(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）と、
前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射する照射器（２１）と、
前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器（２２）と、
前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射する放射手段（２３、２５、２５１）と、
前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）と、
前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求める演算器（３）と、を備え、
前記回帰係数スペクトルは、
前記赤外光の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての赤外光の回帰係数スペクトルと、
前記電磁波の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての電磁波の回帰係数スペクトルと、を含み、
前記演算器（３）は、前記光検出器（２２）から得たスペクトルを、前記赤外光の回帰係数スペクトルにフィッティングするとともに、前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを、前記電磁波の回帰係数スペクトルにフィッティングすること
を特徴とする成分濃度分析装置。
【請求項２】
前記放射手段（２３、２５、２５１）は、
第１の周波数帯域の電磁波を発生する第１の放射手段（２３）と、
第２の周波数帯域の電磁波を発生する第２の放射手段（２５、２５１）を含み、
前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）は、
前記第１の周波数帯域の電磁波を検出する第１の電磁波検出手段（２４）と、
前記第２の周波数帯域の電磁波を検出する第２の電磁波検出手段（２５、２３９）とを含む
ことを特徴とする請求項１記載の成分濃度分析装置。
【請求項３】
赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）と、
前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射する照射器（２１）と、
前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器（２２）と、
前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射する放射手段（２３、２５、２５１）と、
前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）と、
前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求める演算器（３）と、
光源（２３１）と、
前記光源（２３１）からの光を振幅変調する振幅変調器（２３３）と、
前記振幅変調器（２３３）による振幅変調後の光を２分岐する光スプリッタ（２３５）とを備え、
前記照射器（２１）は、前記光スプリッタ（２３５）で分岐した一方の光から赤外光を発生させるものであり、
前記放射手段（２３、２５、２５１）は、前記光スプリッタ（２３５）で分岐した他方の光から電磁波を発生させる放射器（２３）を含む
ことを特徴とする成分濃度分析装置。
【請求項４】
前記放射手段（２３、２５、２５１）は、前記被測定試料（Ｔ）の位置に配置され、前記光スプリッタ（２３５）で分岐した他方の光から生成された電磁波を導入する同軸線（２３７）を介して接続されたコプレーナ線路（２５１）を含み、
前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）は、前記コプレーナ線路（２５１）に同軸線を介して接続されたアンプ（２３９）を含む
ことを特徴とする請求項３記載の成分濃度分析装置。
【請求項５】
赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）と、
前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射する照射器（２１）と、
前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器（２２）と、
前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射する放射手段（２３、２５、２５１）と、
前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）と、
前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求める演算器（３）と、
連続波光源（２６１）と、
前記連続波光源（２６１）から発生した第１の周波数（Ｆ１）の光を２分岐する第１光スプリッタ（２６２）と、
前記連続波光源（２６１）から発生した第２の周波数（Ｆ２）の光を２分岐する第２光スプリッタ（２６３）と、
前記第１光スプリッタ（２６２）で分岐した一方の光と前記第２光スプリッタ（２６３）で分岐した一方の光を合波する第１カプラ（２６４）と、
前記第２光スプリッタ（２６３）で分岐した他方の光の位相を変調させる光位相変調器（２６５）と、
前記第１光スプリッタ（２６２）で分岐した他方の光と前記光位相変調器（２６５）による位相変調後の光を合波する第２カプラ（２６７）と、
前記第１カプラ（２６４）で合波された光を分岐する第３光スプリッタ（２６８）とを備え、
前記照射器（２１）は、前記第３光スプリッタ（２６８）で分岐した光から赤外光を発生させるものであり、
前記放射手段（２３、２５、２５１）は、前記第３光スプリッタ（２６８）で分岐した他の光から電磁波を発生させる放射器（２３）を含み、
前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）は、前記第２カプラ（２６７）で合波された光を用いて前記電磁波をホモダイン検波する電磁波検出器（２７１）を含む
ことを特徴とする成分濃度分析装置。
【請求項６】
前記放射手段（２３、２５、２５１）は、前記被測定試料（Ｔ）の位置に配置され、前記第３光スプリッタ（２６８）で分岐した他方の光から生成された電磁波を導入する同軸線（２３７）に接続されたコプレーナ線路（２５１）を含み、
前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）は、前記コプレーナ線路に同軸線（２３７）を介して接続されたアンプ（２３９）を含む
ことを特徴とする請求項５記載の成分濃度分析装置。
【請求項７】
赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）を用いる成分濃度分析方法であって、
照射器（２１）が、前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射し、
光検出器（２２）が、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信し、
放射手段（２３、２５、２５１）が、前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射し、
