光（増強ラマン散乱光という）を集光する第２レンズ群と、を備えている。
【００３３】
第１レンズ群は、光源１００から射出される光を平行光に変換するレンズ４２と、この平行光をセンサー部３１に向かって反射するハーフミラー４３と、ハーフミラー４３で反射された光をセンサー部３１に集光するレンズ４１とから構成されている。
第２レンズ群は、レンズ４１及びハーフミラー４３を介してセンサー部３１で増強されたラマン光を集光するレンズ４４と、集光されたラマン光を平行光に変換するレンズ４５とから構成されている。
【００３４】
さらに、検出室１５には、集光された散乱光からレイリー散乱光を除去する光学フィルター５０と、増強ラマン散乱光をスペクトルに分光する分光器６０と、分光されたスペクトルを電気信号に変換する受光素子７０と、分光されたスペクトルを生体ガスから検出した物質に特有の指紋スペクトルの情報として電気信号に変換する信号処理制御回路部８０と、電力供給部９０と、を備えている。指紋スペクトルは信号処理制御回路部８０に予め内蔵されている。
【００３５】
電力供給部９０としては、１次電池、２次電池などが利用できる。１次電池の場合には、規定の電圧以下になったことを、ＣＰＵ８１がＲＯＭ８３（共に、図２参照）に格納されている情報と得られた１次電池の電圧情報とを比較して規定以下であれば、表示部１３０に電池交換の指示を表示する。
２次電池の場合には、規定の電圧以下になったことを、ＣＰＵ８１がＲＯＭ８３に格納されている情報と得られた２次電池の電圧情報を比較して規定以下であれば、表示部１３０に充電指示を表示する。被験者は、その表示を見て、接続部（図示せず）に充電器を接続して規定の電圧になるまで、充電をすることで繰返し使用することができる。
【００３６】
また、本実施形態の物質検出装置１は、センサー室１４内に採取した生体ガスを外部に排出する採取試料排出手段１１０を有している。採取試料排出手段１１０は、一方の端部がセンサー室１４に連通し、他方の端部が排出口１１１ａに連通する弾性を有する排出チューブ１１２と、複数の回転ローラー１１３と、を有している。採取試料排出手段１１０は、回転ローラー１１３でセンサー室１４側から排出口１１１ａ側に向かって排出チューブ１１２を押圧していくことでセンサー室１４内の気体を外部へ排出することができるいわゆるチューブポンプである。
【００３７】
チューブポンプは、手動で回転させる構造であってもモーターで駆動する構造であってもよい。なお、採取試料排出手段としてはチューブポンプ以外の気体排出手段を適宜選択して用いることが可能である。
また、生体ガスをセンサー室１４から排出する排出口は、生体ガスを素早く排出させるために複数個所に設ける構造にすればなお好ましい。
【００３８】
次に、図１（ｃ）を参照して、表示部１３０の表示内容について１例をあげ説明する。表示部１３０は、液晶表示素子などの電気光学表示素子を用いている。主たる表示内容としては図１（ｃ）に示すように、現在時刻、測定開始からの経過時間、脂肪燃焼量として１分当たりの燃焼量や積算値、これらの変化を表すグラフ表示などが上げられる。また、脂肪燃焼量の測定の後、センサー室１４内の気体を排除する必要があり（つまり、センサーチップ３２のリフレッシュ）、そのことを操作者に知らしめる表示も含まれる。例えば、「リフレッシュ」が表示されている場合には、採取試料排出操作を実行する。
また、図示は省略するが、電力供給部９０の電圧に応じて、電池交換指示または充電指示を表示する。
さらに、また、時刻やカレンダーなどの時計機能をデマンド表示としてもよい。
なお、ケース２０には操作部２２が配置されており、検出開始、検出終了、及びリセット等の操作を行う。
脂肪燃焼量の検出原理については、図３、図４、図５を参照して後述する。
【００３９】
続いて、制御系を含めた物質検出装置１の構成と作用について図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係る物質検出装置１の主要構成を示すブロック図である。物質検出装置１は、制御系の全体を制御する信号処理制御回路部８０を有し、信号処理制御回路部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）８１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）８２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）８３と、を含む。
【００４０】