電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）が、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出し、
演算器（３）が、前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求め、
前記回帰係数スペクトルは、
前記赤外光の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての赤外光の回帰係数スペクトルと、
前記電磁波の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての電磁波の回帰係数スペクトルと、を含み、
前記演算器（３）は、前記光検出器（２２）から得たスペクトルを、前記赤外光の回帰係数スペクトルにフィッティングするとともに、前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを、前記電磁波の回帰係数スペクトルにフィッティングする
ことを特徴とする成分濃度分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定試料の濃度を求める成分濃度分析装置および成分濃度分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、高齢化が進み、成人病に対する対応が大き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測定装置が注目されている。
【０００３】
非侵襲な成分濃度測定装置として、分光法が提案されている。従来の非侵襲的な測定法としては、様々な周波数帯において試みられており、近赤外分光法では拡散反射法、光音響法が、中赤外分光法では全反射減衰法が試みられている（非特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
分光法では、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、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しう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いたっていない。
【０００５】
赤外領域には、生体成分に係る種々の吸収があるが、非侵襲的測定法においては、生体の主成分である水の背景吸収、生体組織（皮膚、血球等）の光散乱が大きな誤差要因となることが知られている。例えば、水の背景吸収はグルコースの吸収の１０００倍となるため、環境温湿度の影響や発汗による組織水分量の変化が誤差要因として顕著となる。また、グルコースの吸収帯において、水のスペクトルは温度によってシフトするため、発熱の影響も誤差要因として無視できない。皮膚の光散乱係数は、皮膚構造が角質や真皮の多層構造になっていることからモデル化が難しく、個人差もあることが知られている。
【０００６】
生体は多成分系であり、生体成分の定量には、主成分分析やＰＬＳ回帰分析等の多変量解析等のケモメトリックス手法が用いられることが一般的である。
【０００７】
近赤外領域では皮膚の光散乱を利用した拡散反射法により、グルコース、アルブミン、コレステロール等の血液成分や水、光散乱シミュレーションによりモデル化を行った生体光散乱係数をデータベースに、未知のスペクトルを分析する（非特許文献１参照）。しかしながら、多成分系における成分の吸収スペクトルを変数とした変数間に相関があるため、回帰分析における十分な回帰精度を得るのが難しい。
【０００８】
図１２は、従来の赤外分光システムを示す。
【０００９】
赤外分光器１０１は、ブロードな近赤外領域の波長の光を発生する連続波光源を備え、マルチコアファイバ１０２を介して、照射部１０３と検出部１０４が接続される。照射部１０３は、被検体Ｔに光を照射し、検出部１０４は、生体内散乱による拡散反射した光を検出する。（非特許文献１参照）。
【００１０】
そして、アルブミン、グルコース、コレステロール等から多変量検量モデルを構築して、Partial Least Squares回帰法によりターゲット分子であるグルコースの非侵襲測定を高精度に行う。
【００１１】
近赤外領域では皮膚の光散乱を利用した拡散反射法により、グルコース、アルブミン、コレステロール等の血液成分や水、光散乱シミュレーションによりモデル化を行った生体光散乱係数をデータベース１０５として、検量モデルを作成し、演算部１０６が、未知のスペクトルを分析し、表示部１０７に表示する（非特許文献１参照）。
【００１２】
生体内の光散乱の影響を低減するために、光を音波に光熱変換する光音響法を用いて試みられた例もある。背景吸収を差分するために、互いに逆相に変調した２波長の光を皮膚に照射し、発生した音波を検出する構成である（特許文献１参照）。連続的に強度変調した光源を用いている。第１の光源は、波長λ１の測定光を発生する。第２の光源は、波長λ２の参照光を発生する。発振器は、第１の光源及び第２の光源から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。１８０°移相器は、発振器からの変調信号のうち一方を反転して出力する。駆動回路は第１の光源を駆動させる。
【００１３】
駆動回路は、１８０°移相器で反転された変調信号を基に第２の光源を駆動させる。第１の光源は、駆動回路からの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。第２の光源は、駆動回路からの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。これにより、異なる２波長λ１及びλ２光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。
【００１４】
ここで、２つの波長λ１及び波長λ２は、対象成分の呈する吸収の差が、背景成分の呈する吸収の差よりも大きい波長である。また、波長λ１は、対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定する。波長λ１及び波長λ２は、対象成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長であってもよい。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして成分濃度測定装置の測定精度をよくすることができる。２つの波長λ１及び波長λ２の光により被測定物の内部で光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサにより検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、位相検波増幅器によって観測される。２波長に対応する光音響信号の強度の差は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。拡散反射法と比して、光散乱の影響は低減できるものの、同様に水の背景吸収の変動により測定精度が制限される。
【００１５】
中赤外領域で波長が長い分、光散乱の影響は低減するものの、水の吸収が非常に大きいため、全反射減衰法により非侵襲測定が試みられた。皮膚内への到達深度が真皮層まで到達しないことや、透過量が僅かであることが課題となり、感度が十分に得られていない（非特許文献２参照）。
【００１６】
水の吸収はあるものの、波長が非常に長く光散乱が無視できる周波数帯として、マイクロ波からミリ波の周波数帯がある。従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波帯において、ベクトルネットワークアナライザ（Vector Network Analyzer:以下ＶＮＡ）に接続した同軸型プローブを用いた反射型測定による誘電分光測定がある（非特許文献３参照）。
【００１７】
図１３は、従来のマイクロ波・ミリ波帯誘電分光測定系を示す。図は、誘電分光法による成分濃度測定装置を示す構成例である。
【００１８】
ここでは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する。非特許文献３にも記載されるように同軸型プローブ２０１を用いて複素誘電率を測定する方法は一般的である。符号Ｇはグランド、符号Ｓは信号線である。開放端の同軸線路は液体の測定試料２０２に適している。開放端からは無限遠境界を前提として反射信号から複素誘電率が計算される。つまり、測定試料２０２に電場を印加し、ＶＮＡにより、反射係数と位相を周波数領域で測定する。また、測定試料２０２に立ち上がりの速いステップ状の電圧を印加し、その反射波形の時間変化から複素誘電率を求める方法もある。この際には、反射係数のかわりに透過係数を測定してもよい。この方法を時間領域反射（または透過）測定法と呼ばれる。周波数領域の測定では、反射係数／位相スペクトルを取得するために印加電界の周波数を掃引する。測定したスペクトルから複素誘電率は、次のように算出できる。
【００１９】
【数１】
0006389135.tif 000002
ここで、ε*は未知サンプルの複素誘電率、εi*(i=A,B,C)は較正サンプルＡ，Ｂ，Ｃの複素誘電率である。また、ρ*は複素反射係数で、測定で得られた反射係数をΓi、位相をφiとするとき、
【００２０】
【数２】
0006389135.tif 000003
と表される。ρiはそれぞれ較正サンプルの測定結果に対応し、ρ*は未知サンプルの測定結果を表す。
【００２１】
開放端同軸型のプローブを用いる場合の一般的な測定では、較正サンプルＡとして空気中での開放端、較正サンプルＢとして金属板による短絡、較正サンプルＣとして誘電率が既知の純水等の溶液サンプルを用いる。また、反射型同軸プローブ以外の装置では伝送線路の通過／反射特性を計測することにより、測定試料の誘電率を測定する方法がある。
【００２２】
マイクロ波〜ミリ波では、水溶液の誘電緩和スペクトルから、デバイ緩和モデルの線形結合により、溶質の影響を考慮したモデル化が可能である（非特許文献４参照）。誘電緩和スペクトルの最小二乗フィッティングにより各溶質の誘電率と誘電緩和時間を求めることによっても、成分分析が可能である。
【００２３】
また、反射型同軸プローブ以外の装置では伝送線路の通過／反射特性を計測することにより、測定試料の誘電率を測定する方法がある。非特許文献５には数Ｇ〜４０ＧＨｚ帯まで動作する伝送線路の伝送特性の変化により測定試料の誘電率を測定し、キャリブレーションモデルにより血中生体成分濃度を算定する方法が開示されている。
【００２４】
図１４は、従来のミリ波帯・テラヘルツ波帯誘電分光測定系を示す。図１４は、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式電磁波分光測定システムを示す。
【００２５】
本システムは、第１連続波光源１ａ及び第２連続波光源１ｂと、第１スプリッタ２ａ及び第２スプリッタ２ｂと、第１カプラ３ａ及び第２カプラ３ｂと、光位相変調器４と、第１フォトミキサ５ａ及び第１フォトミキサ５ａとＴＨｚミキサとの両機能を一体化させた第３フォトミキサ５ｃとで主に構成されている（特許文献２、非特許文献６参照）。符号１００は、測定試料、符号８はレンズである。
【００２６】
従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、第３フォトミキサ５ｃでのミキシング時における２つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するＴＨｚ波の伝搬長や光が伝搬するファイバの長さ等を調整する。テラヘルツ波帯ではレンズや放物面鏡を用いた疑似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献３にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。
【００２７】
以上のように、観測される電波の周波数に対応する信号の振幅や位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。一般的にはCole-Cole式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率は相間があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。含有される複数成分の複素誘電率変化と成分濃度との相間を予め測定することによって多変量の検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。
【００２８】
マイクロ波〜テラヘルツ波帯における特徴をまとめる。マイクロ波では、生体成分と水の相互作用の緩和スペクトルに基づく誘電率変化が生じるものの、多変量分析に有用な生体成分固有の吸収スペクトルが生じない。また、ミリ波帯では、水の極大吸収ピークがあり、水の緩和スペクトルが生体成分濃度に伴い変化する。テラヘルツ波では、生体成分による水の緩和スペクトルの変化として観測され、生体成分の直接の吸収が生じない。マイクロ波〜テラヘルツ波では、水の吸収の温度依存性があるものの、皮膚の光散乱の変動が発生しないという長所があるものの、生体成分固有の吸収スペクトルが生じないため、多成分系の分離が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２００７−８９６６２号公報
【特許文献２】特開２０１３−３２９３３号公報
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】Katsuhiko Maruo, Mitsuhiro Tsurugi, Mamoru Tamura, and Yukihiro Ozaki, "In Vivo Noninvasive Measurement of Blood Glucose by Near-Infrared Diffuse-Reflectance Spectroscopy," Appl. Spectrosc. 57, pp.1236-1244 (2003)
【非特許文献２】H. M. Heise, Ralf Marbach, Gunter Janatsch and J. D. Kruse-Jarres "Multivariate Determination of Glucose in Whole Blood by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy", Anal. Chem. 1989, 61, pp.2009-2015.
【非特許文献３】Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, ”A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.13, No.4 Aug. 2006.