前述したセンサー室１４の内部には、センサーチップと、センサーチップの有無検出とコードを読み取るためのセンサー検出器（図示せず）を備えており、センサー検出回路を経由してその情報がＣＰＵ８１に送られる。その情報が入力された状態は、検出開始可能な状態であるため、ＣＰＵ８１から表示部１３０へ操作可能であることを入力し、表示部１３０で表示する。
【００４１】
操作部２２から検出開始の信号をＣＰＵ８１が受けると、光源駆動回路８４から光源作動の信号を出力して、光源１００を作動させる。光源１００には、温度センサーや光量センサーが内蔵されており、光源１００が安定状態であることを確認できる。光源１００が安定した時に生体ガスをセンサー室１４内に採取する。なお、生体ガス採取には、図示しない吸引ポンプを用いてもよい。
【００４２】
光源１００は、単一波長で直線偏光の安定な光を射出するレーザー光源であって、ＣＰＵ８１からの信号により光源駆動回路８４により駆動され、光を射出する。この光は、レンズ４２、ハーフミラー４３、レンズ４１を経由してセンサーチップ３２に照射され、レイリー光と増強電場によって増強されたラマン散乱光（ＳＥＲＳ：表面増強ラマン散乱）がレンズ４１、ハーフミラー４３、レンズ４４、レンズ４５、光学フィルター５０、分光器６０を経由して受光素子７０へ入ってくる。分光器６０は、分光器駆動回路８５で制御される。また、受光素子７０は受光回路８６によって制御される。
【００４３】
光学フィルター５０（図１（ａ），（ｂ）、参照）ではレイリー光を遮断し、ＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scatering：表面増強ラマン散乱）光だけが分光器６０へ入る。分光器６０として、ファブロペリー共振を利用した波長可変エタロンを採用する場合には、透過する光の帯域（λ１〜λ２）と半値幅とが設定されており、λ１から始まって半値幅ずつ順次透過する波長を変化させて、λ２まで繰返し受光素子７０でその半値幅の光信号の強度を電気信号へ変換する。そうすることで、検出されたＳＥＲＳ光のスペクトルが得られる。
【００４４】
こうして得られた被検出物質（ここではアセトン）のＳＥＲＳ光のスペクトルは、信号処理制御回路部８０のＲＯＭ８３に格納されている指紋スペクトルと照合して、標的物質を特定し、アセトンの濃度を検出する。そして、アセトン濃度から脂肪燃焼量を算出し、算出結果を被験者に知らせるため、ＣＰＵ８１から表示部１３０へ結果情報が表示される。結果情報の１例を図１（ｃ）に示す。
【００４５】
測定時間を計測する時計機能は、周知の時計機能回路８７によって、予めセットした時刻から現在時刻と、脂肪燃焼開始の信号を受けて、脂肪燃焼測定開始時刻と終了時刻を表示する。また、１分間当たりの脂肪燃焼量、脂肪燃焼測定開始からの積算量などを表示するための時計機能を有している。
【００４６】
続いて、本実施形態の物質検出の原理について説明する。
図３は、本実施形態における物質検出の原理を模式的に示す説明図であり、（ａ）はラマン分光の説明図、（ｂ）は金属ナノ粒子に光を照射した時に形成される増強電場の説明図、（ｃ）は金属ナノ構造における表面増強ラマン散乱の説明図である。
まず、図３（ａ）を参照してラマン分光について説明する。標的分子（被検出物質分子）に入射光（波長ν）が照射されると、多くはレイリー散乱光として波長が変化せず散乱される。一部に標的分子の分子振動の情報を含んだラマン散乱光（波長ν−ν‘）が散乱される。そのラマン散乱光から、標的分子（ここではアセトアルデヒドを例）の指紋スペクトルが得られる。この指紋スペクトルによって、検出した物質がアセトアルデヒドと特定することが可能である。しかしながら、ラマン散乱光は非常に微弱であり、微量にしか存在しない物質を検出することは困難であった。
【００４７】
そこで、図３（ｂ）を参照して、入射する光の波長よりも小さな金属ナノ粒子に光を照射した時に形成される増強電場について説明する。金属ナノ粒子に対して光を照射する場合には、金属ナノ表面に存在する自由電子が、入射光の電場によって作用を受け共鳴することになり、金属ナノ粒子近傍には自由電子による電気双極子が揃った状態になった結果、入射光の電場よりも強い増強電場が形成される。この現象は、光の波長よりも小さな金属粒子に特有の現象であり、局在表面プラズモン共鳴と言われている現象である。
【００４８】
次いで、金属ナノ構造における表面増強ラマン散乱について図３（ｃ）を参照して説明する。本実施形態におけるセンサーチップ３２は、この金属ナノ構造３３を有する。