【非特許文献４】Keiichiro Shiraga, Yuichi Ogawa, Tetsuhito Suzuki, Naoshi Kondo, Akiyoshi Irisawa and Motoki Imamura "Characterization of Dielectric Responses of Human Cancer Cells in the Terahertz Region",J Infrared Milli Terahz Waves, (2014), 35:pp.493-502.
【非特許文献５】Maximilian Hofmann, Georg Fischer, Robert Weigel, and Dietmar Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 61, NO. 5, pp.2195-2204,MAY 2013.
【非特許文献６】J.-Y. Kim H.-J. Song, K. Ajito, M. Yaita, and N. Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range,” IEEE Trans. THz Sci. Tech., 3, pp.158-164 (2013).
【非特許文献７】S. Jones, J-Y Kim, T. Yamada, N. Koshoubu, H. Togo, "Ultra-Wideband Tunable Dual Mode Laser for Continuous Wave THz Generation", Journal of Lightwave Technology, (Volume:PP ,  Issue: 99 ) ,2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
しかしながら、従来においては、電波、光の周波数領域において生体成分を非侵襲測定する際には、光では生体散乱の影響が大きい一方、マイクロ波〜テラヘルツ波では、生体成分固有の吸収スペクトルが生じないため、被測定成分の分離が難しく、成分濃度の定量精度が十分でないという課題があった。
【００３２】
本発明は、測定が困難であった被測定試料の濃度を求める技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記課題を解決するために、第１の本発明の成分濃度分析装置は、赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）と、前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射する照射器（２１）と、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器（２２）と、前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射する放射手段（２３、２５、２５１）と、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）と、前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求める演算器（３）と、を備え、前記回帰係数スペクトルは、前記赤外光の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての赤外光の回帰係数スペクトルと、前記電磁波の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての電磁波の回帰係数スペクトルと、を含み、前記演算器（３）は、前記光検出器（２２）から得たスペクトルを、前記赤外光の回帰係数スペクトルにフィッティングするとともに、前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを、前記電磁波の回帰係数スペクトルにフィッティングすることを特徴とする。
第２の本発明の成分濃度分析装置は、赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）と、前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射する照射器（２１）と、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器（２２）と、前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射する放射手段（２３、２５、２５１）と、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）と、前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求める演算器（３）と、光源（２３１）と、前記光源（２３１）からの光を振幅変調する振幅変調器（２３３）と、前記振幅変調器（２３３）による振幅変調後の光を２分岐する光スプリッタ（２３５）とを備え、前記照射器（２１）は、前記光スプリッタ（２３５）で分岐した一方の光から赤外光を発生させるものであり、前記放射手段（２３、２５、２５１）は、前記光スプリッタ（２３５）で分岐した他方の光から電磁波を発生させる放射器（２３）を含むことを特徴とする。
第３の本発明の成分濃度分析装置は、赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）と、前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射する照射器（２１）と、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器（２２）と、前記電磁波を前記被測定試料（Ｔ）に放射する放射手段（２３、２５、２５１）と、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）と、前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求める演算器（３）と、連続波光源（２６１）と、前記連続波光源（２６１）から発生した第１の周波数（Ｆ１）の光を２分岐する第１光スプリッタ（２６２）と、前記連続波光源（２６１）から発生した第２の周波数（Ｆ２）の光を２分岐する第２光スプリッタ（２６３）と、前記第１光スプリッタ（２６２）で分岐した一方の光と前記第２光スプリッタ（２６３）で分岐した一方の光を合波する第１カプラ（２６４）と、前記第２光スプリッタ（２６３）で分岐した他方の光の位相を変調させる光位相変調器（２６５）と、  前記第１光スプリッタ（２６２）で分岐した他方の光と前記光位相変調器（２６５）による位相変調後の光を合波する第２カプラ（２６７）と、前記第１カプラ（２６４）で合波された光を分岐する第３光スプリッタ（２６８）とを備え、前記照射器（２１）は、前記第３光スプリッタ（２６８）で分岐した光から赤外光を発生させるものであり、前記放射手段（２３、２５、２５１）は、前記第３光スプリッタ（２６８）で分岐した他の光から電磁波を発生させる放射器（２３）を含み、前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）は、前記第２カプラ（２６７）で合波された光を用いて前記電磁波をホモダイン検波する電磁波検出器（２７１）を含むことを特徴とする。
【００３４】
第４の本発明の成分濃度分析方法は、赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料（Ｔ）の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース（１）を用いる成分濃度分析方法であって、照射器（２１）が、前記赤外光を被測定試料（Ｔ）に照射し、光検出器（２２）が、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記赤外光を受信し、放射手段（２３、２５、２５１）が、前記電磁波を前記測定試料（Ｔ）に放射し、電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）が、前記被測定試料（Ｔ）を反射または透過した前記電磁波を検出し、演算器（３）が、前記光検出器（２２）および前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを前記データベース（１）に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料（Ｔ）の濃度を求め、前記回帰係数スペクトルは、前記赤外光の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての赤外光の回帰係数スペクトルと、前記電磁波の所定の周波数帯域における前記被測定試料（Ｔ）の濃度についての電磁波の回帰係数スペクトルと、を含み、前記演算器（３）は、前記光検出器（２２）から得たスペクトルを、前記赤外光の回帰係数スペクトルにフィッティングするとともに、前記電磁波検出手段（２４、２５、２７１、２３９）から得たスペクトルを、前記電磁波の回帰係数スペクトルにフィッティングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、測定が困難であった生体の成分などの被測定試料の濃度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【図２】グルコース水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。
【図３】イオン水溶液を経た赤外線のスペクトルの一例を示す。
【図４】アルブミン水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。
【図５】第２の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【図６】図５における符号２５０の箇所の詳細構造を示す。
【図７】第３の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【図８】第４の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【図９】μ波〜ミリ波のスペクトルを用いて、グルコース水溶液の多変量解析を行った結果である。
【図１０】多変量解析により、複数成分の水溶液において、グルコース及びアルブミンの濃度検量を行った結果である。
【図１１】第５の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【図１２】従来の赤外分光システムを示す。
【図１３】従来のマイクロ波・ミリ波帯誘電分光測定系を示す。
【図１４】従来のミリ波帯・テラヘルツ波帯誘電分光測定系を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３８】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【００３９】
成分濃度分析装置は、所望の被測定試料の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース１と、赤外光を被測定試料に照射する照射器２１と、被測定試料を透過した赤外光を受信する光検出器２２と、ミリ波／テラヘルツ（ＴＨｚ）波を被測定試料に放射する放射器２３と、被測定試料を透過したミリ波／テラヘルツ（ＴＨｚ）波を検出する電磁波検出器２４と、マイクロ波／ミリ波を被測定試料に放射する放射器および被測定試料を透過したマイクロ波／ミリ波を検出する電磁波検出器の機能を有する同軸型の誘電測定プローブ２５と、光検出器２２、電磁波検出器２４および誘電測定プローブ２５から得たスペクトルをデータベース１に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める演算器３とを備える。
【００４０】
被測定試料（所望の成分）を含む液体の試料が、フローセル２０１、２０２を流れ、容器２１０に収容される。
【００４１】
放射器２３から放射されたミリ波／テラヘルツ（ＴＨｚ）波は、放物面鏡２２１で反射し、フローセル２０１内の試料を透過し、放物面鏡２２１で反射し、電磁波検出器２４で受信される。つまり、放物面鏡やレンズ（図示せず）を用いた疑似光学系によるフリースペース法で測定がなされる。
【００４２】
ミリ波／ＴＨｚ波分光装置２２２は、受信されたミリ波／テラヘルツ（ＴＨｚ）波の振幅や位相のスペクトル（周波数スペクトル）を求める。また、複素誘電率も求める。
【００４３】
容器２１０内の試料に浸された誘電測定プローブ２５は、マイクロ波／ミリ波を放射し、マイクロ波／ミリ波は、容器２１０内の試料において電界を形成し、誘電測定プローブ２５は電界（マイクロ波／ミリ波）を受信する。
【００４４】
マイクロ波／ミリ波測定装置２２５は、受信された電界（マイクロ波／ミリ波）の振幅や位相のスペクトル（周波数スペクトル）を求める。また、複素誘電率も求める。
【００４５】
照射器２１は、例えば、広帯域の赤外線を発生させるランプであり、発生した赤外線は、フローセル２０２内の試料を透過し、光検出器２２で受信される。光検出器２２には、受信周波数帯に応じて感度のある材料が用いられる。なお、レンズを用いて、赤外線をコリメートしてもよい。
【００４６】
赤外分光装置２２７は、受信された赤外線の振幅や位相のスペクトル（周波数スペクトル）を求める。スペクトルは、試料の吸光度を反映するので、吸光度スペクトルともいう。
【００４７】
ミリ波／ＴＨｚ波分光装置２２２、マイクロ波／ミリ波測定装置２２５には、内部で広帯域な発振器を備えるベクトルネットワークアナライザ、光パルス光源を用いて電波を発生する時間分解分光器、または連続波光源を用いて電波を発生する連続波分光器のいずれかが用いられる。
【００４８】
データベース１には、複数の被測定試料（成分）を同時に定量できるように、それぞれの濃度についての回帰係数スペクトルが保持される。つまり、データベース１は、赤外光および電磁波（マイクロ波／ミリ波／テラヘルツ（ＴＨｚ）波）を合わせた周波数帯域における被測定試料の濃度についての回帰係数スペクトルを保持する。
【００４９】
演算器３は、主成分分析やＰＬＳ法等のケモメトリクス処理手法を実行し、目的の被測定試料（成分）の濃度を測定し、表示器４に表示する。
【００５０】
例えば、生体内分子を対象とした場合、グルコースが吸収を呈する近赤外域の１６００ｎｍ近傍では水、イオン、アルブミン、トリグリセリド（中性脂肪）、コレステロール等の成分も吸収が観測される。従って、測定値には、グルコース以外の、水、イオン、アルブミン、トリグリセリド（中性脂肪）、コレステロール等の濃度に応じた誤差要因が生じる。また、それらの温度依存性による定量精度への影響も無視できない。さらに生体中では、生体散乱の影響がこれらと相間して、精度に影響を与える。これらの影響を排除し、選択的にグルコースの濃度を検出することが要求される。グルコースの検出濃度は低いため、ノイズレベルが高く波数・波長領域を用いると回帰精度は低下する。
【００５１】