金属ナノ構造３３は、基板３４上にマトリクス状に配置された柱状の構造体３５の先端部に金属ナノ粒子３６が形成されたものである。
ラマン散乱光が増強電場中で発生すると、増強電場の影響によってラマン散乱光が増強されるという現象が、表面増強ラマン散乱（SERS）である。図３（ｃ）のように、基板３４上に金属ナノ構造３３を形成し、その間隙に増強電場を形成するように配置しておく。ここで標的分子が入り込むと、そのラマン散乱光は増強電場で増強されて強いラマン信号が得られることになる。結果として、微量に存在する標的分子であっても、ラマン分光ができることになる。このことによって、微量の標的分子（検出対象物質）を高感度に検出できる。
【００４９】
本実施形態の物質検出装置１は、生体ガスに含まれる成分を検出することを可能する装置であって、生体ガス中のアセトンを検出することで、脂肪がどれくらい燃焼したかを知ることができる。例えば、近年のメタボリックシンドロームのような生活習慣に起因する症状を改善する方法として定期的な有酸素運動が推奨されているが、運動の効果として手軽に脂肪燃焼量を知ることをできるようにすれば、生活習慣に起因する症状を改善することが可能である。
そこで、脂肪燃焼とアセトン検出の関係について説明する。
【００５０】
図４は、脂肪燃焼とアセトンの関係を示す説明図であり、（ａ）は主なエネルギー源となる３大栄養素の摂取から貯蔵までの流れ、（ｂ）は脂肪燃焼のメカニズム、（ｃ）は有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移を表している。
【００５１】
図４（ａ）に示すように、食事で摂取された３大栄養素の炭水化物、脂質、蛋白質は、胃で消化され、小腸でさらに消化されたうえ吸収される。吸収された栄養素は、炭水化物はグルコースに、脂質は脂肪酸やグリセロールに、蛋白質はアミノ酸に、夫々形を変えて血液中を循環する。これらの一部は燃焼し、余分となったものは、グルコースは肝グリコーゲンや筋グリコーゲンに、脂肪酸やグリセロールは中性脂肪を経由して脂肪に、アミノ酸は蛋白質に、夫々形を変えて貯蔵され、必要に応じて逆の流れを経て消費される。３大栄養素が燃焼された時の単位重量あたりのエネルギーは、炭水化物が４ｋｃａｌ／ｇ、脂質が９ｋｃａｌ／ｇ、蛋白質が４ｋｃａｌ／ｇに相当する。（実用的な食品のカロリー）但し、脂質については、白色脂肪細胞に貯蔵される時には水分を含むので、７．２ｋｃａｌ／ｇのエネルギーに相当する。
【００５２】
脂肪燃焼のメカニズムは、図４（ｂ）に示すように、運動をするとアドレナリンが出て、脂肪細胞中のホルモン感受性リパーゼが活性化されて中性脂肪の分解が促進され、脂肪酸とグリセロールになる。脂肪酸のままでは血液中に循環できないため、アルブミンと結合して遊離脂肪酸となって血液中を循環する。その内の一部は、心筋や骨格筋に供給され、β‐酸化により分解されて、NADH2+やFADH2を生成しながらアセチル‐ＣｏＡになり、ＴＣＡ回路（通称クエン酸回路）を経てＡＴＰ（Adenosine Triphosphate）が生成され最終的には二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）になる。
【００５３】
骨格筋では、グリコーゲンが主にエネルギーとして消費され遊離脂肪酸の消費は少ない。心筋ではエネルギー総量の約７０％が遊離脂肪酸として消費される。
他方、遊離脂肪酸の多くはカルニチンと結合しアシルカルニチンとなり肝臓へ供給される。肝臓ではアシル‐ＣｏＡになって、肝臓のミトコンドリアでβ酸化され、アセチル‐ＣｏＡになる。さらにアセチル‐ＣｏＡからアセト酢酸になり、更にβヒドロキシ酪酸やアセトンになる。アセト酢酸、βヒドロキシ酪酸、アセトンを総称してケトン体と言い、アセトンのみが気体となって血液中を循環し、呼気ガスや皮膚ガスの成分として放出される。脂肪燃焼の割合から見ると、骨格筋や心臓よりも肝臓での割合が多く、脂肪燃焼とアセトンには相関がある。従って、呼気ガス中のアセトン量や皮膚ガス中のアセトン量を測定することで、脂肪燃焼量を知ることができる。
【００５４】
続いて、有酸素運動における糖質と脂肪の利用率の時間的推移について図４（ｃ）を参照して説明する。
ステップ１…筋肉グリコーゲンの代謝によりＡＴＰを合成する。
ステップ２…筋肉グリコーゲンの減少に伴い、血中グルコースの利用が始まり、脂肪組織の脂肪が遊離脂肪酸として血液中に遊離する。そして、血中グルコースと遊離脂肪酸を燃料とし、酸化系の代謝によりＡＴＰを合成する。脂肪の燃焼が活発になるのは、運動開始後１５〜２０分以降と言われている。どんな運動強度でも脂肪燃焼が活発に行われる訳ではなく、運動強度が比較的軽い領域において、脂肪燃焼が盛んになる。運動強度が高くなると、無酸素運動となるため脂肪燃焼量は減少し、代わりにグリコーゲンが主に消費される。