本実施の形態では、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波において、生体中の主成分で極性分子である水の誘電緩和現象とその変化、又は水と溶質との相互作用を計測する。また、赤外域では生体中の生体分子の分子振動を計測する。
【００５２】
図２は、グルコース水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。
【００５３】
図２（ａ）は、ギガヘルツ帯での複素誘電率の虚部（lm[ε])を示すものであり、線種ごとの数値は、グルコース水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、lm[ε]が高くなる。これを吸収増加という。
【００５４】
図２（ｂ）は、近赤外領域での振幅を示すものであり、線種ごとの数値は、グルコース水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、振幅が低くなる。これを吸収増加という。
【００５５】
図２（ｃ）は、テラヘルツ帯での透過強度を示すものであり、線種ごとの数値は、グルコース水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、透過強度が高くなる。これを吸収減少という。
【００５６】
図３は、イオン水溶液を経た赤外線のスペクトルの一例を示す。
【００５７】
図３は、近赤外領域での振幅を示すものであり、線種ごとの数値は、イオン水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、振幅が高くなる。これを吸収減少という。
【００５８】
図４は、アルブミン水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。
【００５９】
図４（ａ）は、ギガヘルツ帯での複素誘電率の虚部（lm[ε])を示すものであり、線種ごとの数値は、アルブミン水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、lm[ε]が高くなる。これを吸収増加という。
【００６０】
図４（ｂ）は、近赤外領域での吸光度を示すものであり、線種ごとの数値は、アルブミン水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、吸光度が低くなる。これを吸収減少という。
【００６１】
マイクロ波では、イオンによる低周波帯の緩和ピークが顕著であることが知られており、イオンの分析に用いることができる。一方、ミリ波帯の２０ＧＨｚ以上やテラヘルツ波ではその影響は軽微である。マイクロ波〜ミリ波では、溶質と水との水和状態により、分子量に応じたデバイ緩和ピークが観測可能である。グルコース水溶液では２０ＧＨｚ程度にデバイ緩和ピークが存在し、ミリ波ではグルコースのシフトが観測可能である。テラヘルツ帯でも水の体積分率の変化により，スペクトルの変化を計測できる。また、アルブミンは分子量が非常に大きいため、マイクロ波帯の低周波（例えば、５００ＭＨｚ以下）において緩和ピークを呈する。従って、高分子とグルコースとの間で選択的な定量分析の可能性がある。近赤外スペクトルにおいては、どの成分においても水の体積分率の変化や物質由来の吸収スペクトルにより吸収が変化する。
【００６２】
マイクロ波〜テラヘルツ波は波長が近赤外波長のおよそ１０００倍であり、生体内散乱をほとんど無視できるため、生体散乱を無視して測定が可能である。また、テラヘルツ帯では溶質の吸収が存在しないため、生体中の水の体積分率が他の成分と独立に計測することができる。従来の赤外で課題となっている水の体積分率の変化や温度依存性に対して、生体散乱の影響を受けずに補正が可能である。この補正の重要性は、例えば、赤外域の１６００ｎｍでは水の吸収が生理グルコース濃度の１０００倍であり、温度変化０．１℃によるスペクトルシフトと同等であることから明らかである。
【００６３】
データベース１に保持する回帰係数スペクトルのスペクトルデータとしては、例えば、イオン、アルブミン、トリグリセリド（中性脂肪）、コレステロール等の水溶液のそれぞれ異なる濃度や温度でのデータ、また、それらの混合液のデータを用いる。
【００６４】
つまり、演算器３がスペクトル定量分析手法を実行するのに先立ち、予め測定された物質の物性値（温度、濃度、ｐＨ等）を参照リストとしてデータベース化し、それぞれのスペクトルから検量線を作成する。そして、それぞれの物性値における成分スペクトルの線形結合で測定スペクトルが表現されるため、それぞれの成分の回帰係数スペクトルを求めて、データベース１として予め記憶する。検量線の作成手法としてはPrincipal Component Regression (ＰＣＲ)、Partial Least Squares回帰(ＰＬＳ)を用いてもよい。
【００６５】
演算器３は、作成した回帰係数スペクトルを用いて、計測したスペクトルをフィッティングすることより、それぞれの成分の濃度を計算する。
【００６６】
［第２の実施の形態］
図５は、第２の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
【００６７】
成分濃度分析装置は、所望の被測定試料の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース１と、赤外光を被測定試料Ｔに照射する照射器２１と、被測定試料Ｔを透過した赤外光を受信する光検出器２２と、電磁波を被測定試料Ｔに放射する放射器２３と、被測定試料Ｔを透過した電磁波を検出する電磁波検出器２４と、所定の波長の光を発生する光源２３１と、光源２３１からの光を振幅変調する振幅変調器２３３と、振幅変調器２３３による振幅変調後の光を２分岐する光スプリッタ２３５と、放射器２３に接続された同軸線２３７に挿入されたコプレーナ線路（図５では省略する）と、同軸線２３７に接続されたアンプ２３９と、光検出器２２の出力信号と電磁波検出器２４の出力信号とアンプ２３９の出力信号をロック・イン・アンプ２４３を介して受信し、その信号により得たスペクトルをデータベース１に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める演算器３とを備える。演算器３は、例えば、濃度を表示器４に表示する。
【００６８】
照射器２１は、例えば、レンズを含み、光スプリッタ２３５で分岐した一方の光から赤外光を発生させるようになっている。放射器２３は、例えば、フォトミキサであり、光スプリッタ２３５で分岐した他方の光から電磁波を発生させるようになっている。放射器２３は、ＵＴＣ―ＰＤを用いたフォトミキサとし、そのバイアスを変調してもよく、放射器２３から放射されるテラヘルツ（ＴＨｚ）波をチョッパー等で振幅変調してもよい。
【００６９】
制御器２４１は、演算器３の制御により、光源２３１の波長を偏移させる。ロック・イン・アンプ２４３は、発振器２４５の発振周波数ｗを電圧で制御し、発振周波数ｗにより振幅変調器２３３を制御する。振幅変調器２３３は、例えば、制御信号により電気的に振幅変調が可能な電気光学結晶を用いたマッハツェンダ式振幅変調器である。
【００７０】
マイクロ波の信号発生は、光源のスペクトル線幅が狭帯域である方が低周波数を発生に好適である。一般にDFBレーザのスペクトル線幅は５００ｋＨｚ程度であり、数１００ＭＨｚの信号発生は可能である。
【００７１】
放射器２３は、２つの光のビート周波数の電波を発生させ、例えば数ＧＨｚ〜数ＴＨｚまでの電波を発生する。
【００７２】
光源２３１は、少なくとも２つの異なる周波数の光を発生させる。一方の光の波長は、制御器２４１の制御により可変となっている。
【００７３】