【００５５】
前述したように、人の皮膚ガス中のアセトン濃度を検出することで、脂肪がどれくらい燃焼したかを知ることができる。そこで、アセトン濃度とアセトン信号強度の関係について説明する。
図５は、アセトン濃度とアセトン信号強度の関係を示すグラフである。なお、図５は、アセトンの濃度の異なる試料ガスを調整して作製して、夫々の試料についてアセトン検出を行い、アセトンの夫々のスペクトルの内、特に強く出るピークに関してアセトン信号強度を求め、アセトン濃度とアセトン信号強度との相関を表すグラフである。図５に示すように、アセトン濃度（指数表示）とアセトン信号強度は、ほぼ直線で表すことができる。
なお、アセトン濃度は、センサー室１４の容積が既知であれば、アセトン量に置き換えることができる。
次に、検出したアセトン濃度（アセトン量）から脂肪燃焼量を算出する。
【００５６】
前述したように、３大栄養素は、糖、脂質、タンパク質であり、それぞれ炭素原子、酸素原子、水素原子などの構成割合が異なる。そのため、内呼吸のとき、どの栄養素が分解しているかにより消費されるＯ2と産生されるＣＯ2の割合が異なる。体細胞全体で、ある栄養素が主に代謝されているとき、その割合は呼吸にも反映される。それを表現したのが呼吸商ＲＱ（Respiratory Quotient）であり、下記の式で表される。
呼吸商ＲＱ＝（単位時間あたりのＣＯ2の排出量）／（単位時間あたりのＯ2の消費量）
脂質は、脂肪酸自体の中に酸素原子が非常に少ないため、分解するときは多くの酸素を消費しなければならない。Ｏ2消費量の割にはＣＯ2産生量が少ないためで呼吸商は０．７０と３大栄養素の中では最小である。脂肪は酸素の含有率が低く、単位重量あたりの熱量は９．３ｋｃａｌ／ｇと３大栄養素中最大である。エネルギーを保存する場合に適した栄養素であり、過食により皮下に貯蔵されるのも脂肪である。
【００５７】
糖質は、一般的に原子の割合はＣ6Ｈ12Ｏ6である。酸素原子が多く含まれているため、酸素消費量は少なくても分解できる。呼吸商は１．００と３大栄養素の中では最大である。逆に、酸素の含有が高いので、重量あたりの熱量は４．１ｋｃａｌ／ｇと３大栄養素中最小である。
【００５８】
タンパク質は、原子の割合は脂質と糖質の中間であり、呼吸商は０．８５、熱量は５．３ｋｃａｌ／ｇである。理論的には、呼吸商ＲＱが９以上にもなり得るが、臨床的には１を超えることはめったにない。一方、呼吸商ＲＱが０．７のときは脂肪利用を示し、０．７以下の際は飢餓状態でケトン体産生（ケトーシス）である。ごく最近では、安静時では呼吸商ＲＱが一定であると考えてよく、個人の呼吸商ＲＱのばらつきも０．７８〜０．８７の範囲であることが知られている。
【００５９】
３大栄養素及びケトン体が酸化される時に生じるエネルギーは次の式で表される。
（１）糖質が酸化される場合
Ｃ6Ｈ12Ｏ6＋６Ｏ2→６ＣＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋３６ＡＴＰ  （６５７kcal）
［ＲＱ＝６ＣＯ2／６Ｏ2＝１．０］
（２）脂肪が酸化される場合
Ｃ55Ｈ102Ｏ6＋７７．５Ｏ2→５５ＣＯ2＋５１Ｈ2＋４２９ＡＴＰ  （７，８３３kcal）
［ＲＱ＝５５ＣＯ2／７７．５Ｏ2＝０．７１］
（３）タンパク質が酸化される場合
Ｃ100Ｈ159Ｏ32Ｓ0.7＋１０５．３Ｏ2→１３ＣＯＮ2Ｈ4（urea）＋８７ＣＯ2＋５２．８Ｈ2Ｏ＋０．７Ｈ2ＳＯ4＋２７ＡＴＰ（４，９４８kcal）
［ＲＱ＝８７ＣＯ2／１０５．３Ｏ2＝０．８３］
（４）脂肪からケトン体が産生される場合
０．１７６ｇ（脂質）＋０．４３７ＬＯ2→１ｇ（ケトン体）＋０．１１ＬＣＯ2＋０．１２９Ｈ2Ｏ
＋２，０３９kcal［ＲＱ＝０．１１１ＬＣＯ2／０．４３７ＬＯ2＝０．２５］
脂肪燃焼率（ｇ／ｍｉｎ）＝酸素摂取量（ｌ／ｍｉｎ）×酸素１ｌあたりの熱量（ｋｃａｌ／ｌ）×脂質の燃焼比率（％）×脂質の熱量相当の重量（ｇ／ｋｃａｌ）
【００６０】
ここで、酸素摂取量（ｌ／ｍｉｎ）は、呼気ガス分析装置によって測定される値であり、酸素１ｌあたりの熱量（ｋｃａｌ／ｌ）は、呼気ガス分析装置によって測定される呼吸商ＲＱ値から、表１に示される酸素１ｌ当たりの熱量（ｋｃａｌ／ｌ）に換算して求められる。
【００６１】
【表１】
2014010046.tif 000003