この波長を線形に変化させることで、光スプリッタ２３５から２分岐した一方の光は、放射器２３においてＦ２−Ｆ１の差周波ビート信号の周波数を線形に掃引（スイープ）する。
【００７４】
例えば、振幅変調器２３３に対し、発振器２４５からの単一周波数ｆ（例えば１００ｋＨｚ）の信号を印加する。これにより、振幅変調器２３３は振幅変調を行う。
【００７５】
電磁波検出器２４は、例えば、アンテナ付きＳＢＤ（ショットキー・バリア・ダイオード）である。ＳＢＤでは、包絡線検波により周波数ｆの電気信号が出力される。この電気信号を同期検波して、ロック・イン・アンプ２４３で振幅を検出する。
【００７６】
図６は、図５における符号２５０の箇所の詳細構造を示す。
【００７７】
コプレーナ線路２５１は、セル２５３により被測定試料Ｔの位置に配置され、同軸線２３７とコネクタ２５５を介して接続される。コプレーナ線路２５１は、別のコネクタ２５５と同軸線２３７を介して、図５のアンプ２３９に接続される。例えば、１ＭＨｚ〜５０ＧＨｚの電磁波（マイクロ波／ミリ波）が同軸線２３７に導入され、コプレーナ線路２５１の箇所で被測定試料Ｔを透過し、同軸線２３７を通過し、アンプ２３９で受信される。
【００７８】
マイクロ波からミリ波は波長が長く、空間伝搬にはシステムサイズが大きくなるため、同軸線２３７により伝搬させる。同軸線２３７は、基板２５６上のコネクタ２５５と接続し、コプレーナ線路２５１を通して、伝搬する。コプレーナ線路２５１上には流路が形成されており、被測定試料Ｔが分岐され通過する。コプレーナ線路２５１の通過特性を測定することにより、被測定試料Ｔの誘電率を測定することができる。
【００７９】
基板２５６はセル２５３と熱的に接続するように配置される。シリコン，セラミックス等の熱伝導率が高い材料を基板２５６の材料としても良く、熱伝導性が良いペースト材料を基板２５６とセル２５３の間に塗布しても良い。このような配置により、一つの被測定試料Ｔを同時に測定できるため、被測定試料Ｔの温度制御の精度を高めることができ、精度が向上する効果がある。
【００８０】
また、符号２５７は、照射器２１から放出した赤外線と、放射器２３から空間に放出した電磁波とを示すものであり、放射器２３からは、例えば、５０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚのミリ波／テラヘルツ波が放出される。赤外線と電磁波は、セル２５３の窓と称される開口を通過し、被測定試料Ｔを透過し、光検出器２２と電磁波検出器２４で受信される。
【００８１】
このように、１つの被測定試料Ｔに赤外線、マイクロ波／ミリ波、ミリ波／テラヘルツ波を同時に照射する構成を採用することで、装置の小型化および高精度化が可能となる。
【００８２】
［第３の実施の形態］
図７は、第３の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。第３の実施の形態に係る成分濃度分析装置は、ホモダイン検波の装置構成を有する。データベース１と演算器３については図示省略する。
【００８３】
成分濃度分析装置は、所定の波長の光を発生する連続波光源２６１と、連続波光源２６１から発生した周波数Ｆ１の光を２分岐する光スプリッタ２６２と、連続波光源２６１から発生した周波数Ｆ２の光を２分岐する光スプリッタ２６３と、光スプリッタ２６２で分岐した一方の光と光スプリッタ２６３で分岐した一方の光を合波するカプラ２６４と、光スプリッタ２６３で分岐した他方の光の位相を変調させる光位相変調器２６５と、光スプリッタ２６２で分岐した他方の光と光位相変調器２６５による位相変調後の光を合波するカプラ２６７と、カプラ２６４で合波された光を２分岐する光スプリッタ２６８とを備える。
【００８４】
照射器２１は、光スプリッタ２６８で分岐した光から赤外光を発生させるものである。赤外線は、図示しないが、被測定試料Ｔを透過し、光検出器２２で受信される。
【００８５】
放射器２３は、光スプリッタ２６８で分岐した別の光から電磁波を発生させるものである。電磁波は、放射器２３から放射され、放物面鏡２２１などで反射し、被測定試料Ｔを透過する。
【００８６】
フォトダイオード２６９は、、光スプリッタ２６８で分岐した別の光から電磁波を発生させ、同軸線２３７に導入する。
【００８７】
第３の実施の形態では、図６と同様に、セル２５３を用い、照射器２１からの赤外線と、放射器２３からの電磁波を１つの被測定試料Ｔに通過させ、また、コプレーナ線路２５１を用いて、別の周波数の電磁波を被測定試料Ｔに通過させる。
【００８８】
アンプ２３９は、受信した電磁波を同軸線２３７を介して、ロック・イン・アンプ２４３に出力する。
【００８９】
電磁波検出器２７１は、フォトミキサ及びフォトミキサとＴＨｚミキサとの両機能を一体化させたものであり、被測定試料Ｔを通過した電磁波をホモダイン検波する。ロック・イン・アンプ２４３は、電磁波検出器２７１からの信号を基に、発振器２４５の発振周波数ｗを電圧で制御し、発振周波数ｗにより光位相変調器２６５を制御する。
【００９０】
第３の実施の形態では、電磁波をホモダイン検波すべく、例えば、電気光学効果を用いた光位相変調器２６５で位相変調する。光位相変調器２６５は、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いた位相変調器であり、発振器２４５からの単一周波数ｆ（例えば４０ｋＨｚ）の信号を印加して、セロダイン位相変調を行い、変調周波数ｆと同等の周波数シフトを光に生じさせる。なお、位相変調器２６５の変調帯域により掃引可能な周波数が律速される。
【００９１】
連続波光源２６１は、上記のように、少なくとも２つの異なる周波数Ｆ１、Ｆ２の光を発生し、且つ一方の周波数Ｆ２は可変可能である。
【００９２】
光スプリッタ２６２、２６３は、入力光の光パワーを所定の比率で２つに分岐して出力する機能を有する。
【００９３】
例えば、動作帯域の中心周波数は１９３．１５ＴＨｚで、光パワーの比率は５０：５０である。
【００９４】
制御器２４１は、ロック・イン・アンプ２４３からモニタ２７２を経て信号を受信し、連続波光源２６１を制御する。
【００９５】
制御器２４１により、１９３．１２５ＴＨｚを、Ｆ１＝１９３．２２５ＴＨｚ以下、Ｆ２＝１９４．１２５ＴＨｚ以上へそれぞれを線形に変化させ、連続波光源２６１から出力する。
【００９６】
カプラ２６４では、Ｆ２−Ｆ１の差周波ビート信号を線形にスイープする。
【００９７】
例えば、差周波数を０．６ＴＨｚとするには、Ｆ１＝１９３．１２５ＴＨｚ、Ｆ２＝１９３．７２５ＴＨｚとする。
【００９８】
カプラ２６７は、周波数Ｆ１と周波数Ｆ２＋ｗの光を出力する。つまり、周波数Ｆ２に対して、周波数ｗだけ周波数偏移させることで、差周波ビート信号の周波数を変化させ、連続したスペクトルが得ることができる。
【００９９】
また、光スプリッタ２６８を設け、例えば、Ｆ１＝１９３．１２５ＴＨｚ、Ｆ２＝１９３．１３５ＴＨｚとすることで、１０ＧＨｚの高周波信号をフォトダイオード２６９において発生させ、フォトダイオード２６９と接続した同軸線２３７により高周波の電磁波を伝搬させる。アンプ２３９としては、信号量に応じて低雑音アンプを用いる。このようにして、差周波ビート信号の周波数を変化させ、連続したマイクロ波〜ミリ波スペクトルが得ることができる。
【０１００】
光スプリッタ２６８をスイッチとして切り替えてもよい。同軸線２３７は、図示しない基板上のコネクタと接続し、コプレーナ線路を通して、電磁波を伝搬する。コプレーナ線路上には流路が形成されており、被測定試料が分岐され通過する。コプレーナ線路の通過特性を測定することにより、被測定試料の誘電率を測定することができる。
【０１０１】