【００６２】
表１は、非たんぱく呼吸商から糖質・脂質の燃焼率及び発生熱量を求める表である。脂質の燃焼比（％）は、表１から呼吸商に対する燃焼における糖質と脂質の比率で表すことができ、脂質の熱量相当の重量は、脂肪Ｃ55Ｈ102Ｏ6（８５９．３９５ｇ／ｍｏｌ）が燃焼すると７，８３３ｋｃａｌのエネルギーが発生するため、０．１０９７（ｇ／ｋｃａｌ）となる。
こうして得られた脂肪燃焼率と１分間当たりの皮膚から放散されたアセトン量の相関を予め測定対比しておき、測定された１分間当たりの皮膚から放散されたアセトン量から脂肪燃焼率を算出することができる。
【００６３】
以上説明した本実施形態による物質検出装置１は、検出試料採取部１０と検出部３０と表示部１３０が、ケース２０の内部に格納されて一体型構成となっている。このように構成される物質検出装置１は、装着ベルト１２０によって身体の様々な位置に装着させることが可能である。装着位置の実施例について図６に示す。
図６は、一体型の物質検出装置１の装着位置を例示する説明図である。図６に示すように、物質検出装置１は、手首部、腕部、胸部、腰部、脚部等に装着することが可能である。この際、検出試料採取部１０が皮膚に密着するように装着できれば、装着位置は特に限定されないが、手首部に装着すれば、腕時計の装着感覚で、しかも、物質検出装置１を装着した状態で表示部１３０を被験者（装着者）自身が視認しやすいことから、常時、脂肪燃焼量を認知することが可能で、利便性が高い。
【００６４】
本実施形態による物質検出装置１は、人の皮膚から発生する生体ガスを採取し、センサー部３１に光を照射することで発生する局在表面プラズモン共鳴を利用したラマン散乱光のスペクトルと指紋スペクトルとを照合して被検出物質を特定し、被検出物質の濃度（または量）と相関関係がある特定物質の量を算出して表示部１３０に表示するものである。従って、このような構成によれば、生体ガス中に含まれる微量な被検出物質を高感度で検出することが可能な物質検出装置１を実現できる。
【００６５】
本実施形態において例示した被検出物質はアセトンであり、特定物質が体脂肪である。そこで、アセトン濃度を検出することによって正確な脂肪燃焼量の測定が可能になる。従って、上述した物質検出装置１を用いて手軽に運動の効果として体脂肪の燃焼量を知ることができれば、メタボリックシンドローム傾向の被験者の運動継続のモチベーションが向上し、生活習慣に起因する症状を改善することができる。
【００６６】
また、本実施形態の物質検出装置１は、構成する各構成要素を小型化できるので、被験者に装着可能なサイズを実現できる。さらに、皮膚から発生する生体ガスを採取することから、前述した呼気を採取する構成とは異なり、運動中にも脂肪燃焼量を測定することができる。
【００６７】
また、検出試料採取部１０は、人の皮膚に密着し、且つ生体ガスをセンサー部３１に透過させる第１透過膜１１と第２透過膜１２を備えている。生体ガス中には、アセトンのほかに水分が含まれる。センサー部３１に水分が付着するとラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって増強することができない。そこで、生体ガスは透過し、水分は透過させない透過膜を用いることにより、ラマン散乱光を局在表面プラズモン共鳴によって高効率で増強することができる。
【００６８】
また、センサー部３１は、光源１００から射出される光の波長より小さい金属ナノ構造３３を有するセンサーチップ３２を備えている。このように金属ナノ構造３３を用いることから、局在表面プラズモン共鳴によって微量に存在する標的分子（アセトン分子）であっても、ラマン分光ができることになり、微量のアセトンを高感度に検出できる。
【００６９】
また、本実施形態の物質検出装置１は、センサー室１４の内部に収容された生体ガスをセンサー室１４の外部に排出する採取試料排出手段１１０をさらに備えている。採取された生体ガスがセンサー室１４内に滞留していると、次の検出操作において正確な検出結果は得られない。そこで、再び検出操作する前に採取試料排出手段１１０によって生体ガスをセンサー室１１４外に排出することによって、正確な検出結果を得ることができる。
【００７０】
図１に示したように、本実施形態の物質検出装置１は、腕時計型体脂肪燃焼測定装置を構成していることから、日常生活の中や運動中にも携帯可能となり、被験者自身が、その場で運動の成果として脂肪燃焼量を認識することができるという効果がある。
（実施形態２）
【００７１】
続いて、実施形態２に係る物質検出装置２について説明する。前述した実施形態１の物質検出装置１が、検出試料採取部１０と検出部３０と表示部１３０とが、一体化された腕時計型構成であることに対して、実施形態２は、検出試料採取部１０と、光源１００と、センサー部３１と、表示部１３０とが、一体化された本体部２００と、分光器６０と、受光素子７０と、信号処理制御回路部８０とが、一体化された検出部２５０と、に分離され、本体部２００と検出部２５０とが、光ファイバー２１０とケーブル２２０とで接続されていることに特徴を有している。
図７は、実施形態２に係る物質検出装置２を示し、（ａ）は全体構成説明図、（ｂ）は本体部２００の断面図である。図７（ａ）に示すように、物質検出装置２は、本体部２００と検出部２５０とから構成されている。本体部２００と検出部２５０とは、増強されたラマン散乱光を検出部２５０へ搬送する光ファイバー２１０と、電力供給部９０から本体部に電力を供給し、また、検出部２５０によって処理された電気信号を本体部２００に入力するケーブル２２０と、によって接続されている。
【００７２】
検出部２５０は、本体ケース２５内に、光ファイバー２１０によって取り入れられた増強ラマン散乱光を集光するレンズ４６，４７と、集光された増強ラマン散乱光からレイリー散乱光を除去する光学フィルター５０と、増強ラマン散乱光をスペクトルに分解する分光器６０と、分光されたスペクトルを電気信号に変換する受光素子７０と、分光されたスペクトルを生体ガスから検出したアセトン特有の指紋スペクトルの情報として電気信号に変換する信号処理制御回路部８０と、電力供給部９０と、を備えている。
【００７３】
本体部２００は手首部に装着される場合を例示している。図７（ｂ）に示すように、本体部２００は、人の皮膚と密着する第１透過膜１１と、第１透過膜１１とは空間１３を有して配置される第２透過膜１２とを有している。第１透過膜１１及び第２透過膜１２は、前述した実施形態１（図１（ｂ）、参照）と同じ機能を有する。
第１透過膜１１と第２透過膜１２とは、ケース２０の人体側に取付けられ、装着ベルト１２０によって第１透過膜１１が皮膚に密着するように取り付けられる。
【００７４】
第２透過膜１２の内側にはセンサー室１４と検出室１５とが隔壁で仕切られて設けられており、センサー室１４は、腕（皮膚）から放散された生体ガスが収容される空間であって、センサー部３１（センサーチップ３２）が配置されている。センサー部３１（センサーチップ３２）の構成及び作用については、実施形態１（図４、参照）と同じである。
【００７５】
センサー室１４には、検出する分子を励起する光源１００、光源１００から照射される光をセンサー部３１に集光するレンズ４２と、ラマン散乱光を増強するセンサーチップ３２と、が配置されている。検出室１５には、センサーチップ３２から散乱される増強されたラマン散乱光を集光するレンズ４１，４２と、増強されたラマン散乱光を検出部２５０へ搬送する光ファイバー２１０が接続されている。センサー室１４には、内部に取込まれた生体ガスを外部に排出する採取試料排出手段１１０と連通する吸気口１１１ｂが開口されている。
【００７６】
採取試料排出手段１１０としては、本実施形態ではチューブポンプを用いることができる。チューブポンプは、弾性を有する排出チューブ１１２と、排出チューブ１１２を押圧する複数の回転ローラー１１３と、回転ローラー１１３をセンサー室１４側から排出口１１１ａに向かって位置を移動させる回転リング２６とを有して構成されている。排出チューブ１１２の一端はセンサー室１４に連通する吸気口１１１ｂである。回転リング２６の回転は手動でも行ってもよく、モーター駆動であってもよい。
【００７７】
また、光源１００は、光ファイバー２１０によって電力供給部９０に接続されて電力が供給される。表示部１３０は、ケーブル２２０によって信号処理制御回路部８０に接続されて表示信号が入力される。また、操作部２２の入力信号がケーブル２２０を介して信号処理制御回路部８０に入力されることにより、脂肪燃焼測定を開始し、または終了する。従って、ケーブル２２０は多層または多軸ケーブルである。
なお、表示部１３０が液晶表示装置や有機ＥＬ装置のような電気光学表示装置の場合には、表示用ドライバーが設けられる。
【００７８】
本体部２００の図示上部には表示部１３０が配置されており、表示部１３０の上方には風防ガラス２１が配置され、表示部１３０を保護している。
次に、本体部２００の平面外観を図８に例示し説明する。
【００７９】