２つの異なる光波長の光は、カプラ２６４、２６７により合波された後に、それぞれ放射器２３と電磁波検出器２７１に入力される。放射器２３からは差周波ビート信号（電磁波）が放射され、電磁波を放物面鏡２２１で被測定試料Ｔに照射し、被測定試料Ｔを透過した電磁波は、後に電磁波検出器２７１に入射する。電磁波検出器２７１は、その電磁波と同様に周波数差がある２つの異なる光によって、ホモダイン検波を行う。
【０１０２】
電磁波検出器２７１は、ホモダイン検波により周波数ｆの電気信号を出力する。この電気信号を同期検波してロック・イン・アンプ２４３で振幅及び位相を検出する。
【０１０３】
なお、電磁波をホモダイン検波する際に、電磁波検出器２７１のミキシング時における２つの光路長差が一致するように、光を伝搬する光ファイバの長さ等を予め調整する。
【０１０４】
このように電気信号を同期検波してロック・イン・アンプ２４３で振幅及び位相を検出する。このような構成により、高いＳＮ比を有するホモダイン検波を行うことができる。
【０１０５】
放射器２３としては、例えば、単一走行キャリア・フォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ：Uni-Travelling-Carrier Photodiode）等を利用して実現できる。
【０１０６】
また、電磁波検出器２７１は、アンテナ付きＳＢＤ（ショットキー・バリア・ダイオード）で構成されるＴＨｚミキサと、アンテナ付きＵＴＣ−ＰＤで構成されるフォトミキサとを、光ファイバとを同一パッケージに実装することで実現できる。なお、電磁波検出器２７１には、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Photo-Conductive Antenna）を用いてもよい。
【０１０７】
［第４の実施の形態］
図８は、第４の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。データベース１と演算器３については図示省略する。
【０１０８】
第４の実施の形態では、誘電分光センサの測定系に透過型の配置をして透過信号の振幅、位相を測定する。図は、水溶液や油脂等の液体に被測定試料が含まれる場合の測定例を例示する。なお、被測定試料は固体でもよい。
【０１０９】
放射器２３から電磁波（ＴＨｚ波など）をレンズなどを介して、誘電率測定用セル２８１に保持された被測定試料に照射し、被測定試料を透過した電磁波をレンズなどを介して、電磁波検出器２４で検出する。電磁波検出器２４からの信号を低雑音増幅器２８１を介して、ロック・イン・アンプ２４３で受信する。
【０１１０】
なお、図示しないが、図５などと同様に、照射器２１を用い、赤外光を被測定試料に照射する。また、光検出器２２を用い、被測定試料を透過した赤外光を受信する。
【０１１１】
演算器（図示せず）は、光検出器の出力信号と電磁波検出器２４の出力信号をロック・イン・アンプ２４３を介して受信し、その信号により得たスペクトルをデータベースに保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める。
【０１１２】
図９は、μ波〜ミリ波のスペクトルを用いて、グルコース水溶液の多変量解析を行った結果であり、図１０は、多変量解析により、複数成分の水溶液において、グルコース及びアルブミンの濃度検量を行った結果である。双方において、クロスバリデーションにおける自乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥＣＶ）が１００ｍｇ／ｄＬ以下となった。同様に、テラヘルツ波帯や赤外域の分光スペクトルをデータベースに含めることで多変量解析の精度向上が可能である。
【０１１３】
誘電率測定用セル２８１のサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上であり、厚さは試料の透過率にも依存するが、純水では0.1mm程度である。被測定試料を固定する固定治具（窓材料）は、電磁波が良く透過する高抵抗Si,Zカット水晶、HDPE、TPX、Tsurupica等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。液体用の誘電率測定用セル２８１はインレットとアウトレットを備えるフローセル構成としてもよい。
【０１１４】
［第５の実施の形態］
図１１は、第５の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。データベース１と演算器３については図示省略する。
【０１１５】
図１１において、人間の指２９１の照射領域２９１に被測定試料である成分が存在する。ここでは、その被測定試料が電磁波を多く吸収するとする。
【０１１６】
この場合、図１１に示すように、シリコンを材料とするＡＴＲプリズム２９３上に誘電率測定用セルを配置して、反射信号の分光測定を行う。
【０１１７】
つまり、放射器２３から電磁波（ＴＨｚ波など）をレンズ、ＡＴＲプリズム２９３を介して、照射領域２９１に照射し、照射領域２９１で反射した電磁波をＡＴＲプリズム２９３、レンズなどを介して、電磁波検出器２４で検出する。電磁波検出器２４からの信号を低雑音増幅器２８１を介して、ロック・イン・アンプ２４３で受信する。
【０１１８】
また、赤外光源２９５で発生した赤外光を照射器２１を用い、ＡＴＲプリズム２９３を介して、照射領域２９１に照射に照射する。また、図示しない光検出器を用い、照射領域２９１で反射した赤外光を受信する。
【０１１９】
すなわち、第４の実施の形態は、被測定試料の位置（同一位置）に電磁波と赤外光を照射する配置をとった実施形態である。
【０１２０】
演算器（図示せず）は、光検出器の出力信号と電磁波検出器２４の出力信号をロック・イン・アンプ２４３を介して受信し、その信号により得たスペクトルをデータベースに保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める。
【０１２１】
ＡＴＲプリズム２９３の材料としては、被測定試料の誘電率により適宜選択すればよいが、例えば、高抵抗Ｓｉ以外には、ポリマー、石英でもよい。ＡＴＲプリズム２９３上に枠を設けて、人の指２９１を配置することで、人体の血液や組織間液中の成分分析に適用できる。
【０１２２】
赤外光では吸収係数１０ｃｍ−１となる波長でおよそ１ｍｍ程度、皮膚組織内に到達するとみなせ、その経路にある組織間液や血液の吸収を受ける。電磁波は例えば３００ＧＨｚにおいて波長１ｍｍと皮膚下到達深度と同程度となる。従って、ＡＴＲプリズム２９３のエバネッセント波による浸み出し深さが同程度とみなせる周波数を選ぶことで、同一領域の情報を選択的に得ることもできる。
【０１２３】
以上のように、本発明の各実施の形態に係る成分濃度分析装置によれば、マイクロ波から赤外線に渡る帯域の誘電分光分析により健康診断に必要な生体成分を非侵襲で定量化することができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１  データベース
３  演算器
２１  照射器
２２  光検出器
２３  放射器
２４、２７１  電磁波検出器
２５  誘電測定プローブ
２３１  光源
２３３  振幅変調器
２３５、２６２、２６３、２６８  光スプリッタ
２３７  同軸線
２３９  アンプ
２６１  連続波光源
２６４、２６７  カプラ
２６５  光位相変調器
２６９  フォトダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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