図８は、本実施形態に係る本体部２００の平面外観図である。物質検出装置２の操作をするための操作部２２，２３、センサー部３１の生体ガスを排出するための採取試料排出手段１１０（チューブポンプ）を作動する回転リング２６、チューブポンプの一方の端部を外気へ連通するための排出口１１１ａなどがケース２０に備えられている。中央部には表示部１３０があり、現在時刻、脂肪燃焼測定開始時刻、単位時間（１分間）当たりの脂肪燃焼量（ｇ／ｍ）、測定開始からの累積（積算）脂肪燃焼量（ｇ）などを表示することができる。ケース２０には腕に装着するための装着ベルト１２０が設けられている。
【００８０】
使用する人は、まず回転リング２６を回転させ、回転ローラー１１３の位置を移動させてセンサー室１４内の生体ガスを排出する。次に操作部２２を押して測定を開始する。すると、脂肪燃焼測定開始時刻の表示がリセットされ、操作部２２を押した時刻が表示されて脂肪燃焼量の測定が開始される。適切な運動をすることによって、安静時よりも多く脂肪が燃焼することになる。その結果が、１分当たりの脂肪燃焼量（ｇ／ｍ）と累積脂肪燃焼量として表示される。測定が終了したら、操作部２２を押すとそこで、脂肪燃焼測定が終了する。なお、表示部１３０には、脂肪燃焼測定が開始可能か（生体ガスがセンサー室１１４から排出されているか）、または生体ガスを排出させるためのアイコンを表示させればなおよい。また、電力供給部９０の電圧情報も表示されることが望ましい。
【００８１】
なお、本実施形態の物質検出装置２は、本体部２００と検出部２５０とが分離されている。前述したように本体部２００は腕（手首部）に装着可能な形態を有しており、一方の検出部は、光ファイバー２１０及びケーブル２２０によって本体部２００に接続された状態で、日常生活及び運動時に邪魔になりにくい位置（腕部や胸部や腹部や脚部等）に図示しないベルト等で装着することが可能である。
【００８２】
このような構成にすれば、本体部２００及び検出部２５０が分離されることから、各々は前述した一体型よりもさらに小型化・軽量化が可能となり、例えば、本体部２００は被験者自身が表示を視認しやすい手首部に装着し、検出部２５０は運動量の少ない任意位置に装着することができる。
（実施形態３）
【００８３】
続いて、実施形態３に係る物質検出装置３について説明する。前述した実施形態２の物質検出装置２が、本体部２００と検出部２５０とから構成され、本体部２００の検出試料採取部１０が手首部などの皮膚に密着して生体ガスを直接センサー室１４に取り込むことに対して、実施形態３は、生体ガス採取部を本体部２０２と分離していることに特徴を有している。よって、実施形態２との相違箇所を中心に、共通部分には実施形態２（図７、参照）と同じ符号を附して説明する。
図９は、実施形態３に係る物質検出装置３を示し、（ａ）は全体構成説明図、（ｂ）は本体部２０２を示す断面図である。
【００８４】
図９（ａ）に示すように、物質検出装置３は、本体部２０２と、検出試料採取部３００と、検出部２５０とから構成されている。検出部２５０は、前述した実施形態２と同じ構成である。本体部２０２は、実施形態２における検出試料採取部１０（図７（ｂ）、参照）とほぼ同じ構成であるが、第１透過膜１１と第２透過膜１２は、互いの間に空間を有して検出試料採取部３００に設けられている。本体部２０２のセンサー室１４と検出試料採取部３００とは、生体ガス導入チューブ３０３で連通されている。なお、検出試料採取部３００は、誇張して図示している。
【００８５】
検出試料採取部３００は、本体部２０２にできるだけ近い位置に配置される。本実施形態では、本体部２０２を手首に装着し、検出試料採取部３００を手首部の上部の腕部に装着している。検出試料採取部３００は、バルーン状の外隔壁３０１で腕部の周囲を覆い、内部に生体ガスを収容可能になっている。そして、本体部２０２に近い位置で生体ガス導入チューブ３０３に連通されている。なお、外隔壁３０１で囲まれた空間と生体ガス導入チューブ３０３の端部開口部３０３ａとの間には、第１透過膜１１及び第２透過膜１２が設けられている。なお、第１透過膜１１を腕部表面に密接させる構成としてもよい。また、第２透過膜１２を省略することも可能である。生体ガス導入チューブ３０３の他方の端部開口部３０３ｂは、センサー室１４に連通し、検出試料採取部３００内の生体ガスをセンサー室１４の内部に取り込む。
【００８６】
外隔壁３０１には、バルブ３０２が設けられており、脂肪燃焼量測定後、バルブ３０２を開放して検出試料採取部３００内部の生体ガスを排出し、脂肪燃焼量測定開始前にバルブ３０２を閉鎖し、生体ガスを内部に採取する。
センサー室１４内の生体ガスは、実施形態２と同様に採取試料排出手段１１０によって外部に排出させる。
【００８７】
本実施形態では、検出試料採取部３００が本体部２０２と分離されている。このようにすれば、本体部２０２を手首部に装着し、検出試料採取部３００を本体部２０２近傍の腕部に装着すれば、検出試料採取部３００の生体ガスの採取面積を大きくでき、生体ガスの採取量を増加させることができる。
（実施形態４）
【００８８】
続いて、実施形態４に係る物質検出装置４について説明する。前述した実施形態１の物質検出装置１が、検出試料採取部１０と検出部３０と表示部１３０とが、一体型構成であることに対して、実施形態４は、表示部４１０のみを検出装置の本体部との分離構成としていることに特徴を有している。
図１０は、実施形態４に係る物質検出装置４の構成説明図であり、（ａ）は検出装置本体部４００を腕部に装着した場合、（ｂ）は検出装置本体部４００を腹部に装着した場合である。物質検出装置４は、検出装置本体部４００と表示部４１０とから構成されている。検出装置本体部４００は、検出試料採取部１０と検出部３０とから構成され、実施形態１（図１（ａ），（ｂ）、参照）から表示部１３０を取り除いた構成である。よって、視認可能な構成とすることは必要ないことから、検出装置本体部４００は、生体ガスを取り入れることが可能な身体の任意の位置に装着することが可能である。従って、検出装置本体部４００及び表示部４１０には、アンテナや無線通信回路が備えられている。
【００８９】
表示部４１０は、液晶表示装置や有機ＥＬ装置のような電気光学表示手段を用いており、ケースに格納され、装着ベルト等で身体の視認しやすい位置に装着される。
【００９０】
このような構成では、表示部４１０が身体から離れた位置にあっても良く、検出装置本体部４００で検出したデータを、例えば、ＰＣや携帯電話、タブレット情報機器等に送信し、これらの機器の表示部に検出結果を表示させることが可能である。従って、被験者から離れた位置で検出結果を認識することができ、ＰＣや携帯電話のメモリーを利用して過去の検出結果や長時間の累積値を把握することが可能となる。
【００９１】
なお、通信手段としては、無線通信だけでなく、ケーブルで接続する構成でも、光通信を応用することも可能である。
【００９２】
なお、脂肪燃焼量の検出を利用して、適切な運動強度を管理することが可能である。そのことについて説明する。
図１１は、運動強度、脈拍数と脂肪燃焼量の関係を示し、（ａ）は運動強度と脂肪燃焼量の関係を示すグラフ、（ｂ）は脈拍数と脂肪燃焼量の関係を示すグラフである。
図１１（ａ）に示すように、脂肪燃焼率（単位時間当たりの脂肪燃焼量）が最大になるのは、男女、年齢、運動習慣などによって異なっており、一般の人では運動強度が約４０％前後の時に、運動選手では運動強度が約５０％前後の時に、脂肪燃焼率が最大になっている。従って、効率的に脂肪燃焼を行うには、個人毎に運動強度を適切に管理する必要がある。つまり、個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度を測定しておき、その運動強度を心拍数や脈拍数など運動中にも容易に管理できる数値で指示して運動を行えばよい。
【００９３】
個人毎に脂肪燃焼率が最大になる運動強度は、運動習慣や年齢によって変化していくものであり、定期的に測定することが、脂肪燃焼の効果を高めることになる。
例えば、図１１（ｂ）に示す例では、脈拍数１１０以下が弱い運動、１１０〜１４０の範囲が脂肪燃焼ゾーン、１４０以上がオーバーペースとなる人は、脈拍数が１１０〜１４０の範囲の運動強度によって脂肪燃焼効率を高めることができる。このことから、適切な運動強度に従って運動を一定時間行い、その効果を確認することができたら、運動を継続するモチベーションが高まり、継続的な効果が期待できる。
【００９４】
上記実施形態において説明した各物質検出装置は、運動中に脂肪燃焼量を測定することが可能であって、脂肪燃焼率を最大にする適切な運動強度を選択し、適切な運動強度の運動を実施すれば効率的な脂肪燃焼を実現し、そのことを自身で確認できるという特徴を有する。
【符号の説明】
【００９５】
１…物質検出装置、１０…検出試料採取部、１１…第１透過膜、１２…第２透過膜、１４…センサー室、３１…センサー部、６０…分光器、７０…受光素子、８０…信号処理制御回路部、９０…電力供給部、１００…光源、１３０…表示部。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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